基于PLC的枕式包装机速度控制系统设计

2022-05-26李松涛吴素珍

制造业自动化 2022年5期

李松涛，吴素珍

（1.许昌电气职业学院，许昌 461000；2.河南工程学院，郑州 450000）

0 引言

当前市场包装形式多样，自动分装包装的工作模式，得到包装行业的重点关注，但大部分机械操作不能满足标准要求，包装材料运行速度不稳定，食品包装存在漏气和褶皱，因此，设计包装机械速度控制系统，控制食品包装速度恒定，保证封边整齐，具有重要意义[1]。

文献[2]注重机械性能的柔软性，采用螺杆下料的物料充填方式，设计伺服马达驱动的包装机械，利用光电感应技术，形成机械速度和包装工艺的配套体系，配备有可调速驱动马达，恒定包装速度在100包/min，但该系统制定的基础元器件可靠性标准，未达到正常要求，导致食品包装偏移量较大。文献[3]将自动化程序，应用在包装控制系统中，融合激光扫描技术、纳米技术、机电一体化，把上位机、仪表、设备集机、触摸屏控制在一体，配备防静电装置和光电传感器，实时采集包装机械数据，人机交互包装速度，但该方法输送包装材料时，转动惯量变化较大，袋膜偏移量同样较大。针对这一问题，结合以上理论，设计基于PLC的负压式生鲜食品包装机械速度控制系统设计。

1 基于PLC的负压式生鲜食品包装机械速度控制系统设计

1.1 系统硬件设计

1.1.1 设计控制系统结构框架

选择PLC控制器、加速机、减速机和伺服电机等，作为系统硬件设备，设计系统结构框架。硬件配置如图1所示。

图1 控制系统硬件配置

编码器型号选择R266S型，通过内存与总线，读取传感器采集数据，匹配支持度高的电脉冲，将转速信号、袋膜位置信号等，转化为PLC控制器对应的脉冲信号[4]。根据PLC控制器的逻辑关系，自动循环检测PLC输入/输出点状态，不断更新包装速度的采样频率，把包装机械运行状态，实时反映在触摸显示屏上[5]。配套使用电机和驱动器，选择110型三相电机和TD-268A8H型驱动器，通过伺服驱动器控制电机启停，利用拨位开关的1～5位，设定电机的运行步数，利用7～10位，设定交流供电的最大输出电流[6]。至此完成控制系统结构框架的设计。

1.1.2 设计PLC速度控制器

定义PLC速度控制器端口，优化输入/输出电路，输出包装速度控制指令。PLC控制器选择FX2N-32M型号，该PLC控制器具有速度模拟量输入模块，定义输入/输出点，控制并反馈包装速度，具体如表1所示。

表1 PLC控制器输入/输出端口定义

优化PLC输入/输出电路，利用输入电路，对采集信号进行滤波处理，把采集数据传递给PLC控制器的输出点，放大输出信号功率，带动包装机械的工控元件[7]。优化电路如图2所示。

图2 PLC控制器输入/输出电路

将袋膜位置检测、拉膜送膜速度、下料转盘速度、横封纵封速度，作为输入信号，PLC控制器对输入信号进行分析[8]。然后以输出信号的形式，把包装速度这一工作命令，传递给包装机械的执行机构，完成速度控制指令要求[9]。至此完成PLC速度控制器的设计，实现系统硬件设计。

1.2 系统软件设计

将硬件框架中的送膜轴，作为包装材料的运行主轴，计算包装速度控制参数。由三相电机速度控制器的减速比，计算输送袋膜所需的最大转速H，公式为：

其中a为生鲜食品包装袋长，L为包装机械最大生产率，g为袋膜打滑补偿系数，d为输送袋膜的辊轮周长[10]。匹配送膜轴与电机轴的转动惯量，得到包装机械的动能表达式E：

式(2)中，s1、s2分别为电机轴、送膜轴的转动惯量，w为伺服电机转速[11]。由此可得s1、s2的满足公式为：

B为惯量比参数。根据辊轮与袋膜卷之间的刚性传动比，估算袋膜包装的整体传动比k，公式为：

其中r1、r2分别为输送辊轮半径、袋膜卷半径[12]。计算送膜轴转动惯量s2：

m为袋膜卷质量[13]。确定负载折算到电机轴的转动惯量，即电机轴的折算惯量Q，公式为：

将式(3)作为限制条件，把式(4)和式(5)代入式(6)，得到电机轴折算惯量表达式为：

把负载正常的额定转矩，控制在电机额定转矩内，确保食品包装加速减速的最大转矩，在电机最大转矩内，当袋膜卷的启动转矩达到最大时，计算临界时刻的转距值U，公式为：

其中a为滚动轴承的摩擦系数，V为送膜轴和袋膜卷的总质量，r3、r4、r5分别为送膜轴半径、轴承内径和轴承外径[14]。计算袋膜卷的初始转矩Z，公式为：

其中F为生鲜食品包装速度，t为包装机械启动时间。采用CX-Programmer PLC编程软件，使用逻辑梯形编程语言，设定送膜轴最大转速、电机轴转动惯量、袋膜卷最大转矩、初始转矩4个参数，自动化控制生鲜食品的整个包装过程[15]。至此完成包装速度参数设定，实现系统软件设计，完成基于PLC的负压式生鲜食品包装机械速度控制系统设计。

2 实验论证分析

将此次设计系统，与两组常规负压式生鲜食品包装机械速度控制系统，进行对比实验，比较三组系统控制下，机械包装食品的袋膜偏移量。

2.1 实验准备

试验材料为生鲜蔬菜，包装材料为500mm的PVC保鲜膜、以及PET包装盒，保鲜膜柔韧性好，为聚乙烯薄膜。选择DF-28B6型包装机作为试验平台，包装机触摸屏为TK5100型号，含RS826和RS820通信接口，显示食品包装速度、纵封温度等数值，试样样机如图3所示。

图3 包装机械试样样机

调试样机，将成卷的PVC保鲜膜和包装盒，分别放置在送膜机构和传输装置，利用可调距切纸刀，裁切包装膜，每放入包装膜和包装盒，就同步运行输送装置和送膜机构，配合横封装置、切断机构、纵封装置，完成蔬菜的包装过程。试验参数如表2所示。

表2 包装机械试验参数

设置包装膜的热封时间为1.5s～1.8s，热封压力为150N～200N，热封时间为120℃～150℃，利用PG82-52UY检边传感器，检测蔬菜包装的封边整齐度。

2.2 实验结果

2.2.1 纵封偏移量测试

将拉膜速度作为测试条件，设定包装速度为60mm/s～180mm/s，包装质量为25g，包装长度为200mm，恒速控制包装袋材，每次试验以包装完成100包为止，测量三组系统纵封偏移量，测试结果如图4所示。

图4 纵封偏移量测试结果

由上图可知，随着拉膜速度的增加，纵封偏移量也随之增加，设计系统的袋膜偏移量有效控制在0.55mm以下，平均偏移量为0.49mm，常规系统1和常规系统2的平均偏移量，分别为0.56mm和0.62mm，设计系统袋膜偏移量分别减小了0.07mm和0.13mm。

2.2.2 横封偏移量测试

将包装质量作为测试条件，设定包装质量为10g～40g，包装速度为120mm/s，包装长度为200mm，测量三组系统横封偏移量，测试结果如图5所示。

图5 横封偏移量测试结果

由5图可知，随着包装质量的增加，横封偏移量也随之增加，设计系统的袋膜偏移量有效控制在0.55mm以下，平均偏移量为0.48mm，常规系统1和常规系统2的平均偏移量，分别为0.54mm和0.60mm，设计系统袋膜偏移量分别减小了0.06mm和0.12mm。

2.2.3 对角偏移量测试

将包装长度作为测试条件，设定包装长度为50mm～350mm，包装质量为25g，包装速度为120mm/s，测量三组系统对角偏移量，测试结果如图6所示。

图6 对角偏移量测试结果

由上图可知，包装长度对设计系统无影响，而两组常规系统的袋膜偏移量，仍随着包装长度的增加而增加，设计系统平均偏移量为0.48mm，常规系统1和常规系统2的平均偏移量，分别为0.56mm和0.61mm，设计系统袋膜偏移量分别减小了0.08mm和0.13mm。根据袋膜偏移量的标准设定值，统计三组系统控制下的食品合格率，如表3所示。