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定量包裝在各行各業(yè)應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，包括食品、化工等不同的領(lǐng)域，因此定量包裝設(shè)備的種類也很多，包括氣動式、振動式、螺旋式等。在整個定量包裝生產(chǎn)過程中，定量包裝控制是非常重要的一個環(huán)節(jié)[1]。前期開發(fā)的自動定量包裝機，集機、電、儀、氣、光等多種學(xué)科于一體，能夠最大限度地提高包裝的質(zhì)量與精度，有效地克服包裝的速度慢、精度不穩(wěn)定的缺陷，同時兼顧了生產(chǎn)效率和降低成本兩方面，提高了市場競爭力。
定量精度是非常重要的指標(biāo)，為了滿足客戶的要求，必須提高定量包裝的精度[2—5]。在定量包裝行業(yè)大體經(jīng)歷了手工稱重、繼電器控制、稱重儀表控制、PLC控制等幾個過程。目前公司采用的是稱重儀表控制的方式，但是這種控制系統(tǒng)不能滿足部分客戶提出的精度要求，因此，定量包裝機的優(yōu)化設(shè)計對提高定量精度有很大作用。

1定量包裝機的結(jié)構(gòu)
定量包裝機的結(jié)構(gòu)見圖1。包裝機包括緩沖料倉、下料裝置、稱重裝置、夾袋機構(gòu)和自動控制系統(tǒng)等組成。在最上方設(shè)計了緩沖料倉，防止物料直接堵住下料裝置。通過對伺服裝置的控制，來控制下料的精度。下料口截斷門來控制剩余物料下落，從而提高控制精度。

2定量包裝控制原理
定量下料裝置控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。下料控制系統(tǒng)由PLC控制器、伺服裝置、精密螺桿、觸摸屏等工藝設(shè)備組成。該系統(tǒng)工作時，裝置的稱重傳感器實時采集物料質(zhì)量，把它轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號，經(jīng)EM235模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后，送達(dá)PLC與設(shè)定的質(zhì)量值進(jìn)行比較，定量控制系統(tǒng)采用快加料的方式，來滿足速度的要求；當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的快加料質(zhì)量時，改成模糊PID控制的加料方式來提高定量下料的精度。

3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
3.1硬件基本配置
根據(jù)自動定量包裝機的基本控制與設(shè)計工藝要求，硬件的主要配置見表1。為了使包裝機能夠可靠、穩(wěn)定地工作，電機、電磁閥、稱重傳感器都采用進(jìn)口設(shè)備。
3.2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
控制系統(tǒng)由上位機、PLC控制器、伺服裝置和其他現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)總體架構(gòu)見圖3。

3.3控制柜面板
控制系統(tǒng)控制柜的面板見圖4。具體的功能和使用方法如下。
1）SA21自動/手動：右旋進(jìn)入手動操作，左旋進(jìn)入自動操作。
2）SB22包裝急停：當(dāng)遇到緊急情況，按下按鈕，處理情況。順時針旋轉(zhuǎn)才可松開此按鈕。
3）SB21啟動：自動模式下按下此按鈕，包裝裝機進(jìn)行自動包裝。
4）SB23手動快加：在手動模式下，按此按鈕，包裝機進(jìn)行手動快加料。
5）SB24手動慢加：在手動模式下，按此按鈕，包裝機進(jìn)行手動慢加料。
6）SB25手動松袋：在調(diào)試階段，按下此按鈕，實現(xiàn)手動松袋。
7）H21超差指示：稱重結(jié)束時儀表判定誤差超出設(shè)定范圍，指示燈亮一下。
8）F701稱重控制儀表：實時顯示物料質(zhì)量并且進(jìn)行自動加料控制。
9）觸摸屏：用來顯示和控制整個包裝過程。
4軟件實現(xiàn)
根據(jù)自動包裝機工藝要求和控制需求進(jìn)行控制流程的設(shè)計，見圖5。然后編寫控制程序，保證PLC能夠完成設(shè)定的各種動作，從而達(dá)到精確、自動包裝的功能。
4.1模糊PID控制的實現(xiàn)
為了方便說明，設(shè)該自動定量包裝系統(tǒng)中物料的設(shè)定質(zhì)量值為r*，實時測量的物料質(zhì)量為c*。偏差為e*=r*-c*，偏差變化率為ec*。本次定量包裝系統(tǒng)中使用直接查表法來實現(xiàn)模糊PID控制，具體實現(xiàn)步驟主要有5步：
1）確定質(zhì)量偏差e*、質(zhì)量偏差變化率為ec*和PID三個參數(shù)的修正量?Kp,?Ki,?Kd的論域。
根據(jù)各論域所分的等級，結(jié)合尺度變換比例因子，將e*和ec*的實際變化范圍平均分為n檔，使每一檔和論域中一一對應(yīng)，這樣對某時刻實測e*和ec*都可以轉(zhuǎn)換成E和EC論域中相對應(yīng)的Xi和Yj。
3）用模糊工具箱中設(shè)計定量包裝系統(tǒng)中的模糊控制器，在離線的條件下可以通過計算得到?Kp,?Ki,?Kd三個變量的模糊控制查詢表。根據(jù)Xi和Yj查模糊控制表，得出PID參數(shù)的修正量?Kp,?Ki,?Kd。
4））經(jīng)過反模糊化處理，計算出?Kp*,?Ki*,?Kd*，與PID參數(shù)的原本設(shè)定參數(shù)相加。
5）進(jìn)行PID計算，將控制變量傳送給PLC模擬量輸出模塊。
4.1.1輸入量的模糊化及程序的設(shè)計
將其中的變量E和EC和?Kp,?Ki,?Kd的論域范圍劃分如下所示。
E:X={-3,-2,-1,0,1,2,3}    7檔
EC:Y={-3,-2,-1,0,1,2,3}    7檔
?Kp:A={-3,-2,-1,0,1,2,3}7檔
?Ki:B={-3,-2,-1,0,1,2,3}7檔
?Kd:C={-3,-2,-1,0,1,2,3}7檔
將質(zhì)量偏差e*和偏差變化率ec*的實際范圍，按照各自模糊變量的論域范圍分為7檔，并且將實際值與相對應(yīng)的模糊論域值進(jìn)行對應(yīng)。以質(zhì)量偏差e*進(jìn)行舉例，描述模糊化采用的具體方法：

模糊化具體控制流程見圖6[10]。在編寫質(zhì)量偏差模糊化程序過程中，控制程序中的這2個值很顯然是實數(shù)，那么肯定是32位浮點數(shù)，所以存在V存儲器VD330中，將VD330中的數(shù)據(jù)和偏差量化因子ke相乘后得到的實數(shù)結(jié)果，應(yīng)該處于偏差模糊變量的論域范圍之內(nèi)。由于設(shè)計過程中論域都為整數(shù)，所以將得到的數(shù)值乘以10，經(jīng)過以上計算得到的數(shù)值是浮點數(shù)，并且存儲在存儲器VD334中。將存儲在VD334中的實數(shù)值采用取整指令轉(zhuǎn)化為16位的整數(shù)，并且存儲在存儲器VW338中。采用DIV_I指令將VW338中的數(shù)值除以10，把商存儲在VW340中，余數(shù)存儲在VW342中。經(jīng)過上面的一系列計算，通過余數(shù)來判斷此時的整數(shù)值，將其歸到模糊論域上對應(yīng)的論域值。以上所描述的是將質(zhì)量偏差值進(jìn)行了模糊化處理，并且將偏差模糊變量論域中的Xi存儲在VW344中。同理可以得到質(zhì)量偏差變化率的量化結(jié)果Yj，存在于VW346。

4.1.2模糊控制表的PLC實現(xiàn)方法及其查詢
根據(jù)輸入量模糊量化以后，可以將誤差E和誤差變化EC分別量化為Xi和Yj，可以計算出?Kp,?Ki,
?Kd，根據(jù)Xi和Yj不同的組合形式，最終可以得到模糊控制表。該過程是一個離線過程，將控制表存儲到PLC的V寄存器。
模糊控制表容量為7×7點，所以在程序的設(shè)計過程中使用的V寄存器為VB10—VB156，共147點。分別將模糊控制表中的各元素順序存于相應(yīng)的寄存器中，?Kp，?Ki，?Kd在V存儲器中地址分別為：VB10—VB58，VB59—VB107，VB108—VB156。
經(jīng)過以上的計算過程，3個變量模糊控制表的7×7總共147點，將其存儲到VB10—VB156寄存器中。根據(jù)質(zhì)量誤差E和誤差變化率EC模糊化的結(jié)果Xi和Yj，找到對應(yīng)的寄存器?？梢缘贸鲆韵玛P(guān)系式：

圖7為查表運算的流程。用PLC很容易實現(xiàn)式中變量的運算，將運算結(jié)果存入AC1中。在西門子200的PLC中使用指針的形式來進(jìn)行尋址。使用&來建立指針，并且使用*來讀取指針。以查找?Kp為例，在VD160建立指針，指針指向以VB10為首的地址，讀取在指針VD160所指向的首地址開始的一個字節(jié)。當(dāng)AC1=0時，指向控制表的首地址為VB10。根據(jù)AC1中的不同數(shù)值，控制表的地址也隨之發(fā)生變化。通過傳送指令MOV將其中的數(shù)值傳送到VW180中，這樣就完成了在線查表的過程，結(jié)果存于VW180。具體程序如圖8所示。

?Ki，?Kd亦是如此，分別存在寄存器VW182和VW184中。
4.1.3控制量的去模糊化及輸出
對模糊輸出量U*去模糊化，將Xi和Yj查表得到的模糊輸出量U*乘以變換比例因子ku，便可以得到精確量u*。完成運算之后，就返回到主程序中，得到實際的?Kp，?Ki，?Kd，分別將3個參數(shù)存在VD192，VD196，VD200中，然后可以進(jìn)行PID控制。
4.1.4參數(shù)可調(diào)整PID程序設(shè)計
采用PLC編程來實現(xiàn)參數(shù)可調(diào)整PID程序控制[11]。具體程序如下：
LD    SM0.1//上電第一掃描周期SM0.1=ONMOVR    1.0,VD104    //設(shè)定的數(shù)值100%
MOVR    0.1,VD116    //采樣時間0.1s
MOVB    100,SMB34    //定時中斷0間隔為100ms
ATCHINT_0:INT0,10//允許中斷LD    SM0.0
CALLSBR_1:SBR0//調(diào)子程序1CALLSBR_2:SBR1//調(diào)子程序2CALLSBR_3:SBR2//調(diào)子程序3MOVRVD304,VD100
/R    32000.0,VD100    //將數(shù)值存入Table表
PID    VB100,0    //執(zhí)行PID
MOVR    VD108,AC0    /把輸出值送入累加器
AC0
*R    32000.0,AC0    //AC0為刻度值0～32000
ROUNDAC0,AC0//把實數(shù)轉(zhuǎn)換為32為整數(shù)DTIAC0,AC0//把32為整數(shù)轉(zhuǎn)為16為整數(shù)MOVWAC0,AQW0//送至D/A轉(zhuǎn)換器輸出

5監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
通過人機界面，操作人員可以與PLC進(jìn)行信息、數(shù)據(jù)等的處理與交流。同時人機界面能夠更直觀地顯示整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實時對運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)報警故障時，故障可能原因顯示在人機界面上，對操作人員解決系統(tǒng)故障提供了很大的幫助[12—15]。人機界面的組成見圖9。
PID的初始參數(shù)Kp,Ki,Kd分別取值為30.0，5.0，1.0，控制系統(tǒng)最終的用戶界面如圖10所示。在圖10a可以通過按鈕切換來實現(xiàn)手動、自動功能。
在界面中能夠顯示完成包裝的為53包，其中合格的包數(shù)為51包，不足包數(shù)為1包，過量包數(shù)為1包。在圖10b中可以實現(xiàn)包裝質(zhì)量的實時曲線顯示，也可以通過左邊的表格實現(xiàn)質(zhì)量的實時記錄，將需要的數(shù)據(jù)通過USB接口導(dǎo)入到存儲設(shè)備中。
6結(jié)語
設(shè)計了以S7-200PLC為控制核心、以觸摸屏TPC7062KS為操作屏的定量包裝控制系統(tǒng)。在分析傳統(tǒng)方法不足的基礎(chǔ)上，并且在現(xiàn)有包裝設(shè)備的基礎(chǔ)上加以改造，采用模糊PID控制算法進(jìn)行閉環(huán)控制，從而提高了包裝精度。

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