基于MCGS鯧魚自動變頻分揀傳送系統

梁博， 張存喜

（浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江舟山316022）

0 引 言

現代化自動設備的特點是：系統可以通過微處理單元的控制使自動檢測與控制信號的傳輸控制處理、執行和驅動單元等在一起高效明確地工作。在傳送系統上，安裝重力傳感器與接近式開關感應器。根據市場調查，冷凍鯧魚質量為500～750 g之間，所以按照大、中、小的等級排序進行分揀。分揀的時候低于500 g時直接由一級傳送帶分揀出。在500～750 g之間的鯧魚由二級一號傳送帶分揀，大于750 g時由二級二號傳送帶分揀，按照以上參數設計該鯧魚變頻傳送系統。以往的設計只是簡單結合PLC與變頻器完成系統控制，再加入觸摸屏（MCGS）與前兩者結合組成控制系統，監視系統的實時運行狀態。

1 冷凍鯧魚的變頻分揀系統的設計

本次研究的自動分揀系統包括PLC、機械控制、MCGS、電動機轉速控制、重力傳感控制，而其中系統控制的核心部分是PLC控制器，此外還有電氣控制、監視等系統。系統功能可以細致地分為冷凍鯧魚的分揀、重力感應、模擬顯示運行、人機交互等功能。其中電氣控制系統的穩定性會影響到整個電動機傳送系統的運行平穩性，間接地影響到整個控制系統運行過程中的控制質量，也是自動檢測和分揀系統的關鍵。在研究過程中期望實現的目標是：在轉速預設值700 r/min和1000 r/min時，系統在分揀運行時電動機轉速的誤差小于5%，實現系統的平穩變速。另外，本次研究采用手動控制系統的運行速率和PID控制，并比較兩種方法的差別，選出誤差小、性能更好的方法。本課題的意義在于：結合PLC、變頻器與MCGS，實現生產多元化、現代化、數字化；簡化人工操作步驟，節省勞動力與能源，讓生產更高效快捷。

1.1 總體設計方案框圖

如圖1所示，本次研究的自動變頻傳送分揀系統采用FX-2N系列的PLC作為控制中心元件，以變頻器作為控制速率的控制器件，變頻器拖動2個電動機。電動機的頻率變換就是改變速度，如同汽車的“變速箱”，實現不同擋位的加減速，使傳送帶運行穩定、高效且節能。觸摸屏（MCGS）代替了傳統的開關器件，以軟開關的方式控制系統的啟動運行，進行人機交互。MCGS觸摸屏窗口中制作簡單的模擬動畫，監控模擬的運行狀態。PLC與變頻器之間連接的信息傳遞是RS-485BD通信，這種方式連接穩定，抗干擾能力強[1]。接近式開關傳感器用于感應鯧魚的位置信息，與側向分揀器組成分揀系統。編碼器作用為：系統由PID調節時與重力傳感系統組成反饋系統。在系統運行發生錯誤的時候，報警系統彈出，檢修完成后，手動退出報警系統。

圖1 系統組合運行圖

1.2 自動控制系統的設計流程圖

每一個單獨運行的程序應盡量簡化，由觸摸屏控制系統的啟動停止，兩種運行方式都有相同的初始預設值，PLC接收程序，系統運行。變頻器改變電動機的頻率，傳送帶輸送部分以不同的速率運行。檢測元件所用的傳感器安裝在系統的不同部位，發揮不同的作用。重力傳感器可以檢測出冷凍鯧魚質量，通過重力傳感器將壓力信號轉換為電信號[2]，然后反饋到PLC，傳送給觸摸屏。系統的一、二級傳送帶輸送不同質量的冷凍鯧魚，當系統不能正常運行時報警系統會發出警報，故障排除后退出報警系統，系統繼續正常工作。每一個模塊都有獨立的執行能力，都配備安裝小型機電裝置，以供各個部分的配合運行。整個分揀分類系統是由PLC及三菱變頻器完成對各個部分的精確操控。系統工作流程圖如圖2所示。

圖2 鯧魚分揀變頻系統流程圖

2 系統的通信模式選擇及參數設置

2.1 PLC 控制程序及通信協議設置

本控制系統使用FX 2N-485BD通信板作為PLC與變頻器的通信模塊，使用標準Modbus 通信協議保證PLC與變頻器之間正常通信，根據站號的不同，一個主機可以拖n個變頻器，每個變頻器可拖一臺電動機馬達轉動。接線圖如圖3所示。

2.2 變頻器參數設置（無PID）

傳送系統的控制程序采取軟元件編寫程序的設計，軟元件在PLC內是固定不可改變的。由PLC所編寫的程序是按照選擇的通信格式所定制的，主機與變頻器之間的ASCI I 碼實現信息交換采用16 進制，本次設計選擇數據請求ENQ格式A，數據回傳請求使用ENQ格式B，數據在臨時的寄存器中讀取時采用STX格式E。

圖3 PLC 、變頻器系統連接圖

2.3 PLC程序的編寫

D8120采取19 200的波特率，轉換為二進制變為0C96，使得主機與變頻器統一通信格式，可以完成輸出、回傳。程序中給一個初始脈沖，使用時間繼電器T進行0.1 s快速循環的掃描，掃描得到的信號發送到D200為開端的寄存器中，程序如圖4所示。

頻率部分的程序是ASCII碼轉換為HEX格式，然后分配到每一個寄存器中，公共的程序輸入部分可放在一起，轉速數據的4個“房間”采取單獨編輯，用M軟元件繼電器進行開關控制，如圖5所示。

將上述“房間”的數據進行求和校驗，并且分別將D218傳送到以M10開始的M10～M17，K2在位元件前代表組，K2就代表2組，一組是以M10開始的4個元件M10、M11、M12、M13，另一組是M14、M15、M16、M17。將M14、M15、M16、M17代表的一個16進制數轉換成ASCI存入到D218里面，再由請求發送信號M8122完成發送，如圖6所示。

圖4 通信格式定義與發送

圖5 轉速頻率非公共部分

圖6 信號整合校驗發送

接下來的部分是數據回傳，將K10的數據由D20開始的“房間”轉送到D10開始的“房間”。D20是數據接收地址，再由D20轉存到D30中，編輯HEX格式的速度讀取，使用格式B和格式E進行讀取。數據D20到D30快速整體移動，在讀取D30的過程中，因數據在D33～D36之間，只需讀取出D33～D36“房間”中的數據即可。由M8123完成接收，在發出一個電信號后隨即復原置零。讀取程序如圖7所示。

編輯M CGS 觸摸屏模擬動畫時候，程序采用水平移動，報警燈閃爍，字體閃爍，開關的指示燈等。在接近式開關的運行、側向分揀器的工作，都要加在最后程序的尾部。部分程序如圖8所示。

圖7 數據讀取程序

圖8 觸摸屏模擬仿真部分程序

2.4 變頻器PID控制設置

系統運行過程中，會遇到傳送帶上的貨物過重情況，這時電動機的轉速低于預設目標值，傳送帶運行速度變慢。這時使用變頻器PID控制，通過負反饋系統自動調節電動機的轉速，增加系統運行的穩定性。

變頻器PID調節模式使用外部PID開關RH端子閉合，設置目標值，PLC的程序設定依舊選取和上述相同的通信格式程序，需要把頻率設置的部分移除就可以完成控制。

結果穩定性驗證中，選取額定轉速為1400 r/min三相異步電動機，檢測轉換裝置是光碼盤及信號轉換電路，輸出為0～10 V，對應參數如表1所示。變頻器所用PID模式參數的設置如表2所示。

表1 對應轉速光盤碼及信號轉換電路輸信號

表2 變頻器用PID控制時參數設置表

3 觸摸屏的設計

選擇昆侖通態TPC1016Ti型號觸摸屏，以實現人機交互控制。該觸摸屏具有儀器儀表顯示、動畫模擬繪制、按鈕設置等功能，方便簡化系統操作設置，同時由于物理按鍵，操作臺的空間得到了極大釋放。MCGS嵌入式組態軟件是安裝在計算機上的一種軟件，通過觸摸屏與計算機的通信接口，將在MCGS上編好的動畫下載到觸摸屏中，實現軟開關的控制與數據的監視。本次研究設計系統包含有檢修報警部分、運行指示的部分、數據反饋的部分，以及整個程序的模擬運行演示。

3.1 傳送系統的轉動變頻控制顯示

本次冷凍鯧魚分揀變頻系統，主控頁面可以進行電動機運行的啟動停止、電動機的運行狀態的指示燈和數據回傳監視，啟動控制按鈕，實現人機交互，這樣代替傳統的控制方式。指示燈、輸出量、按鈕都選擇輔助繼電器M實行控制[4]，如圖9所示。

3.2 變頻傳送系統的仿真顯示

點擊組態運行狀態窗口，進入動畫仿真頁面，以白色方塊代表鯧魚在傳送帶上進行向右移動，傳送帶分為一級與二級傳送，檢測識別器代表整理感應系統等。此仿真的動畫模擬并不能和實物一模一樣，它演示的是對系統的運行狀態的模擬，如圖10所示。

圖9 傳送系統的變頻控制與回傳顯示

3.3 報警系統的設置

系統中還加入了傳送系統的報警系統，本次采用彈出報警，系統因故障不能正常運行的時候，觸摸屏上彈出故障警示框，提示檢修并停止系統的運行，同時提示操作人員，退出后報警系統可以正常運行，如圖11所示。

圖10 系統實時運行模擬畫面

4 電動機的測速結果

傳送分揀系統可按照第1種方法無PID設計，使用預先設置好的頻率進行手動調速。因選取型號為nmel-1 4 額定轉速為1400 r/min的三相異步電動機，所以在電動機的負載為0時25.5 Hz對應700 r/min，35.5 Hz對應1000 r/min，如表3所示。

圖11 報警彈出框

也可使用第2種方法，使用外部PID控制，使控制系統中的電動機運轉按照預先設定好的數值自動調節轉動。電動機數據記錄如表4所示。

但是表3數據表明，系統運行分揀的過程中，長時間運用大功率電動機，會處于浪費能源的情況。如果運用小功率電動機，隨著貨物的變多，負載變重，使得電動機轉速變慢，電流變大，系統運行并不穩定。

由表4可知，實際轉速與預設值轉速是有誤差存在的，計算誤差為±5%，滿足了控制系統所要求的穩定性。與第1種方法相比，變頻器PID控制的方法多了一個負反饋調節功能，提升了冷凍鯧魚自動分揀系統在運行中的穩定性。無論采取哪一種方法運行，在系統運行時加上減速箱，按10:1的速比調節電動機的轉速，使轉速達到正常生產所需要的值。

表3 無PID時電動機的轉速記錄表

表4 電動機的實際轉速與預設轉速的對照記錄表

5 結 語

本次研究的鯧魚自動變頻分揀傳送系統采用PLC主控制、變頻調速控制、重力感應檢測控制、觸摸屏軟元件控制、人機交互功能，組成了一套完整的基于MCGS、PLC與變頻器的冷凍鯧魚自動分揀及傳送系統。進行了相關的實驗，來驗證系統運行的可行性、穩定性，考察電動機在負載情況下運行的轉速情況。得出的結果與預期設想相符合，達到了設計的基本要求。結合生產中可能發生的問題，本次設計實現了電動機變頻控制，異步電動機在變頻器PID控制的情況下，使用和維護成本低、可靠性高，滿足企業的生產分揀要求。后續的分揀系統研究工作應結合AI圖像智能識別功能進一步深入研究。