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0 引言
現階段我國農村使用的農產品(如化肥、 種子等)的包裝仍沿用傳統的手工定量包裝， 生產效率低、 勞動強度大且精度低， 遠遠不能滿足現代化農業(yè)生產的需要。為了改變這一現狀， 各農機具生產公司、 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計方法。
1 總體闡述
整個包裝碼垛成套設備的控制系統由 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計方法。
系統為檢測模塊、 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，檢測模 塊 使 用 了 多 種 檢 測 元 件， 包 括 光 電 開 關、接近開關和正負壓檢測開關等。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 關鍵部件及主要參數確定
2．1 電源部分
現場的 380V 動力電源接入控制柜后， 連接至總負荷隔離開關和漏電保護開關。
總負荷隔離開關為表面安裝形式， 帶有旋轉手柄， 在不打開控制柜門的情況下， 可方便地通過旋轉手柄完成主電源的開關動作。漏電保護開關可對操作人員和設備進行安全保護。
包裝控制系統的每個電機都單獨加裝了空氣開關， 從而保證電機的安全運行， 且便于維護。本系統所采用的電動機空氣開關集成了短路保護、 過載保護和斷相保護等多種保護功能， 省去了傳統的熱保護繼電器。
根據工藝要求， 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節(jié)， 所以利用變頻器技術對驅動電機進行驅動。
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。
現場所有控制單元的電器元件均為直流 24V， 保證了設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的核心。本系統采用型號為 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， 完全實現了包裝控制系統的各項功能。本系統的 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、 接近開關和正負壓檢測開關的開關信號)、 按鈕開關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 時電動機的啟動轉矩為 200% ， 低速范圍轉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均可通過操作面板設置。
2．4 伺服驅動器
為了對裝袋機的橫進小車進行準確的位置控制，本系統采用伺服電機對橫進小車的往復運動進行控制， 而伺服驅動器具有使用方便、 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動器將大大提高控制系統的控制精度， 降低開發(fā)難度。伺服驅動器的可以通過接受外部脈沖和模擬量實現速度定位控制。本系統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， 精確控制伺服電動機的速度與方向。
經過選型， 本控制系統決定采用德國 STOBER 公司 SDS4000 系列伺服驅動器 SDS4101。
其中， DC24V 由 PLC 輸出端提供， 伺服使能、 報警清除、 CCW 驅動禁止、 CW 驅動禁止、 偏差計數器清零、指令脈沖禁止以及齒輪比換算等均由 PLC 向伺服驅動器發(fā)出信號;伺服準備好、 伺服報警以及定位完成是伺服驅動器的輸出信號。
3 控制過程
本控制系統以日本歐姆龍 CQM1H 可編程控制器為核心， 輸入元件采用德國施克公司光電開關、 接近開關和日本 SMC 公司的壓力開關;輸出元件采用富士公司的變頻器、 德國 STOBER 的伺服驅動器、 施耐德公司的交流接觸器和日本 SMC 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， 控制流程將按圖 4 順序處理。
4 實驗效果
根據以上方案設計完成的包裝機控制系統， 經過安裝和調試， 通過空負荷運轉和整機帶料調試等實驗環(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， 完全滿足各項生產指標， 現已投產使用， 客戶反映良好。
5 結語
實踐證明， 在全自動化肥包裝機包裝控制單元應用 PLC 技術、 變頻器技術及伺服驅動技術十分有效，其電控系統硬件結構簡單， 軟件編寫方便， 易于調試，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備可靠性。

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