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0 引言

現(xiàn)階段我國農(nóng)村使用的農(nóng)產(chǎn)品(如化肥、 種子等)的包裝仍沿用傳統(tǒng)的手工定量包裝， 生產(chǎn)效率低、 勞動強度大且精度低， 遠遠不能滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。為了改變這一現(xiàn)狀， 各農(nóng)機具生產(chǎn)公司、 科研院所都在致力于開發(fā)一種安全和高效的包裝機。某農(nóng)機化公司就開發(fā)了一套全自動定量化肥包裝機， 此包裝機系統(tǒng)包括電子定量秤、 平臺、 供袋機、 裝袋機、夾口整形機、 折邊機、 立袋輸送機、 倒袋機、 過渡輸送機和碼垛機等多個組成部分。設(shè)備稱重能力為 800袋/h(每袋 25kg)， 稱重精度±0． 2% ， 包裝能力為 800袋/h， 總耗電量 20kW， 總耗氣量 40Nm 3 /h。本文詳細論述了此全自動定量化肥包裝機的包裝控制單元的設(shè)計方法。

1 總體闡述

整個包裝碼垛成套設(shè)備的控制系統(tǒng)由 4 個控制單元組成， 分別為稱重控制單元、 包裝控制單元、 輸送檢測控制單元和碼垛控制單元。每個單元都由相應的控制核心及其輔助元器件各自組合成小的控制單元。本文詳細論述的是包裝控制單元的設(shè)計方法。

系統(tǒng)為檢測模塊、 操作模塊、 控制模塊模塊及執(zhí)行模塊組成。其中， 控制模塊的控制核心采用 PLC，檢模 塊 使 用 了 多 種 檢 測 元 件， 包 括 光 電 開 關(guān)、接近開關(guān)和正負壓檢測開關(guān)等。操作模塊采用觸摸式人機交互界面。執(zhí)行模塊包括交流接觸器、 電磁閥、 電動機以及氣缸等。
  

其工作過程為:電子秤啟動后， 可編程序控制器控制給料伺服電機， 進行粗給料動作和精給料動作;之后， 向 PLC 發(fā)出稱重結(jié)束信號， 同時等待包裝控制單元的允許卸料信號;待檢測到允許卸料信號后， 稱重控制單元將打開卸料斗， 投料并縫口。如果包裝控制單元在上述過程中產(chǎn)生故障， 則稱重控制單元停止工作，直至包裝控制單元完成本工作循環(huán)并停機。

包裝單元啟動后， 將給輸送檢測控制單元 1 個啟動信號， 同時輸送檢測單元也同樣送給包裝單元 1 個輸送檢測單元正常的信號。如果包裝單元沒有接收到這個信號， 則包裝單元停止運行， 直至輸送檢測單元排除故障方可正常運行。

生產(chǎn)線全線正常運行時， 當包裝控制單元和碼垛控制單元建立連鎖時， 碼垛控制器向包裝控制器發(fā)出正常運行信號;當碼垛單元出現(xiàn)故障報警停止時， 碼垛控制單元正常信號自動斷開， 包裝單元也停止運行， 直到碼垛控制單元正常運行為止;如果包裝控制單元和碼垛控制單元解除連鎖， 則各自都可獨立工作， 且互不影響。

2 關(guān)鍵部件及主要參數(shù)確定

2．1 電源部分

現(xiàn)場的 380V 動力電源接入控制柜后， 連接至總負荷隔離開關(guān)和漏電保護開關(guān)。

總負荷隔離開關(guān)為表面安裝形式， 帶有旋轉(zhuǎn)手柄， 在不打開控制柜門的情況下， 可方便地通過旋轉(zhuǎn)手柄完成主電源的開關(guān)動作。漏電保護開關(guān)可對操作人員和設(shè)備進行安全保護。

包裝控制系統(tǒng)的每個電機都單獨加裝了空氣開關(guān)， 從而保證電機的安全運行， 且便于維護。本系統(tǒng)所采用的電動機空氣開關(guān)集成了短路保護、 過載保護和斷相保護等多種保護功能， 省去了傳統(tǒng)的熱保護繼電器。

根據(jù)工藝要求， 夾口整形機、 折邊機和立袋輸送機在運動過程中需要一定的速度調(diào)節(jié)， 所以利用變頻器技術(shù)對驅(qū)動電機進行驅(qū)動。

裝袋機的橫進小車在動作過程中需要進行準確的位置控制， 所以采用伺服電機去控制橫進小車進行往復運動， 完成取袋送袋動作。伺服驅(qū)動器主回路需要三相 380V 電源。采用單極小型斷路器對交流接觸器線圈的進行過流保護。

現(xiàn)場所有控制單元的電器元件均為直流 24V， 保證了設(shè)備運行及人員操作的安全性。

2．2 可編程控制器(PLC)

可編程控制器是包裝控制系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)采用型號為 CQM1HCPU21 的歐姆龍 CQM1H 系列PLC， 利用其快速的 I/O 處理速度和豐富的擴展接口等優(yōu)點， 完全實現(xiàn)了包裝控制系統(tǒng)的各項功能。本系統(tǒng)的 PLC 配置了 3 個 24V 直流輸入模塊(16點)， 3 個繼電器輸出模塊(16 點)， 1 個繼電器輸出模塊(獨立回路 8 點)。

輸入通道地址從左到右依次為 IR000 ～ 003。各種傳感器信號(如光電開關(guān)、 接近開關(guān)和正負壓檢測開關(guān)的開關(guān)信號)、 按鈕開關(guān)信號以及各種控制元器件的檢測信號都連接至 PLC 的輸入模塊。

輸出通道地址從左到右依次為 IR100 ～ 104，100通道控制操作面板指示燈、 蜂鳴器和伺服電機驅(qū)動器;101 和 102 通道控制電磁閥。以上各回路的 com端接24V 直流電源正極。103 通道控制交流接觸器(電動機和伺服驅(qū)動器主回路)， 其 com 端接交流220V 電源;104 通道為 8 個獨立回路， 其中 10400 ～10403 用于變頻器啟停及復位， 公共端與變頻器的公共端 CM 相連， 10404 為電子秤聯(lián)鎖信號。公共端與電子秤輸出信號的公共端相連， 10405 用于伺服驅(qū)動器 24V 電源繼電器的控制， 公共端接直流 24V 電源正極;10406 和 10407 備用。

2．3 變頻器

為了對夾口整形電機、 折邊電機和立袋輸送電機的速度進行控制， 本系統(tǒng)采用了 3 個富士 E11 系列變頻器。這種系列的變頻器體積小， 性能高。0． 5Hz 時電動機的啟動轉(zhuǎn)矩為 200% ， 低速范圍轉(zhuǎn)矩脈沖比其他系列的變頻器約小 50% ， 且具有各種智能化功能，如自動節(jié)能、 PID 控制、 自整定和 RS485 通信等，并增強了維護和保護功能， 如增加輸入電涌電流抑制和壽命預報等。變頻器的工作方式與加減速時間等參數(shù)均可通過操作面板設(shè)置。

2．4 伺服驅(qū)動器

為了對裝袋機的橫進小車進行準確的位置控制，本系統(tǒng)采用伺服電機對橫進小車的往復運動進行控制， 而伺服驅(qū)動器具有使用方便、 控制方式靈活且響應速度快的諸多優(yōu)點， 故選擇合適的伺服驅(qū)動器將大大提高控制系統(tǒng)的控制精度， 降低開發(fā)難度。伺服驅(qū)動器的可以通過接受外部脈沖和模擬量實現(xiàn)速度定位控制。本系統(tǒng)因要精確控制橫進小車的往復運動，將通過接收到 PLC 發(fā)出的脈沖的個數(shù)， 精確控制伺服電動機的速度與方向。

經(jīng)過選型， 本控制系統(tǒng)決定采用德國 某公司 SDS4000 系列伺服驅(qū)動器 SDS4101。
   

其中， DC24V 由 PLC 輸出端提供， 伺服使能、 報警清除、 CCW 驅(qū)動禁止、 CW 驅(qū)動禁止、 偏差計數(shù)器清零、指令脈沖禁止以及齒輪比換算等均由 PLC 向伺服驅(qū)動器發(fā)出信號;伺服準備好、 伺服報警以及定位完成是伺服驅(qū)動器的輸出信號。

3 控制過程

本控制系統(tǒng)以日本可編程控制器為核心， 輸入元件采用德國某公司光電開關(guān)、 接近開關(guān)和日本 某公司的壓力開關(guān);輸出元件采用某公司的變頻器、 德國 的伺服驅(qū)動器、 某公司的交流接觸器和日本 某公司的電磁閥。

PLC I/O 配置為:CPU 單元自帶輸入 16 點， 擴展16 點輸入模塊 3 個， 16 點輸出模塊 4 個， 總 I/O 點數(shù)為 128 點。包裝控制單元控制流程圖見圖 3 所示。
   

需特別說明的是取袋、 送袋和抓袋部分:當處于工作位置的供袋盤中有包裝袋時， 取袋氣缸伸出， 取袋真空閥接通， 利用真空吸盤將空袋從供袋盤中吸住，待取袋真空開關(guān)檢測真空度滿足要求后， 氣缸桿縮回， 回到取袋回位后， 送袋氣缸縮回， 將空袋送入導向滾輪之間， 空袋由滾輪帶至斜板;當空袋沿斜板下降并遮擋斜板下光電時， 托袋電磁閥與整形電磁閥接通， 托袋氣缸伸出， 帶動斜板上的托架托住袋子， 緩慢下降， 同時斜板兩側(cè)的整形氣缸帶動整形板向中間靠攏， 將空袋位置擺正。

托架托著袋子繼續(xù)下降， 橫進小車離開抓袋臂運動區(qū)域后， 抓袋閥通電， 抓袋臂向下動作， 到抓袋位置后， 抓袋真空閥接通， 抓袋真空吸盤吸住空袋，并使抓袋閥斷電， 抓袋臂抬起至垂直位置后， 完成一次抓袋。對于 PLC 事實掃描的信號， 若發(fā)生故障信息。
    

4 實驗效果

根據(jù)以上方案設(shè)計完成的包裝機控制系統(tǒng)， 經(jīng)過安裝和調(diào)試， 通過空負荷運轉(zhuǎn)和整機帶料調(diào)試等實驗環(huán)節(jié)的測試， 其復秤靈敏度為 ± 10g， 包裝能力為800bags/h， 誤差率低， 操作簡便， 完全滿足各項生產(chǎn)指標， 現(xiàn)已投產(chǎn)使用， 客戶反映良好。

5 結(jié)語

實踐證明， 在全自動化肥包裝機包裝控制單元應用 PLC 技術(shù)、 變頻器技術(shù)及伺服驅(qū)動技術(shù)十分有效，其電控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單， 軟件編寫方便， 易于調(diào)試，節(jié)省人力物力， 大大降低了整機故障發(fā)生率， 提高了工作效率及設(shè)備可靠性。

參考文獻:

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