基于PT／PLC的瓜果去皮生产线智能控制系统设计

廖育武

（湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北 襄阳 441053）

中国作为世界农业大国，瓜果的种植量和消耗量之大可想而知。作为食品瓜果深加工的一部分，瓜果去皮这一环节必不可少。而传统的瓜果加工在很大程度上依赖于人工操作，费时费工，削皮质量差、不均匀。因此，研制具有省工省时、快速高效、去皮均匀、柿果质量好的新型瓜果去皮生产线，并开发相应的智能控制系统，具有相当的推广应用前景。本设计以冬瓜自动去皮生产线为例，拟对生产过程中冬瓜的精确定位控制和随动去皮控制方案进行研究［1，2］。

1 控制系统硬件设计

1.1 生产线工艺要求

瓜果去皮生产线工艺可以分为两步，第一步是定位，瓜果可以假定为一标准圆柱体。当瓜果经传送装置传送到工作台时，通过控制工作台的左右上下移动来控制瓜果的柱中心线与生产线的主轴线重合，瓜果的位置定位就完成了；第二步是去皮，当瓜果定位完成后，生产线的主轴插具插入瓜果的柱中心线夹紧瓜果，生产线主轴随即按一定速度转动，刀具顶住瓜果皮，并沿与主轴平行方向移动进给实现去皮，直至刀具碰撞到设置在终点处的限位开关，刀具缩回并返回到最开始处，等待下一次去皮过程。瓜果去皮生产工艺的重点是第一步中的瓜果定位控制，难点是第二步中的瓜果去皮厚度的随动控制。瓜果去皮生产线工艺流程框图见图1。

以夹紧瓜果的主轴方向为Z轴，水平方向上垂直Z轴的方向为X轴，以垂直X轴Z轴平面的方向为Y轴，建立坐标轴。生产线去皮机构分布示意图见图2。

1.2 方案的选择

控制系统可以采用PC机配合单片机或者触摸屏PT配合可编程控制器PLC两种控制方法实现。由于PT、PLC有技术成熟、可靠性高、抗干扰能力强、体积小、易于标准化安装等优点，可使系统整体结构简洁、紧凑，PLC的梯形图编程也易于掌握，触摸屏组态软件可提供众多控件，使界面友好灵活。当控制功能需要改变时，只需修改程序及更改少量的接线。PT与PLC相配合，可对设备的大量操作控制、运行信号通过对PT编程予以实现。PT与PLC构成系统连线简洁，且成本低。所以，系统选择PT与PLC相结合的控制方式［3］。

图1 生产线工艺流程框图Figure 1 Production line process diagram

图2 去皮机构分布示意图Figure 2 Peeling body distribution diagram

1.3 系统控制硬件架构

通过对工艺特点和功能要求的分析，确定程序控制单元采用FX2N－32MR，人机界面作为监控单元采用DOP A57GSTD HMI，二者通过RS485进行通讯连接。FX2N－4AD通过扩展电缆与PLC主机相连，4个通道的外部连接则根据外部输入输出电压或电流量的不同而有所不同。选择全数字式交流伺服驱动系统作为定位控制和进刀控制的执行单元，以满足机械对电气传动控制的硬件要求。瓜果位置的确定是生产线设计成败的关键。系统在X轴和Y轴方向设置了两对位置测量传感器，进行瓜果位置的检测。激光位移传感器可非接触地精确测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。故本系统选用激光位移传感器作为生产线位置检测传感器。仿形探头采用差动变压器式微小位移传感器改制而成，经改制的传感器既能保证信号的可靠转换，又能保证不划破瓜果表皮，是一个理想的微小位移仿形探头。控制系统结构示意图见图3［4，5］。

图3 系统架构示意图Figure 3 Schematic diagram of system structure

2 系统工作原理

2.1 定位控制原理

瓜果通过传送带送至Z轴（工作台）处，定位后被特制的夹具夹紧，在PLC预定程序的控制下，沿着Y轴方向上下移动，Y轴传感器a和传感器b的检测信号送至PLC，PLC按预定算法计算，当瓜果位置达到Y轴定位要求时，停止电机上下转动，此时Y轴定位控制完成；PLC再控制瓜果沿X轴方向左右移动，X轴传感器c和传感器d的检测信号送至PLC，PLC按预定算法计算，当瓜果位置达到X轴定位要求时，停止电机左右转动，此时X轴定位完成，瓜果定位结束。

PLC预定算法：

式中：

Ezy、Esx—— 左右差距和上下差距；

D24、D30、D36、D42—— 分别为存放传感器a、传感器b、传感器c、传感器d的检测值；

D20——加权转换系数。

差距计算值存放在D8、D9中，通过D／A模块传递给伺服驱动装置进行位置调整。

2.2 随动去皮控制原理

随动去皮控制主要由仿形探头、振荡器、信号处理及相敏整流、伺服驱动装置及电机等几个部分构成。原理框图见图4。

仿形探头为差动变压器式微小位移传感器，正弦波振荡器给仿形探头及相敏整流提供激励电源。仿形探头主要由铁芯、初级线圈L1、次级线圈L21和L22构成，且L21和L22参数相同。改造后的机械传动装置与铁芯的下端相连，压触在瓜果表皮上。当初级线圈中加有正弦波振荡激励电源时，在次级线圈中将产生感应电势E1和E2。

图4 随动去皮原理框图Figure 4 Servo－skinned schematic diagram

式中：

M1——L1与L21的互感，H；

M2——L1与L22的互感，H；

探头处于0位时：M1＝ M2，E1＝E2；

探头偏离0位时：M1≠ M2，E1≠E2；

切削时瓜果表面的凸凹变化通过仿形探头产生E1与E2的微小差值信号，通过信号处理电路（电桥）检测出来。检测出来的微小交流信号经仪表放大器放大后加至相敏整流电路，相敏整流电路输出值的大小反映了瓜果表面凸凹变化的程度，输出值的正负反映了表面凸凹变化的方向，将此信号加到伺服驱动装置的输入端参与进刀控制，使切削厚度随瓜果外形变化而随时改变，从而实现随动去皮控制。

3 系统软件设计

3.1 设计要求

在整个系统中，触摸屏PT作为上位机，PLC作为下位机。PLC完成数据的处理和程序的执行。当程序下载到PLC中后，将不能在线修改PLC中的程序指令和各种参数，这时可通过触摸屏来修改程序中的各种参数和设置，来完成人机对话。

触摸屏应实时显示生产线上各关键点的状态，当发现系统存在异常时，可以按“故障急停”停止生产线运行并检修生产线，待检修完成重启生产线。触摸屏的人机界面的设计应美观实用，使用方便。

3.2 PT监控界面设计

本系统采用台达A系列触摸屏DOP A57GSTD作为操作界面，配套的画面编辑软件为Screen Editor 1.05.86。在PC机上按软件相关要求进行编辑组态即可，详细过程略。

操作主界面画面见图5。点击“开始”，生产线开始运转。点击“返回上一画面”，画面进入主界面。点击“进入监视窗”，进入图6所示生产线监视窗画面。

3.3 PLC程序设计

图5 操作主界面Figure 5 The main interface of operation

图6 生产线监视窗Figure 6 Production line monitor window

采用三菱FX系列PLC的电脑编程软件SWOPC－FXGP／WIN－C对本系统中PLC进行编程。该软件能对FX系列PLC进行梯形图、指令表和SFC编程，并能自由地进行切换。按生产线工艺要求在PC机上进行编程并写入到PLC中即可。系统PLC程序流程图见图7（源程序略）［6－8］。

图7 系统程序流程图Figure 7 System flowcharts

4 系统试运行及结果

4.1 系统试运行

系统是为某公司新型冬瓜去皮生产线设计的，运行试验中，将冬瓜分成规则、欠规则、不规则3种情况进行试验。系统初次通电运行用冬瓜模型作为试验品，在传感器位置调整校对好后，系统各项功能正常，运行状态良好。但在冬瓜实物试验时出现定位偏差较大的情况。由于系统采用应用量较大的进口品牌触摸屏和PLC，故可以排除系统硬件出错和程序参数设置等问题。经过现场反复试验分析，发现冬瓜的表面清洁度和其它附着物对定位偏差影响较大，在对冬瓜表面稍加处理后问题得到解决，系统表现出良好的容错性。

4.2 运行结果

运行结果表明：系统工作正常，可靠性高，冬瓜定位指标和去皮厚度指标均达到了设计要求，每小时处理冬瓜约50个（视去皮进刀设定速度而定），大约250kg（视冬瓜的大小而定）。实际运行数据见表1。

表1 实际运行数据Table 1 Actual operating data

由表1可知：① 每组冬瓜数量为50。② 偏差数据采用游标卡尺检测验算得出。③ 定位偏差与冬瓜外形规则程度有很大关系，Y轴先定位而X轴后定位，故Y轴定位偏差稍小于X轴。④ 去皮平均厚度指标最终反映的总损耗量。允许总损耗量≤5%，3组实测总损耗量为4.2%。

运行结果表明：系统运行稳定，实测指标高于设计要求；在PT上可实时显示生产线实际工作状况，并可在工作状态下改变各设定值；采用PT作为人机交互控制工具，界面直观，操作简单方便，极大地提高了工作效率。由于采用触摸屏作为上位机，故控制系统无法自动记录相关数据，给生产管理带来少许不便。如果将触摸屏换成PC机或工控机，则生产管理所需的相关数据自动记录问题就迎刃而解。

1 陈海峰，张建宁，张翠珠.全自动苹果去皮机供料系统设计与PLC控制［J］.食品与机械，2009，25（1）：106～108.

2 蒋冰华，涂志威，王国庆.基于PLC与触摸屏的磨皮机控制系统设计［J］.合肥工业大学学报（自然科学版），2009，32（9）：1 351～1 353.

3 徐宏海，陶广军，张财政.台达PLC与触摸屏在分子筛灌装机控制系统中的应用［J］.制造业自动化，2010，32（7）：142～144.

4 毛卫平，顾建.PLC在气压传动控制实验中的应用［J］.机床与液压，2004（4）：148～149.

5 赵志旭，王从岭，吴鱼榕.基于PLC糖果机控制系统设计［J］.食品与机械，2008，24（2）：77～79.

6 王建平.利用PLC脉冲输出和高速计数功能实现轴的精确定位控制［J］.沈阳建筑大学学报，2006，22（1）：168～172.

7 周钦红，张东兴.苹果分选机输送定位机构的设计［J］.中国农业大学学报，2005，10（5）：36～39.

8 刘美俊.PLC控制系统的设计与安装［J］.中华纸业，2007，28（11）：47～51.