基于PLC的FFS包装机移动平台设计及控制系统实现

邵忠良

（广东水利电力职业技术学院自动化工程系，广东 广州 510635）

FFS包装机是集成型（forming）－填充（filling）－封合（sealing）为一体的典型的机电一体化设备，可以实现物料的称重、制袋、装袋、封口（底封、脚封和顶封）等作业的全自动化包装机。其工艺流程：薄膜卷由输送胶辊引入包装机，经角封、底封后制成包装袋，包装袋依次经开袋口、填充、上封口、口封冷却后，完成包装作业，送至码垛机。较之其他包装机，FFS包装机结构紧凑，生产效率高，已广泛应用于食品、日用品、港口等领域［1］。随着食品工业的规模化发展，对包装机包装速度和包装精度的要求越来越高，使得包装机包装速度远远大于上游设备对物料的处理及运输速度，出现了FFS包装机不能满负荷工作的现象。为了满足包装生产线中的物料高效运输，需要研究一种移动平台来承载FFS包装机组，使之能够自由平移、旋转及定位等，与下料口准确对接，协调定量秤、包装机的动作配合，从而使系统按照设定的工艺流程高效地完成整个生产过程［2－5］。

本设计设计了一种基于PLC的FFS包装机移动平台，给出移动平台的结构、工作原理和控制系统及相关硬件，在Step7－Micro／WIN环境下对控制系统的软件进行了编程，最后对人机交流界面进行组态。

1 移动平台结构设计及工作原理

移动平台系统以SIEMENS S7－300可编程控制器为核心，输入元件采用Schneider按钮及摇杆、Novotechnik角位移传感器；输出组件采用Schneider变频器和Festo电磁阀。本系统通过角位移传感器对4轮转角的角度数据进行采集，通过A／D转换计算出当前轮子的角度，并根据需要通过电磁阀驱动液压缸，实现对轮子的转动控制。同时可通过电磁阀控制液压马达，驱动轮子实现行走功能。FFS包装机移动平台的结构简图见图1。

在开始移动之前，需对移动平台的4个轮子进行角度标定，即分别采集每个轮子在90°和180°时的角位移传感器的数据，并且将所采集的数据保存。随后即可根据角位移传感器反馈的数据计算出当前的角度值。当移动平台移动时，中间4个升降油缸提起中间平台（中间平台上装有FFS包装机组），4个水平液压缸通过齿条、齿轮传动，实现4个车轮的转向。当主动车轮的液压马达驱动时，带动车轮组转动，实现平台的直线行驶、原地转向运动。如果移动平台的四轮不在合适位置，则四轮开始向合适的目标位置开转，旋转至预定的位置后停止。当平台上的包装机与下料口对接正确后，释放平台中间4个提升缸使中间平台落地，准备开始包装。

图1 移动平台结构简图Figure 1 Mobile platform structure diagram

移动平台系统的工艺流程为系统上电，四轮角度标定，然后根据选定的运行状态，通过人工操作，使其完成平移、旋转、包装机升降及定位。配合包装机，是系统按照设定的工艺流程来完成整个生产过程。

2 PLC控制系统硬件设计

2.1 PLC选型

可编程控制器是包装机控制系统的核心，本系统采用SIEMENS系列PLC，移动平台CPU型号为313C，其中300系列CPU具有很快的I／O处理速度，单条基本指令执行时间仅为0.1至0.2μs，同时313C带有MPI端口，具有强大的扩展能力，能够满足现代化生产线对控制的高要求［6，7］。

2.2 硬件配置

移动平台硬件配置框图见图2，包括CPU单元、CPU内置数字量I／O、模拟量I／O和扩展单元（数字量I／O模块）、检测、控制元件以及操作盘等几部分。检测元件包括压力开关和限位开关等；控制元件包括交流接触器和电磁阀等；操作盘由触摸式人机界面、摇杆开关等组成。

控制系统以SIEMENS S7－300可编程控制器为核心，通过角位移传感器对4轮转角的角度数据进行采集，通过A／D转换计算出当前轮子的角度，并根据需要通过电磁阀驱动液压缸，实现对轮子的转动控制。同时可通过电磁阀控制液压马达，驱动轮子实现行走功能。

2.3 输入输出点分配

移动平台的PLC配置包括CPU内置16点／公共端的24V数字量输入通道、8点／公共端的24V数字量输入通道及16点／公共端的数字量输出通道各1个，16点／公共端的数字量输出模块1个，此外，CPU还内置了4通道的模拟量输入及2通道的模拟量输出。按照移动平台控制系统要求，对移动平台PLC输入输出点进行分配，见表1。

图2 移动平台硬件配置框图Figure 2 Mobile platform hardware configuration diagram

表1 移动平台PLC输入输出点分配表Table 1 Mobile platform PLC input／output point distribution table

续表1

3 PLC控制系统软件设计

系统软件设计主要包括PLC主程序设计和人机交流界面设计。控制系统是基于PLC集成控制的系统，根据系统的控制流程及输入和输出信号，在Step7－Micro／WIN编程环境下编制PLC的梯形图来实现所需功能［8］。人机交流界面使用Wince flexible编程软件对各界面进行组态。移动平台操作盒通过插座连接至移动平台上，操作盒的布置见图3。当系统上电，触摸屏运行应用程序时首先进入的即为主界面，画面内容见图4。从主界面按运行界面按钮进入运行界面，画面内容见图5。从主界面按标定界面按钮进入标定界面，画面内容见图6。

从主界面按测试界面按钮进入测试界面，画面内容见图7。测试界面包括上方3个画面转换按钮、底部3个状态设定及返回按钮，分别描述如下：开始测试按钮：按下该按钮，油泵启动，进入测试状态。结束测试按钮：按下该按钮，油泵停止，退出测试状态。行走测试按钮：按下该按钮，触摸屏切换至行走测试画面见图8。转向测试画面见图9。提升测试画面见图10。

图3 移动平台操作盒Figure 3 Mobile platform operating box

图4 移动平台主界面Figure 4 Mobile platform main interface

图5 运行界面Figure 5 Operation interface

图6 标定界Figure 6 Calibration interface

图7 测试界面Figure 7 Testing interface

图8 行走测试界面Figure 8 Walking test interface

图9 转向测试界面Figure 9 Steering testing interface

图10 提升测试界面Figure 10 Promotion testing interface

每幅界面可将输入的命令传输给PLC，也从PLC读取所检测的参数或状态信息，以此实现人机交流。

4 结论

FFS包装机移动平台采用系统结构与控制系统相结合的一体化设计，采用PLC和触摸屏做主控制器，设计的控制系统运行可靠，制造的移动平台能够承载FFS包装机组自由移动，与下料口对接后，能够实现包装工作，解决了目前FFS包装机不能满负荷工作的现象，达到了包装机多工位生产的目的，满足了现代化生产的要求，自动化程度高，运行稳定可靠，大幅度地提高了生产效率。

1 吴民.食品包装材料及包装技术新发展［J］.食品与机械，1991（3）：39～41.

2 吕卫阳，徐昌荣.PLC工程应用实例解析［M］。北京：中国电力出版社，2007.

3 叶劲松，蒲彪.我国食品包装及市场的现状与发展［J］.食品与机械，2002（4）：32～35.

4 李兰忖.面粉包装控制系统的改进［J］.食品与机械，2011，27（2）：91～93.

5 佚名.国内外制袋充填包装机的状况分析［J］.中国包装工业，2008（21）：46～47.

6 Nanette Bauer，Sebastian Engell，Ralf Huuck，et al.Verification of PLC programs given as sequent－ial function fig.s.lecture notes in computer science［J］.Lecture Notes in Computer Science，2004，147（3）：517～540.

7 Henning Dierks.Comparing model checking and logical reasoning for real－time systems［J］.Formal Aspects of Computing，2004，16（2）：104～120.

8 李全利.可编程序控制器及其网络系统的综合应用技术［M］.北京：机械工业出版社，2005：189～193.