基于双闭环控制的食盐自动装箱机控制系统设计

惠延波　王永刚　王莉

摘 要： 针对目前食盐装箱系统中自动化程度低、控制精度低等问题，设计了一套基于PLC的双闭环自动装箱机控制系统。在此详细介绍了系统的工艺流程，系统阐述了控制系统的I/O分配与接线，分析了控制流程，完成了控制系统的设计。该控制系统实现了控制过程的自动化，提高了系统的稳定性与可靠性。

关键词： 双闭环； 自动装箱机； PLC； 控制系统

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）10?0101?03

Abstract： A double closed?loop control system for salt automatic encasing machine was designed based on PLC， which mainly aimed at the problem of low automation degree and control precision for the available salt encasing machine. The technology process， I/O assignment and wiring of the system are introduced in this paper. The control system was designed by analysis of the control process. The automation of the control progress was realized in the system. The stability and reliability of the system were improved.

Keywords： double closed?loop； automatic encasing machine； PLC； control system

0 引 言

在食盐自动包装流水线中，自动装箱机是整个系统运行的核心，它将包装物整形排列，按一定排列方式定量装入纸箱中，并完成封箱送出等工作[1]。食盐装箱机性能的优劣直接影响食盐装箱的效率与品质。目前市场上的食盐装箱机整体技术水平偏低，主要存在着装箱效率低、盐袋在箱中排放不整齐等问题[2?3]。在食盐自动装箱系统中如何保证食盐装箱功能的前提下提高其自动化水平与效率以及控制精度本文需要解决的重要问题。针对上述问题，本文设计了一种基于双闭环控制的食盐自动装箱机控制系统。

1 食盐自动装箱机工艺分析

食盐自动装箱系统主要有4大功能模块：纸箱成型模块、食盐供给模块、装箱模块和封箱模块[4]。每个模块由传感器和执行器组成，传感器检测到的各种参数信号实时地送往PLC控制系统；执行器接收来自PLC控制系统的信号，实时地控制各相应模块以完成预定的动作。

其工艺流程是：从生产车间输送过来的小包装食盐，首先输送到高速运行的伸缩皮带上面，当光电检测元件检测到盐袋时，伸缩皮带迅速缩回一定距离，盐袋便落在一级暂存机构上面，当落够五袋时，一级暂存舱门打开，同时伸缩皮带复位，盐袋落在二级暂存机构上，二级暂存机构可以左右摆动，当二级暂存机构落够两排时，摆动气缸工作，二级暂存舱门打开，盐袋落入纸箱中，同时二级暂存机构复位，达到5层后，箱体输往封箱机构完成封箱输出产品，完成整个装箱流程。其工艺流程图如图1所示。

盐袋供给由缩进式皮带机完成，缩进机构由伺服系统控制完成，根据光电检测开关检测到的盐袋信号，做出缩进动作，使盐袋下落自动排列，这一过程要进行精确定位，对伺服系统采用双闭环控制，保证盐袋下落的有序排列。

2 控制系统总体设计

2.1 总体方案设计

通过对食盐自动装箱机工艺流程的分析，按照双闭环控制实现精确定位的要求，首先完成总体方案的设计，然后利用PLC强大的逻辑处理能力和伺服系统定位精度高的优点[5]，设计双闭环控制系统。总体方案以PLC为控制核心，结合外围检测执行单元，完成整个装箱过程的自动化控制。该控制系统主要由可编程控制器（PLC）、伺服系统、气缸、检测执行元件等组成。分析自动装箱的控制时序[6]，确定各检测执行机构I/O的分配，并画出PLC接线图。其控制系统总体结构图如图2所示。

2.2 控制器的选型

在食盐自动装箱机控制系统中，涉及动作机构不算太多，需要的输入/输出点数小型控制器就可满足需求。另外，控制系统需要结合伺服系统完成精确定位，需要较高频率的脉冲。综合考虑各种因素，本系统选用的控制器为S7?200 smart SR40系列，它作为西门子公司新推出的为小型控制提供完美方案的控制器，具有结构紧凑，成本低廉且具有功能强大的指令集[7]。提供40个I/O点，24输入点和16个输出点，并可进行扩展。

CPU模块配备以太网接口，集成了强大的以太网通信功能，轻松组网，方便快捷；最多集成3路高速脉冲输出，频率高达100 kHz，支持PWM/PTO输出方式以及多种运动模式，可自由设置运动包络。配以方便易用的向导设置功能，快速实现设备调速、定位等功能。

伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统[8]。伺服系统选用松下MINAS A5系列，作为市场上的主流产品，它的响应频率高达2 kHz，适合各种高速定位的工业场合；采用20位增量式编码器，分辨率高；输入/输出脉冲频率可达4 Mp/s；控制模式可选，提供速度、转矩、位置和全闭环控制[9]。

鉴于其较高的响应频率和控制精度，配合PLC的高速脉冲输出，完全可以实现高速定位的功能。

2.3 食盐自动装箱控制过程分析

（1） 首先启动电源，按下启动按钮SB1后，电磁阀YV1得电，气缸开始进行箱体成型动作。

（2） 当箱体前进到光电开关SQ1时，电磁阀YV1失电，电磁阀YV2得电，推杆下移进行推箱动作，当推杆后退到光电开关SQ2处时，电磁阀YV2失电，停止推箱，推杆回归原位以便下一次推箱。

（3） 在推杆回归原位的同时，按下伸缩式皮带机启动按钮SB3，皮带机开始工作，伸缩式皮带机缩进机构由伺服电机驱动，用光电开关SQ3检测盐袋通过次数，通过一个皮带机缩进一定距离，盐袋落入一级暂存机构。

（4） 一个工作循环即盐袋通过5次后，光电开关SQ3闭合，伸缩式皮带回归原位，电磁阀YV3得电，一级暂存舱门打开，当推杆到达光电开关SQ4处，电磁阀YV3失电，盐袋落入二级暂存机构，推杆迅速归位，同时，电磁阀YV4得电，推杆横推二级暂存机构移动一个盐袋的距离。

（5） 重复工序（2）和（3），当一级暂存舱门第二次打开，光电开关SQ5闭合，推杆机构迅速回归原位，同时，电磁阀YV5得电，二级暂存舱门打开，食盐落入纸箱。

（6） 光电开关SQ6检测二级舱门打开次数，一个工作循环即打开4次后，光电开关SQ6闭合，电磁阀YV6得电，气缸推动封箱机构合盖压合，送出成品。至此整个工序完成。

2.4 输入/输出点分配表及PLC接线图

该系统在伺服电机和PLC之间外接一个运动编码器，采用内环伺服驱动器+伺服电机闭环，外环PLC+运动编码器闭环，构成双闭环控制形式。

系统中伺服系统选用位置控制模式，指令脉冲输入采用脉冲+方向的方式。在位置控制方式下，伺服驱动器接收PLC发出的位置指令脉冲信号控制伺服电机的运转。内部编码器检测到电机实际所产生的脉冲数反馈给伺服驱动器，经内部调节器调节控制伺服电机运转。在外部，在伺服电机和PLC之间外接运动编码器，将伺服电机的位置信息反馈给PLC，通过比较反馈脉冲和发出脉冲，通过研究控制算法进行控制的修正。

在此采用模糊PID算法进行外环控制系统的偏差修正，实现缩进的精确定位。将反馈脉冲与发出脉冲的偏差e（k）和和偏差的变化量Δe（k）作为被控量，按照一定的规则调整发出脉冲量，实现双闭环控制的精确定位。

2.6 控制程序设计

根据自动装箱机的工艺流程和控制方式，结合控制过程的分析、各个机构的动作顺序，以及输入/输出点的分配和PLC控制接线图，设计了PLC控制程序，其控制流程图如图5所示。PLC编程采用西门子STEP7 软件，根据控制流程，采用顺序控制法进行编程，分步执行不同的控制任务，使程序清晰明朗，方便程序修改与维护。

3 结 语

本文根据食盐自动装箱机的工作原理与工艺流程，对自动装箱机的控制系统进行了研究，采用双闭环控制系统设计实现了一套集控制、计数、精确定位功能于一体的食盐自动装箱控制系统。系统实时性好，可靠性高，设计成本低，运行操作方便。该系统对于改进较为落后的装箱系统有很大帮助，可以极大地提高企业的装箱自动化控制程度和生产效率，具有广阔的市场前景和较高的推广使用价值。

参考文献

[1] 夏天煜，汤晓华，李可，等.在线智能视觉检测系统在小包装食盐装箱中的应用[J].北京工商大学学报：自然科学版，2011，29（5）：61?64.

[2] 张国全，张进，方忠华，等.全自动伸缩皮带式软袋装箱机提升装箱效率的结构设计[J].包装与食品机械，2007，25（3）：22?24.

[3] 赵蕾，汤晓华，刘娜，等.袋装食盐生产线装箱机头直线电机运动控制研究[J].北京工商大学学报：自然科学版，2010，28（6）：46?51.

[4] 凌贸易.装箱一体机系统方案设计及其控制系统开发[D].天津：天津大学，2010.

[5] 龙国煊，王仲，杨纯.基于PLC和伺服电机的精密定位技术研究[J].传感器与微系统，2010，29（12）：64?66.

[6] 黄涛，陈满儒.基于PLC的火腿肠装箱机自动控制系统的设计与实现[J].包装工程，2009，30（2）：58?59.

[7] 西门子（中国）自动化与驱动集团.西门子S7?200 smart技术手册[M].北京：西门子（中国）自动化与驱动集团，2012.

[8] 王刚，舒志兵.智能PID算法控制在伺服系统中的应用[J].机床与液压，2008，36（7）：320?322.

[9] 松下电器产业株式会社电机公司.松下MINAS A5系列AC伺服电机使用说明书[M].北京：松下电器产业株式会社电机公司，2004.

[10] 李木国，李响，刘达.基于DSP的电机伺服系统中的模糊PID控制[J].测控技术，2011，30（6）：64?66.

（2） 当箱体前进到光电开关SQ1时，电磁阀YV1失电，电磁阀YV2得电，推杆下移进行推箱动作，当推杆后退到光电开关SQ2处时，电磁阀YV2失电，停止推箱，推杆回归原位以便下一次推箱。

（3） 在推杆回归原位的同时，按下伸缩式皮带机启动按钮SB3，皮带机开始工作，伸缩式皮带机缩进机构由伺服电机驱动，用光电开关SQ3检测盐袋通过次数，通过一个皮带机缩进一定距离，盐袋落入一级暂存机构。

（4） 一个工作循环即盐袋通过5次后，光电开关SQ3闭合，伸缩式皮带回归原位，电磁阀YV3得电，一级暂存舱门打开，当推杆到达光电开关SQ4处，电磁阀YV3失电，盐袋落入二级暂存机构，推杆迅速归位，同时，电磁阀YV4得电，推杆横推二级暂存机构移动一个盐袋的距离。

（5） 重复工序（2）和（3），当一级暂存舱门第二次打开，光电开关SQ5闭合，推杆机构迅速回归原位，同时，电磁阀YV5得电，二级暂存舱门打开，食盐落入纸箱。

（6） 光电开关SQ6检测二级舱门打开次数，一个工作循环即打开4次后，光电开关SQ6闭合，电磁阀YV6得电，气缸推动封箱机构合盖压合，送出成品。至此整个工序完成。

2.4 输入/输出点分配表及PLC接线图

该系统在伺服电机和PLC之间外接一个运动编码器，采用内环伺服驱动器+伺服电机闭环，外环PLC+运动编码器闭环，构成双闭环控制形式。

系统中伺服系统选用位置控制模式，指令脉冲输入采用脉冲+方向的方式。在位置控制方式下，伺服驱动器接收PLC发出的位置指令脉冲信号控制伺服电机的运转。内部编码器检测到电机实际所产生的脉冲数反馈给伺服驱动器，经内部调节器调节控制伺服电机运转。在外部，在伺服电机和PLC之间外接运动编码器，将伺服电机的位置信息反馈给PLC，通过比较反馈脉冲和发出脉冲，通过研究控制算法进行控制的修正。

在此采用模糊PID算法进行外环控制系统的偏差修正，实现缩进的精确定位。将反馈脉冲与发出脉冲的偏差e（k）和和偏差的变化量Δe（k）作为被控量，按照一定的规则调整发出脉冲量，实现双闭环控制的精确定位。

2.6 控制程序设计

根据自动装箱机的工艺流程和控制方式，结合控制过程的分析、各个机构的动作顺序，以及输入/输出点的分配和PLC控制接线图，设计了PLC控制程序，其控制流程图如图5所示。PLC编程采用西门子STEP7 软件，根据控制流程，采用顺序控制法进行编程，分步执行不同的控制任务，使程序清晰明朗，方便程序修改与维护。

3 结 语

本文根据食盐自动装箱机的工作原理与工艺流程，对自动装箱机的控制系统进行了研究，采用双闭环控制系统设计实现了一套集控制、计数、精确定位功能于一体的食盐自动装箱控制系统。系统实时性好，可靠性高，设计成本低，运行操作方便。该系统对于改进较为落后的装箱系统有很大帮助，可以极大地提高企业的装箱自动化控制程度和生产效率，具有广阔的市场前景和较高的推广使用价值。

参考文献

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（2） 当箱体前进到光电开关SQ1时，电磁阀YV1失电，电磁阀YV2得电，推杆下移进行推箱动作，当推杆后退到光电开关SQ2处时，电磁阀YV2失电，停止推箱，推杆回归原位以便下一次推箱。

（3） 在推杆回归原位的同时，按下伸缩式皮带机启动按钮SB3，皮带机开始工作，伸缩式皮带机缩进机构由伺服电机驱动，用光电开关SQ3检测盐袋通过次数，通过一个皮带机缩进一定距离，盐袋落入一级暂存机构。

（4） 一个工作循环即盐袋通过5次后，光电开关SQ3闭合，伸缩式皮带回归原位，电磁阀YV3得电，一级暂存舱门打开，当推杆到达光电开关SQ4处，电磁阀YV3失电，盐袋落入二级暂存机构，推杆迅速归位，同时，电磁阀YV4得电，推杆横推二级暂存机构移动一个盐袋的距离。

（5） 重复工序（2）和（3），当一级暂存舱门第二次打开，光电开关SQ5闭合，推杆机构迅速回归原位，同时，电磁阀YV5得电，二级暂存舱门打开，食盐落入纸箱。

（6） 光电开关SQ6检测二级舱门打开次数，一个工作循环即打开4次后，光电开关SQ6闭合，电磁阀YV6得电，气缸推动封箱机构合盖压合，送出成品。至此整个工序完成。

2.4 输入/输出点分配表及PLC接线图

该系统在伺服电机和PLC之间外接一个运动编码器，采用内环伺服驱动器+伺服电机闭环，外环PLC+运动编码器闭环，构成双闭环控制形式。

系统中伺服系统选用位置控制模式，指令脉冲输入采用脉冲+方向的方式。在位置控制方式下，伺服驱动器接收PLC发出的位置指令脉冲信号控制伺服电机的运转。内部编码器检测到电机实际所产生的脉冲数反馈给伺服驱动器，经内部调节器调节控制伺服电机运转。在外部，在伺服电机和PLC之间外接运动编码器，将伺服电机的位置信息反馈给PLC，通过比较反馈脉冲和发出脉冲，通过研究控制算法进行控制的修正。

在此采用模糊PID算法进行外环控制系统的偏差修正，实现缩进的精确定位。将反馈脉冲与发出脉冲的偏差e（k）和和偏差的变化量Δe（k）作为被控量，按照一定的规则调整发出脉冲量，实现双闭环控制的精确定位。

2.6 控制程序设计

根据自动装箱机的工艺流程和控制方式，结合控制过程的分析、各个机构的动作顺序，以及输入/输出点的分配和PLC控制接线图，设计了PLC控制程序，其控制流程图如图5所示。PLC编程采用西门子STEP7 软件，根据控制流程，采用顺序控制法进行编程，分步执行不同的控制任务，使程序清晰明朗，方便程序修改与维护。

3 结 语

本文根据食盐自动装箱机的工作原理与工艺流程，对自动装箱机的控制系统进行了研究，采用双闭环控制系统设计实现了一套集控制、计数、精确定位功能于一体的食盐自动装箱控制系统。系统实时性好，可靠性高，设计成本低，运行操作方便。该系统对于改进较为落后的装箱系统有很大帮助，可以极大地提高企业的装箱自动化控制程度和生产效率，具有广阔的市场前景和较高的推广使用价值。

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[10] 李木国，李响，刘达.基于DSP的电机伺服系统中的模糊PID控制[J].测控技术，2011，30（6）：64?66.