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針對(duì)多功能茶葉包裝機(jī)存在包裝封口不嚴(yán)、外觀褶皺、材料燒穿等包裝質(zhì)量問題，采用西門子S7-1200CPU和TIAPortal開發(fā)茶葉包裝機(jī)的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于模糊PID的包裝機(jī)熱封溫度控制方案。介紹了多功能茶葉包裝機(jī)工作原理、控制系統(tǒng)硬件選型和通訊網(wǎng)絡(luò)配置，并在TIAPortalV13環(huán)境下進(jìn)行包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件組態(tài)和利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)模糊PID控制算法，完成控制系的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)溫度控制波動(dòng)為±1.8笆，精度在1.5%以內(nèi)，包裝袋封口強(qiáng)度達(dá)標(biāo)、外觀平整。應(yīng)用表明，該多功能茶葉包裝機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、成品率高。

關(guān)鍵詞：TIAPortal;茶葉包裝機(jī)；S7-1200；溫度控制；模糊PID；OPC

隨著社會(huì)發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)指數(shù)的提升，品茶人數(shù)逐漸增高,茶葉需求量不斷攀升，并且小克重、精品化、多樣化包裝成為茶葉生產(chǎn)行業(yè)的主流趨勢(shì)。因此，提高茶葉包裝質(zhì)量和包裝效率尤為重要。多功能茶葉包裝機(jī)是在一臺(tái)包裝設(shè)備上能夠完成多個(gè)以上的茶葉包裝工序的設(shè)備，其能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)茶葉包裝過程中制袋、稱量、充填、封口和切斷的工序^[1~^2]o包裝封口是茶葉包裝過程核心工段之一,封口質(zhì)量將影響茶葉的包裝質(zhì)量、儲(chǔ)存時(shí)間、銷售狀況。由于熱封裝置溫度的升/降速率大和熱量傳遞慣性大的特性，加之外界干擾因素和執(zhí)行器電壓波動(dòng)影響，使溫度控制系統(tǒng)具有非線性和時(shí)滯性，利用傳統(tǒng)PID控制經(jīng)常出現(xiàn)包裝材料燒穿和過度收縮、物料泄露、封口不嚴(yán)、封口不牢固的現(xiàn)象，降低了茶葉包裝效率和包裝成品的合格率TIAPortal是西門子推出的全集成的工業(yè)自動(dòng)化軟件，可以完成高效靈活的項(xiàng)目組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)搭建、程序編寫、在線診斷、遠(yuǎn)程操作及故障報(bào)警，其與傳統(tǒng)的WinCC+Step7方法相比無需花費(fèi)大量時(shí)間完成軟件集成，明顯節(jié)約時(shí)間，提高工作效率，是未來工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展方向?yàn)榻鉀Q上述問題，本研究構(gòu)建由S7-1200PLC,PCStation,TCP7062Ti觸摸屏的TIAPortal的多功能茶葉包裝機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)模糊PID包裝機(jī)熱封裝置溫度控制程序，以期提高茶葉包裝機(jī)的自動(dòng)化程度和包裝質(zhì)量。

1多功能茶葉包裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

多功能茶葉包裝機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1,主要包括橫封裝置、包材送料裝置、縱封裝置、翻領(lǐng)成型器、包裝薄膜、稱重裝置及定位裝置等⑴。本研究對(duì)多功能茶葉包裝機(jī)進(jìn)行以下幾方面優(yōu)化改進(jìn)：①將橫封裝置與切斷機(jī)構(gòu)組合在一起，既可以減小整機(jī)尺寸也能縮短工作周期；②橫封裝置使用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，縱封裝置運(yùn)用氣缸驅(qū)動(dòng)，便于協(xié)調(diào)和控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的速度保持一致或匹配，避免因速度不匹配而造成封口褶皺的問題，還能簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈、減小設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和制造成本；③導(dǎo)料器下方增設(shè)導(dǎo)料管至橫封裝置上方約30mm處，降低粉塵揚(yáng)起污染封口部位的程度。

包裝材料被包材供送裝置經(jīng)自動(dòng)糾偏裝置調(diào)整后送達(dá)成型器，包裝材料被翻領(lǐng)成型器成型卷成筒狀后，包裝機(jī)縱封裝置以設(shè)定的溫度對(duì)包裝材料進(jìn)行燙邊封口，在此之前橫封裝置已經(jīng)完成上一個(gè)包裝袋的頂封和下一個(gè)包裝袋的底封，與此同時(shí)，稱重機(jī)構(gòu)已完成產(chǎn)品稱重并將物料填充至包裝材料內(nèi)〔6一刁。包裝材料在牽引裝置的作用下繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)橫封裝置位置，橫封裝置完成包裝袋頂封和切斷工作，然后進(jìn)行產(chǎn)品包裝的質(zhì)量檢測(cè)，剔除次品，輸送出合格產(chǎn)品。其中，產(chǎn)品的填充及包裝袋橫封、切斷位置的確定由色標(biāo)進(jìn)行定位。

 

1.橫封裝置2.包材送料裝置3.縱封裝置4.翻領(lǐng)成型器5.包裝薄膜6.導(dǎo)輻7.卷筒包裝材料

圖1多功能茶葉包裝機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2多功能茶葉包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能茶葉包裝機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括兩方面：硬件選型和軟件設(shè)計(jì)。整個(gè)控制系統(tǒng)中，設(shè)備的檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量較多，彼此之間還存在一定的相互影響，對(duì)控制系統(tǒng)性能要求較高的。

2.1系統(tǒng)控制點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)多功能茶葉包裝機(jī)工藝流程分析和項(xiàng)目控制要求，控制點(diǎn)分為：DI（數(shù)字量輸入信號(hào)）、DO（數(shù)字量輸出信號(hào)）、AI（模擬量輸入信號(hào)）、AO（模擬量輸出信號(hào)），具體控制信號(hào)內(nèi)容見表1

2.2控制系統(tǒng)硬件選型

（1）根據(jù)上述多功能茶葉包裝機(jī)I/O統(tǒng)計(jì)，選擇西門子S7-1200系列的CPU1214C為控制器，其具有很快的處理速度,單條基本指令處理時(shí)間約為0.1卩s,同時(shí)自帶Profinet網(wǎng)絡(luò)接口"1?？刂颇K選擇：數(shù)字量輸入模塊SM1221（6ES7221-1BF32-0XB0）、數(shù)字量輸岀模塊SM1222（6ES7222-1BH32-OXBO）、模擬量輸入模塊SM123K6ES721231-4HF32-表1多功能茶葉包裝機(jī)I/O統(tǒng)計(jì)表

Table1I/Ostatisticaltableofmulti-functionalteapackingmachine

0XB0）、模擬量輸岀模塊SM1232（6ES7232-4HD32-0XB0）,多功能茶葉包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件組態(tài)見圖2。

（2） 觸摸屏選用昆侖通泰TPC7062Ti,屏幕尺寸為190.5mm,分辨率800X480。通過觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，在觸摸屏上能夠進(jìn)行參數(shù)值調(diào)整、控制對(duì)象監(jiān)控、手/自動(dòng)切換命令。

（3） 傳感器選擇。重力傳感器選用日本MT（）品牌，型號(hào):LRS-50,檢測(cè)范圍0?100g,該重量傳感器檢測(cè)靈敏，適合茶葉的小包稱量；溫度傳感器選用ESMU型祐熱電阻，檢測(cè)范圍0?200K，檢測(cè)精度0.1-C。

（4） 執(zhí)行器選擇。加熱管選用Cr20Ni80型號(hào)鐐倍加熱絲，電磁閥型號(hào)TM51-1HP,電機(jī)釆用伺服電機(jī)。

本控制系統(tǒng)基于TIAProtalV13平臺(tái)，在完成工程項(xiàng)目創(chuàng)建后，選擇“設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)”-,'組態(tài)設(shè)備”-“添加新設(shè)備”，然后根據(jù)設(shè)備訂貨號(hào)在選項(xiàng)列表中所需模塊，如：PS模塊、CPU模塊、SM模塊等

圖2多功能茶葉包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

2.3網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

單擊TIAProtalV13界面的“網(wǎng)絡(luò)視圖”進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)連接界面，在“連接”菜單一“S7連接”-“PLC-1200的Ethernet端口”，拖拉“PCStation”至OPCServer完成PLC-1200與PCStation的網(wǎng)絡(luò)連接。與TIAProtalV13的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)相比WinCC+Step7的優(yōu)勢(shì)在于以可視化的圖像完成PLC、PC、HIM、驅(qū)動(dòng)器的連接Et®。這樣可以簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并提高設(shè)計(jì)效率。多功能茶葉包裝機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖見圖3。

圖3多功能茶葉包裝機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

3多功能茶葉包裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1多功能包裝機(jī)主程序流程

該多功能包裝機(jī)根據(jù)茶葉包裝工序，實(shí)現(xiàn)茶葉包裝過程中制袋、稱量、充填、封口和切斷的工序與運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、異常狀態(tài)中斷及報(bào)警功能。程序按照模塊化思路設(shè)計(jì)，主要分為主程序、子程序及中斷程序。程序運(yùn)行時(shí)，首先執(zhí)行初始化程序段，然后進(jìn)入主程序段判斷包裝機(jī)運(yùn)行的手/自動(dòng)狀態(tài)位,若是自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),則主程序調(diào)用包材縱封送料子程序、縱封加熱子程序、送料子程序,PLC實(shí)時(shí)掃描釆集包材位置信號(hào)和縱封溫度信號(hào)，當(dāng)滿足包裝袋縱封條件后，控制器啟動(dòng)縱封電磁閥完成縱封工作。當(dāng)完成縱封工作后主程序調(diào)用橫封加熱子程序、包材橫封供送子程序,PLC實(shí)時(shí)掃描采集包材位置信號(hào)、橫封溫度信號(hào)、稱重傳感器信號(hào)，當(dāng)3個(gè)信號(hào)都滿足橫封要求時(shí)，橫封電機(jī)啟動(dòng)，進(jìn)行橫封工作和切斷工作，茶葉包裝過程完成。多功能茶葉包裝機(jī)控制流程圖見圖4。

圖4多功能茶葉包裝機(jī)控制流程圖

3.2模糊PID熱封溫度控制算法的實(shí)現(xiàn)

包裝封口是利用加熱封頭將包裝材料加熱熔化成熔融狀態(tài)，在熱封裝置的外在壓力作用下黏結(jié)為一體，冷卻后具有一定黏合強(qiáng)度，主要因素包括熱封溫度、熱封壓力及熱封時(shí)間。模糊控制算法要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行模糊化處理、模糊推理和輸出信號(hào)的反模糊化處理^[14-^15]0如果直接在TIAProtalV13的Step7中進(jìn)行編程，進(jìn)行在線整定PID的3個(gè)參數(shù)，程序所占內(nèi)存較大且很難實(shí)現(xiàn)，影響控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度“句。釆用OPC技術(shù)，以WinCCOPC為Server,MatlabOPC為Client,通過OPC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)控制算法的應(yīng)用(見圖5)。以多功能茶葉包裝機(jī)模糊PID橫封溫度控制算法的實(shí)現(xiàn)為例，步驟如下：

(1)將TIAProtalVI3的WinCC設(shè)為OPCServer,通過SIMATICOPCScout建立Items,同時(shí)設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

2. 在Simulink中調(diào)用OPCToolbox,分別添加1個(gè)OPCConfiguration、2個(gè)()PCRead■»3個(gè)OPCWrite模塊。2個(gè)OPCRead連接WinCC中變量TT3031_SP(橫封溫度設(shè)定值)和TT3031_PV(橫封溫度采樣值)用3個(gè)OPCWrite連接WinCC中變量KP201_LMN(比例參數(shù))、KI201_LMN(微分參數(shù))、KD201_LMN(積分參數(shù))，設(shè)置模式Synchronous.采樣時(shí)間0.5s。
3. 建立Fuzzy/LogicController,并進(jìn)行調(diào)用。

3.3HIM界面設(shè)計(jì)

多功能茶葉包裝機(jī)HIM界面的設(shè)計(jì)采用TIAPortal中的WinCC,其工具箱中包含的基本對(duì)象、控件、圖形、元素，可以靈活拖動(dòng)到HIM界面，在TIAPortal中還可以開發(fā)報(bào)警界面、參數(shù)設(shè)置界面、參數(shù)歷史曲線E】。如圖6所示，在TIAPortalV13軟件開發(fā)的包裝機(jī)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)畫面可以設(shè)定稱重質(zhì)量、包裝速度、橫封溫度和縱封溫度，實(shí)現(xiàn)多功能包裝機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)。

圖6多功能包裝機(jī)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)界面

 

本研究所述的基于TIAPortal多功能包裝機(jī)控制系統(tǒng)是與陜西西微測(cè)控工程有限公司合作開發(fā)，已經(jīng)成功地應(yīng)用到河南信陽(yáng)某茶葉加工企業(yè)的包裝機(jī)控制系統(tǒng)。結(jié)合OPC技術(shù)完成WinCC與MATLAB的通訊，實(shí)現(xiàn)多功能包裝機(jī)模糊PID熱封裝置溫度控制算法的應(yīng)用。

該企業(yè)以信陽(yáng)毛尖茶葉為主打產(chǎn)品，現(xiàn)以小包裝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，連續(xù)生產(chǎn)24h進(jìn)行橫封效果測(cè)試。要求：袋長(zhǎng)70mm、袋寬55mm、克重10g、包裝速度100袋/min。如圖7所示將橫封溫度設(shè)定為135°C,從溫度趨勢(shì)曲線中可以看出，溫度波動(dòng)幅度較小，能夠控制在±1.8°C,溫度控制精度在1.5%以內(nèi)，避免了因溫度過高而造成包裝薄膜燒穿，或因溫度過低而無法滿足封口要求，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

4結(jié)論

基于TIAPortalV13平臺(tái)和S7-1200CPU控制器實(shí)現(xiàn)多功能茶葉包裝機(jī)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，利用TIAPortal可快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試優(yōu)勢(shì)，解決包裝封口不嚴(yán)、外觀褶皺、材料燒穿等包裝質(zhì)量問題，結(jié)合()PC技術(shù)完成WinCC與MATLAB的通訊，實(shí)現(xiàn)模糊PID的包裝機(jī)熱封溫度控制算法的應(yīng)用，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PID的3個(gè)參數(shù)，提高溫度系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性，應(yīng)用表明，該多功能茶葉包裝機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、成品率高。具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

 

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