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大袋自動包裝機(jī)主要針對的是50kg級大袋包裝，廣泛應(yīng)用于粉末狀及顆粒狀化工產(chǎn)品的包裝行業(yè)，具有包裝速度快、稱量精度高、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。
國內(nèi)現(xiàn)有自動包裝機(jī)的控制系統(tǒng)方案多采用單個PLC為主的控制[1~3]，由于大袋自動包裝機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動作繁多，其信號、動力等管線分布雜亂且易于損壞。本文針對某新型號大袋自動包裝機(jī)，基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線設(shè)計(jì)了其控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了模塊化，易于實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)功能的升級改造，同時對對實(shí)現(xiàn)大袋自動包裝機(jī)的智能化和遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了便利[4]。
1大袋自動包裝機(jī)工作原理

某新型號大袋自動包裝機(jī)的設(shè)備示意圖如圖1所示（正視圖和左視圖），成疊的包裝袋從左側(cè)放入到大袋包裝機(jī)內(nèi)，經(jīng)過真空吸袋取出單個包裝袋并送至開袋工位；再次利用真空打開袋口并挑袋至灌料工位；袋口四邊夾緊之后開始下料，同時包裝袋底部振動臺高頻振動使物料在包裝袋內(nèi)分布均勻；灌料結(jié)束后抱袋平移至輸出傳送帶輸出，同時袋口折邊縫包，完成整個包裝過程。
這種新型大袋自動包裝機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)其包裝工藝流程，可以將其分為進(jìn)袋系統(tǒng)、挑袋系統(tǒng)、夾袋系統(tǒng)、抱袋系統(tǒng)、縫包系統(tǒng)五個子系統(tǒng)（圖2）。每個子系統(tǒng)功能各不相同并且位置分散，因此選用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線將其連接通信，實(shí)現(xiàn)整個設(shè)備的監(jiān)控和自動化運(yùn)行。

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
大袋自動包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件主要包括主控制器、觸摸屏、輸入輸出模塊、變頻器等。在保證功能的前提下盡可能選擇可靠性高和使用方便的產(chǎn)品。
2.1主控制器
大袋自動包裝機(jī)要完成整個自動包裝過程，需要有許多連貫的動作，采用具有通信功能的PLC進(jìn)行控制可以得到滿意的效果。根據(jù)控制對象和控制任務(wù)，本系統(tǒng)選擇了SIEMENS的模塊化中小型PLC系統(tǒng)S7-300，它能滿足中等性能要求的應(yīng)用，而且應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。本系統(tǒng)所用的主機(jī)模塊是CPU315-2DP，可以通過MPI轉(zhuǎn)接電纜或通訊模塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，性能可靠，非常適合本系統(tǒng)的要求。因此將S7-300作為本系統(tǒng)的主站。
2.2觸摸屏
觸摸屏作為人機(jī)接口，可以讓工人完成系統(tǒng)設(shè)置、手動調(diào)試和自動運(yùn)行的工作。本系統(tǒng)的觸摸屏選用SIEMENSMP27710英寸面板。其特點(diǎn)為：基于WindowsCE操作系統(tǒng)，對應(yīng)于S7-300系統(tǒng)的CPU315，并且裝配有用于MPI和PROFI?BUS-DP的接口。
2.3輸入輸出模塊
在系統(tǒng)主站和從站都需要選擇合適的輸入輸出模塊，用來給執(zhí)行元件提供控制信號以及返回傳感器的信號檢測運(yùn)行狀態(tài)。整個大袋自動包裝機(jī)的I/O信號統(tǒng)計(jì)情況見表1。

根據(jù)使用要求、各系統(tǒng)的分布情況及I/O控制信號的統(tǒng)計(jì)，將進(jìn)袋、挑袋和夾袋系統(tǒng)的輸入輸出模塊直接連接在主站PLC上，將抱袋和縫包系統(tǒng)的輸入輸出模塊連接在遠(yuǎn)程I/O站ET200M上作為從站。ET200M是高密度配置的模塊化I/O站，可用S7-300控制器的信號、功能模板擴(kuò)展，尤其適用于復(fù)雜的自動化任務(wù)。具體I/O選擇輸入輸出情況如下：1）主站，CPU315-2DP、SM321（DI32*DC24V）、SM331（AI8*12Bit）、SM322（DO32*DC24V）；2）從站，ET200M、SM32（DI16*DC24V）、SM322（DO16*DC24V）。
2.4變頻器
整個大袋自動包裝機(jī)還使用了五臺電機(jī)。其中送袋、出袋、縫包是普通三相電機(jī)，因此選用SIEMENSMM440通用變頻器，該變頻器具有低速高轉(zhuǎn)矩輸出、良好的動態(tài)特性和過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并且可以選用PROFIBUS-DP通信模塊來實(shí)現(xiàn)主從控制方式[5]。
挑袋電機(jī)和抱袋平移電機(jī)對位置控制要求比較高，因此選用SEW帶編碼器反饋的異步交流電機(jī)，對應(yīng)選擇SEWMDX61B系列變頻器。該款變頻器是新一代驅(qū)動變頻器，具有更寬的低速范圍，更強(qiáng)的過載能力，其動態(tài)性能和控制質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到伺服傳動裝置的水平。并且可以選擇PRO?FIBUS接口組態(tài)到PROFIBUS系統(tǒng)。
根據(jù)以上的選型完成控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組合（見圖3）。以S7-300系列CPU315-2DP作為控制系統(tǒng)的核心，與現(xiàn)場傳感器/執(zhí)行器相連的遠(yuǎn)程I/O口、變頻器、觸摸屏等作為從設(shè)備，通過PROFIBUS-DP總線與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在STEP7軟件中完成硬件組態(tài)和各輸入輸出模塊地址分配（圖4）。

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1人機(jī)界面設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)一共設(shè)置了6個畫面，包括起始界面、參數(shù)設(shè)置、手動運(yùn)行、單步運(yùn)行、自動運(yùn)行和狀態(tài)監(jiān)控界面。起始界面進(jìn)行模式選擇；參數(shù)設(shè)置界面進(jìn)行主要參數(shù)的設(shè)定，如電機(jī)速度、真空檢測值等；手動運(yùn)行和單步運(yùn)行界面可以手動操作每一個執(zhí)行器；狀態(tài)監(jiān)控檢測每一個輸入輸出口的信號情況；自動運(yùn)行界面（圖5）可以進(jìn)行整個系統(tǒng)的自動運(yùn)行操作，監(jiān)控主要執(zhí)行器的運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)情況記錄，遇到故障能夠顯示故障原因等。

3.2系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用SIEMENSS7-300編程，按照結(jié)構(gòu)化和模塊化的方法設(shè)計(jì)了手動單步運(yùn)行、自動運(yùn)行、參數(shù)設(shè)置、數(shù)字量控制、模擬量控制5個模塊[6]。軟件功能結(jié)構(gòu)件圖6。

4結(jié)論
在分析大袋自動包裝機(jī)的工作原理和工藝流程的基礎(chǔ)上，本文給出了控制系統(tǒng)軟硬件方案，基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件控制電路和軟件程序。該控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信能力，能夠適應(yīng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能控制的發(fā)展要求，方便包裝機(jī)的進(jìn)一步升級改造，具有較好的推廣價值。
 

作者：王嵩，張秋菊，陳中杰，左文娟

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