高速食品分量機的控制系統設計

劉 歡，韓震宇，沈小龍

（四川大學 機械工程學院，四川 成都610065）

隨著工業化進程進一步深入，自動控制技術正不斷被應用于各種工業生產現場乃至日常衣食住行之中，食品分量包裝更是現代社會快生活節奏帶動下自動化技術的熱點應用領域之一，尤其是快餐、航空配餐等盒裝食品生產行業[1]。為此，設計了一種集機電氣一體的高速食品分量機械對待分量食物進行等體積高速分量，通過改變PLC 高速脈沖口脈沖輸出頻率調節伺服電機的速度以控制系統上料速度，系統運行過程中PLC 采集氣缸位置傳感器以及食盒傳感器信號控制閥島電磁閥開關以控制氣缸動作完成物料等體積分量以及食物填充。系統采用西門子S7-200 Smart 系列的PLC以及精彩系列HMI 700IE V3，Smart 系列是西門子針對中低端應用設計的PLC，具備高性能、低成本等特點，精彩系列HMI 用以對設備生產數據進行管理調試，監控設備狀態并調節系統參數，極大增強了系統自動化程度以及人機交互友好性。

1 高速食品分量機系統組成及工作原理

1.1 系統組成

控制系統由主控部分、閥島、下料部分以及食盒和物料傳送等部分組成。系統組成原理如圖1 所示。

圖1 系統組成原理圖

其中，主控部分以PLC 作為控制核心、HMI 作為運行監控單元配合外圍傳感器電路及輔助電路完成控制工作；閥島部分包含電磁閥閥體、閥芯以及控制總線，負責控制氣體以及清洗液體開閉；下料部分由兩個往復循環運動的氣缸作為主要執行部件，結合氣缸位置傳感器控制食盒填料時機以及分量體積。食盒和物料傳輸部分負責傳送食盒與系統上料工作，物料傳輸帶由伺服電機驅動，送入透明管道后由高度傳感器進行物料高度測量，食盒傳輸速度由速度傳感器進行測量。

1.2 工作原理

系統上電自檢后進入運行模式后PLC 開啟物料傳送伺服電機，并發送高速脈沖控制物料進入系統的速度，物料通過漏斗進入透明管道，并由高度傳感器進行測量，達到初始物料設定值后暫停上料，下料部分氣缸動作完成物料等體積切分及轉移，系統進入準備下料狀態等待食盒到來。系統進入準備狀態后，食盒傳送部分啟動，PLC 根據食盒速度傳感器控制氣缸動作時間，將完成分量的物料準確填入食盒內，與此同時PLC 控制電機啟動，繼續上料使系統進入下一個準備下料狀態，如此循環工作完成食盒快速填料。

切料分量部分的分量過程如圖2 所示。

圖2 分量過程

圖2 中，黑色部分為物料，各氣缸伸出位置由位置傳感器測定。兩氣缸分別帶動切刀和滑塊，上料完成后為狀態①，切刀伸出進入為狀態②，此時切刀和滑塊上表面之間的物料便是設定好的分量體積，接著滑塊縮回使切分好的物料填入滑塊進入狀態③，食盒到來滑塊伸出進入狀態④，接著切刀縮回回到狀態①，往復動作完成物料等體積切分和填料工作過程。

2 系統硬件設計

根據分量機的功能要求對系統控制電路的控制核心、傳感器以及外圍電路進行選擇。分量機系控制統選用西門子公司的s7-200 smart 系列PLC，該系列PLC 結構緊湊、成本低廉且具有功能強大的指令集，其CPU 模塊ST20 提供12 kb程序存儲空間和8 kb 數據存儲空間，帶有2 路輸出頻率高達100 kHz 的脈沖輸出口、12 點數字輸入、8 點數字輸出，最高支持6 個拓展模塊[2]。為保證操作安全，系統各運動部件處都裝有安全磁性開關，需要大量的數字量輸入接口，因此最終控制核心選用CPU 模塊ST20 配合I/O 拓展模塊DT32。與smart 系列PLC 配合使用的人機交互界面（HMI）為西門子精彩系列觸摸屏，確定HMI 為西門子smart line 700IE v3。傳感器部分主要包括高/速度傳感器和安全傳感器，為降低成本和PLC 數據處理工作、提高系統集成性和穩定性，高/速度傳感器使用自研的以STM32 為核心的電路板，配合激光發射器和光敏器件進行速度和高度測量，并通過modbus 協議傳輸給PLC[3]。安全傳感器根據在控制系統中應用場合又包括接觸式和非接觸式兩種，綜合成本和功能考慮，接觸式傳感器選用歐姆龍GLS-1，非接觸式傳感器選用基恩士PZ2-41。電機選用臺達伺服ASDA-B2 系列，電磁閥選用費斯托電磁閥并配合總線型閥島使用。硬件系統總體控制方案如圖3 所示[4]，HMI 通過以太網通信與PLC 進行數據交換，高/速度傳感器通過RS485 總線向PLC 傳輸數據，總線型閥島及其余傳感器和受控部件與PLC數字量I/O口直連。硬件系統總體控制方案如圖3 所示。

圖3 硬件系統總體控制方案

3 系統軟件設計

控制系統軟件包括PLC 控制程序、HMI 組態程序以及高/速度傳感器控制程序，主要完成系統各部件控制、設備運行狀態監控、設備參數設置、數據測量以及故障報警等工作。其中高/速度傳感器主要負責通過AD 采樣對食盒速度以及食物高度信息進行采集并做計算，最后打包傳送給PLC，此處不做詳細敘述。

3.1 PLC 程序設計

PLC 控制程序主要包含上電自檢程序、自動化工作程序、報警程序以及通信程序，其中上電自檢主要完成系統各處磁性安全開關以及光電安全開關，防止運動部件安裝不到位時啟動機器造成安全事故。自動化工作程序為設備主控程序，根據各傳感器信息控制閥島上各電磁閥的開閉實現氣缸往復循環運動以及各輔助氣路的開閉，同時通過改變脈沖輸出頻率控制伺服電機速度以完成上料速度控制，保證透明管道內食物高度滿足系統設定值。報警程序負責監控系統運行狀態，一方面自動化工作程序會記錄設備各運動部件使用次數，一旦達到使用壽命則會在HMI 界面進行報警；另一方面設備運行過程中安全開關、各運動部件出現故障或物料不足時，報警程序也會通過運行狀態指示燈進行報警。通信程序負責與高/速度傳感器進行通信，獲取處理好的食盒速度以及食物高度信息。

系統控制流程如圖4 所示，其中運行模式為主要控制程序，清洗模式和測試模式則是為了方便機器日常運行維護，可通過HMI 進行選擇。

圖4 系統控制流程圖

3.2 HMI 組態程序

HMI 作為自動化控制中最友好的人機交互接口，可以靈活運用圖文界面代替傳統工控設備實體按鈕和旋鈕等，主要負責系統運行監控以及參數設定工作。高速分量機HMI 界面采用Winccflexible 進行組態，主要包括主界面、報警界面、運行監控界面、設置界面、清洗界面以及測試界面。

界面樣式如圖5 所示。

圖5 HMI 主要界面

其中主界面負責設備各個模式切換；運行監控界面為自動化工作狀態下界面，可顯示物料信息以及食盒速度以及相關設備運行參數；設置界面可以對設備所有參數進行設定，如輔助下料功能開閉、自動停止時間設置、真空系統設置等；清洗界面主要對各個清洗電磁閥進行控制，完成設備清洗工作；測試界面主要為了測量各受控部件工作性能，方便設備調試以及故障排查；報警界面使用Winccflexible 提供的報警組態功能，一旦PLC 自檢或者報警程序檢測到故障發生并置位某報警變量則HMI 顯示相應的報警信息。

4 實驗及結論

設備加工完成并經過調試后可滿足食物分量功能，分量精度方面由于采用等體積分量方式，精度稍遜于稱重方式，采用干燥玉米粒進行測試時分量誤差可控制在設定值±7%以內，并且誤差會隨著分量體積增大逐步減少，但分量速度得到極大提升，在使用干燥玉米粒進行實驗時，最高分量填裝速度可達70 盒/分鐘，相較傳統手工稱重分量方式不到20 盒/分鐘的情況有了極大改善。

高速分量機采用PLC 和HMI 為控制核心，利用高/速度傳感器測量物料以及食盒速度，能夠準確控制食盒落料精度以及設備內部物料狀態，同時采用切刀氣缸和滑塊氣缸結合的方式對物料進行等體積分量，保證了分量的精度以及速度。系統用閥島系統對氣動元件進行控制，相較傳統氣路板以及電氣分離控制方式極大程度提高了控制系統電氣集成度。系統實際運行過程中穩定可靠，維護方便，長時間運行也可保證物料高速準確分量能力。