基于PLC 的饺子自动生产装置的控制系统设计

2024-02-03辛越野柴承文

机电产品开发与创新 2024年1期

黄涛，辛越野，柴承文*

（1.北京印刷学院数字化印刷装备北京市重点实验室； 2.北京印刷学院印刷装备北京市高等学校工程研究中心，北京102600）

0 引言

我国对中国特色食品产业的发展需求起步很早，早在上世纪80 年代就推出了饺子机的相关技术标准[1]。国内有较多学者和研究开发人员在小型或半自动中国特色食品生产装置研究方面进行了一定的研究工作，为中国特色食品生产的标准化、工业化发展奠定了技术基础。

王建业、吴酉芝[2-3]对自动包饺子类食品机械的设计思想进行了研究，提出了饺子自动生产设备的总体设计思路和发展方向；刘梅英、闫庚力等[4-5]基于三维设计软件对饺子自动生产设备的设计技术和和虚拟装配进行了研究，黄余森、吕志昆等[6-7]对灌肠式辊压成型饺子机的结构特点和工作性能进行分析，对饺子成型机的结构参数进行了优化，韩风岐[8]对饺子机的输面装置结构进行了参数优化，并通过试验优化结果，马瑞[9]用最大似然估计法对饺子机的寿命进行了研究。上述研究者针对饺子类食品的自动生产装置的设计原则、方法和功能需求、寿命计算方面进行了大量的研究，但在采用气动机构及方法实现饺子生产的理念尚未见相关的研究内容，本文拟基于PLC 控制技术与理念，设计气动饺子机的控制系统，搭建硬件和软件系统，并进行功能试验验证。

1 自动包饺子装置的组成原理与工艺流程

1.1 自动包饺子装置的组成原理

自动包饺子装置包括送皮机构、放馅机构、合皮机构、PLC 控制系统，3 个执行机构的运动由四个气缸A、B、C、D 驱动，气缸动作则由相应的行程开关和方向控制阀组成的信号回路控制，如图1 所示。

图1 自动包饺子装置系统原理图

1.2 自动包饺子装置的工艺流程

首先由光电开关1 检测送皮机构末端有无饺子皮，检测信号发送到PLC，PLC 根据程序逻辑发送信号、驱动气缸A 活塞向下伸出将饺子皮下推，放在下方的饺子模具工位上，然后气缸A 活塞缩回，复位行程信号反馈给PLC 后，经控制程序发出信号驱动气缸B活塞伸出，将饺子馅送到已经就位的饺子皮上，延时后气缸B 活塞复位到起点，同时由光电检测开关2 检测有无饺子馅，若检测到馅料到位，PLC 发出信号驱动气缸C、D气缸的活塞同步伸出，将包饺子模具合并，完成整个包饺子过程，以上步骤不断重复，直到相应的检测装置检测到饺子制作数量达到原先设定值，或者有手动停止信号产生，计数器信号或停机信号触发通过PLC 执行停机操作。

2 自动包饺子装置气动系统设计

自动包饺子装置的气动系统主要包括驱动送皮机构、放馅机构和合皮机构的4 个双作用气缸（A～D），控制气缸动作的电磁换向阀（E～H），以及检测气缸活塞行程起点和终点的接近开关（1S～8S），此外配置2 个光电开关（10S～11S），分别用于检测工位上的饺子皮和饺子皮上的饺子馅。行程开关与气缸活塞位置配合使用，用于确定气缸活塞的运行范围。在FluidSim 软件中设计了如图2 所示的自动包饺子装置的气动系统回路图。

图2 自动包饺子装置的气动系统回路图

3 自动包饺子装置控制系统分析与设计

3.1 自动包饺子装置控制系统的硬件配置

控制系统采用了欧姆龙CPM1A-20CDR 型PLC 作为控制器，气缸行程检测接近开关选用Omron E2EX1R5E1 型，检测饺子皮和饺子馅的到位状态的光电开关选择Omron E3S-DS10E4 反射式开关。光电开关将检测到的信号通过PLC 输入端口输送到控制器，通过控制程序运算后经输出端口控制外负载，即电磁铁线圈控制换向阀芯动作，来实现各种工艺动作，包括饺子皮和饺子馅的输送以及夹紧模具等相关工艺动作。

3.2 自动包饺子装置的工作流程分析

自动包饺子装置各机构通过控制系统中的程序与输入信号、输出负载相互配合，实现自动包饺子的工艺动作，自动循环生产。当系统开机后PLC 完成自检后进入待命状态，对输入端口进行周期性扫描，当检测到启动按钮后则进入工作状态，经过送皮气缸送皮，光电检测饺子皮到位后，送馅气缸将饺子馅放到饺子皮上，随之完成合皮成型操作，具体信号与动作配合见图3。

图3 自动包饺子装置的控制系统工作流程图

3.3 自动包饺子装置的PLC 端口地址关系配置

根据相关控制与动作要求，配置PLC 输入输出端口地址与对应的输入硬件（行程开关、光电开关）和输出负载（电磁阀）的对应关系，如表1 所示。

表1 CPMIA－20CDR 端口地址关系配置表

3.4 气动系统的动作循环

根据上述流程，以自动包饺子1 次为例，列出各行程开关、光电开关、气缸和换向阀电磁铁的动作状态如表2 所示。

表2 自动包饺子装置气控系统运动循环表

4 试验验证与分析

利用印刷装备数字化北京市重点实验室的综合气动实验台，对本文所设计的自动包饺子装置硬件系统进行搭建，并基于CX-Programmer 软件平台编程调试后，对自动包饺子装置的控制理念和方法进行了试验验证，试验过程证明利用PLC 控制思想设计的自动包饺子控制系统能完成提出的工艺动作，回路设计与程序编写、硬件系统搭接均可支撑工艺目的，试验系统如图4 所示。