包裝生產線自動測量系統設計與實現

劉少鵬，何文雪

(青島大學 自動化學院，山東 青島 266071 )

0 引言

隨著中國的快速發展，中國包裝行業已經位列國民經濟38個行業中的第14位，成為僅次于美國的全球第二大包裝大國。像物流這樣的包裝行業，在包裝加工前的邊運輸邊測量階段，存在消耗人力多、成本高、效率低等問題[1-2]。目前，市面上常見的自動測量設備有3D照相機、三維激光測量、自動影像測量儀等，但設備開發周期長、成本昂貴，超出了中小企業購買力[3]。伴隨著現代通信、計算機和制造技術的快速發展以及生產自動化的需要，自動測量設備運行穩定、價格便宜可靠、測量實時性高，高精度的檢測被提上了議事日程[4-5]。

針對以上包裝行業自動測量階段的需要，設計了一種用于包裝生產線自動測量系統的設備。該自動測量生產線系統可以廣泛應用于物流、家具板材等包裝行業，節省大量的人力，降低了經濟投入，獲得了顯著的效益。

1 系統構成及特點

1.1 生產線的總體構成

包裝生產線自動測量系統主要由可編程邏輯控制器(PLC)、光柵、拉繩傳感器、伺服及控制等組成。總體結構原理框圖如圖1所示。設計使用西門子S7-1200PLC作為該生產線的控制器，實現對整個系統的自動控制功能；采用先進的安川伺服系統作為驅動單元，測量被包物體的長度，精度高、穩定性強；采用大行程、高精度的拉繩傳感器來測量包裝物體的寬度；通過高精度的MCM系列測量光柵來測量被包裝物體的高度。

圖1 總體結構原理

2 控制系統的硬件設計

基于PLC包裝生產線自動測量系統主要完成被包物體的傳輸、自動測量、測量后數據的傳輸及系統監控界面的顯示。從硬件角度考慮，主要涉及控制器的選型和測量設備的選擇。

2.1 控制器的選型

本設計選用西門子旗下的一款PLC控制器S7-1200，其型號為PLC1214C，具有通訊模塊集成工藝和大容量的儲存器[6]，通訊RJ45連接器提供10/100 Mbit/s 的數據傳輸速率，兩個100 kHz的高速脈沖輸出，2 MB的集成裝載內存和2 kB的掉電保持內存。

2.2 測量設備的選擇

以CPU S7-1200為核心的包裝生產線自動測量系統主要分為測長單元、測寬單元、測高單元、通信單元。所有的單元都由總控單元集中控制。

測長單元由Σ-7系列SGD7S-120A00A002的安川旋轉型伺服電機、24位多圈絕對編碼器(分辨率為16 777 216)、滾筒(周長為104π)、電子齒輪比(1∶1)和編碼器分頻脈沖數230 pulse/rev、皮帶等組成[7]。脈沖發生器PTO(脈沖A和方向B)發出100 kHz脈沖輸出信號控制被包裝物體運輸到待檢測地點，編碼器分頻脈沖A相輸出接33 與34針腳。

測寬單元由MPS拉繩式位移傳感器、電動機、擋板等組成。信號輸出類型為電壓輸出，模擬信號范圍為0～10 V，輸出型，先將輸出型位移式傳感器接到西門子PLC1200的模擬輸入AI1端，電源串聯MPS拉繩傳感器一端接電源正極 (24 V直流電)，另一端接負電源(0 V)。

測高單元運用平行光束IQQAI 輸出為型號的MCM系列測量光柵(左發光器、右受光器)，光柵的結構圖如圖2所示，輸出精度為0.004 mA，每一束光最小間隔0.064 mA。受光器中觸發信號Q串聯繼電器KM1，一端連接通過光柵連接到+24 V直流電，另一端連接發光器同步CP+線并連接到-24 V直流電，作為判斷被包物體到位及離開的標志。

1—測量光柵上端蓋；2—測量光柵濾光片；3—測量光柵外殼；4—測量光柵指示燈；5—測量光柵下端蓋；6—MCM 連接線；7—MCM 信號線纜。圖2 光柵結構

3 控制系統的軟件設計

3.1 系統控制過程的設計思路

PLC1200通過脈沖輸出PTO將脈沖指令發送給伺服控制器，伺服控制器控制電動機旋轉，物體到達Q輸出觸發信號時，多圈絕對編碼器發出脈沖信號，此信號反饋給PLC。通過高速計數器HSC記錄絕對編碼器反饋脈沖數A(單位為pulse/rev)，儲存在輸入過程映像區內，在程序中直接訪問外設地址ID1000。被測物體離開觸發位置，繼電器斷開。根據相對應的計算，可以準確測量被包物體的長度。

根據電機軸和負載側機器減速比，電子齒輪比的表達式為

(1)

電機轉一圈與皮帶走的路程LA關系滿足

(2)

皮帶走的路程LA與被包裝物體的長度LB關系滿足

(3)

式中：B為編碼器分辨率；Pn20E為電子齒輪比的分子 ；Pn210為電子齒輪比的分母；M為電機旋轉圈數；N為負載軸旋轉圈數；104π為滾筒的周長；F為負載軸旋轉1圈的移動量；E為編碼器的分辨率。

被包物體隨著皮帶運動觸碰前面擋板的同時，電機推動拉繩式位移傳感器，將被測物體的尺寸信息轉換為模擬量的形式。拉繩傳感器量程為0～40000 mm，模擬量電壓輸出為0～10 V，滿足PLC AI1端口模擬量檢測范圍。

根據物體的寬度與模擬數字信號成正比例關系，物體的寬度表達式：

(4)

式中：WA為傳感器總量程；WB為被測物體的模擬數字值；WC為PLC模擬量輸入端口總值。

被包物體隨皮帶運動觸發MCM光柵Q輸出信號時，光柵檢測被測物體的尺寸位置等信息將其轉換為模擬量或數據總線形式，光柵檢測仿真如圖3所示。光柵的量程為0～237.5 mm，MCM光柵電流輸出AI的輸出范圍為4～20 mA，設計中在電流輸出AI0端串聯1個500 Ω電阻，電壓范圍為500×4 mA～500×20 mA=2～10 V，使其滿足PLC模擬輸入通道0～10 V電壓值。

AI0通道的數值(0～27 648)轉換成光柵傳感器量程對應的數值關系滿足：

(5)

根據物體的高度值與模擬數字信號成正比例關系，物體的高度H表達式：

(6)

其中：HA為物體進入光柵的模擬信號值；HC為光柵的量程；HB為光柵初始模擬信號值。

圖3 光柵檢測仿真

3.2 PLC1200與PLC1500之間的通信

控制系統采用TCP通信方式進行通信，可以降低大量的成本，不僅可以在程序中做簡單的更改和設計，而且數據傳輸實時性高。該生產線的控制器S7-1200PLC是在西門子TIA portal(博圖)軟件下進行程序的編寫、編譯與組態的，這是西門子最新的全集成自動化編程軟件平臺，也是全集成工程的組態、軟件項目開發環境和仿真操作于一體的軟件平臺[8]。

利用開放式用戶TCP通信首先要建立S7-1200PLC與S7-1500PLC之間的組態連接，如圖4所示。在TIA Portal(博圖)軟件下，調用TSEND_C指令塊和TRCV_C指令塊。其中，TSEND_C指令塊是建立連接并發送數據的，通過DATA指向發送區的指針來發送數據的地址和長度。TRCV_C指令塊是建立連接并接收數據的，通過DATA指向接收區的指針來接收數據。此控制系統生產線將S7-1200PLC作為主站，S7-1500PLC作為從站來實現這兩個PLC之間的通信連接。TSEND_C指令塊如圖5所示， TRCV_C指令塊如圖6所示。

圖4 PLC1200與PLC1500組態

圖5 TSEND_C指令

圖6 TRCV_C指令

3.3 WinCC RT Professional 組態畫面設計

本系統采用西門子公司SIMATIC PC station中組態的WinCC RT Professional軟件[9]來實現系統的監控畫面。HIM觸摸屏設計界面如圖7所示，測量機構校正界面是對整個系統工作狀態加以監控的。

合上電源開關，按下啟動按鈕，包裝生產線自動測量系統接通運行，PLC控制單元和觸摸屏自動啟動，進入測量機構校正界面。

圖7 測量機構校正

4 結語

包裝生產線自動測量系統是基于PLC1200為核心的自動化設備，通過測量觸摸屏，可簡潔、方便地設定相關參數，而且設備可以測量不同種類物體的精確尺寸，應用較為廣泛。本設計的樣機在安裝調試和試驗過程中，無論是PLC控制安川伺服單元，還是測量設備裝置和上位機的數據交互，都能夠按照預想的工藝流程工作[10]。設備投入生產使用后，測量結果與手工測量一致，運行穩定，測量誤差為1～2 mm，測量后的數據輸入加工設備，生產的紙箱包裝效果良好。該設備在維持二個月實際生產過程中，測量及傳輸數據實時性高，能夠保證所要求的生產效率，減少了大量的人工投入，降低了成本，其經濟效益顯著。