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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(dòng)強(qiáng)度大且精度低， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)具生產(chǎn)公司、 科研院所都在致力于開發(fā)一種安全和的包裝機(jī)。某農(nóng)機(jī)化公司就開發(fā)了一套全自動(dòng)定量化肥包裝機(jī)， 此包裝機(jī)系統(tǒng)包括電子定量秤、 平臺、 供袋機(jī)、 裝袋機(jī)、夾口整形機(jī)、 折邊機(jī)、 立袋輸送機(jī)、 倒袋機(jī)、 過渡輸送機(jī)和碼垛機(jī)等多個(gè)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(xì)論述了此全自動(dòng)定量化肥包裝機(jī)的包裝控制單元的設(shè)計(jì)方法。

1 總體闡述

整個(gè)包裝碼垛成套設(shè)備的控制系統(tǒng)由 4 個(gè)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(gè)單元都由相應(yīng)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(xì)論述的是包裝控制單元的設(shè)計(jì)方法。

如圖1 所示的包裝控制單元電氣控制系統(tǒng)組成框圖。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，檢測模 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(fù)壓檢測開關(guān)等。操作模塊采用觸摸式人機(jī)交互界面。執(zhí)行模塊包括交流接觸器、 電磁閥、 電動(dòng)機(jī)以及氣缸等。
    

其工作過程為:電子秤啟動(dòng)后， 可編程序控制器控制給料伺服電機(jī)， 進(jìn)行粗給料動(dòng)作和精給料動(dòng)作;之后， 向 PLC 發(fā)出稱重結(jié)束信號， 同時(shí)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(jī)。

包裝單元啟動(dòng)后， 將給輸送檢測控制單元 1 個(gè)啟動(dòng)信號， 同時(shí)輸送檢測單元也同樣送給包裝單元 1 個(gè)輸送檢測單元正常的信號。如果包裝單元沒有接收到這個(gè)信號， 則包裝單元停止運(yùn)行， 直至輸送檢測單元排除故障方可正常運(yùn)行。

生產(chǎn)線全線正常運(yùn)行時(shí)， 當(dāng)包裝控制單元和碼垛控制單元建立連鎖時(shí)， 碼垛控制器向包裝控制器發(fā)出正常運(yùn)行信號;當(dāng)碼垛單元出現(xiàn)故障報(bào)警停止時(shí)， 碼垛控制單元正常信號自動(dòng)斷開， 包裝單元也停止運(yùn)行， 直到碼垛控制單元正常運(yùn)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(dú)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(dòng)力電源接入控制柜后， 連接至總負(fù)荷隔離開關(guān)和漏電保護(hù)開關(guān)。

總負(fù)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(dòng)作。漏電保護(hù)開關(guān)可對操作人員和設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)。

包裝控制系統(tǒng)的每個(gè)電機(jī)都單獨(dú)加裝了空氣開關(guān)， 從而保證電機(jī)的安全運(yùn)行， 且便于維護(hù)。本系統(tǒng)所采用的電動(dòng)機(jī)空氣開關(guān)集成了短路保護(hù)、 過載保護(hù)和斷相保護(hù)等多種保護(hù)功能， 省去了傳統(tǒng)的熱保護(hù)繼電器。

根據(jù)工藝要求， 夾口整形機(jī)、 折邊機(jī)和立袋輸送機(jī)在運(yùn)動(dòng)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(dòng)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

裝袋機(jī)的橫進(jìn)小車在動(dòng)作過程中需要進(jìn)行準(zhǔn)確的位置控制， 所以采用伺服電機(jī)去控制橫進(jìn)小車進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)， 完成取袋送袋動(dòng)作。伺服驅(qū)動(dòng)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(jìn)行過流保護(hù)。

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(yùn)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(kuò)展接口等優(yōu)點(diǎn)， *實(shí)現(xiàn)了包裝控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。本系統(tǒng)的 PLC 配置了 3 個(gè) 24V 直流輸入模塊(16點(diǎn))， 3 個(gè)繼電器輸出模塊(16 點(diǎn))， 1 個(gè)繼電器輸出模塊(獨(dú)立回路 8 點(diǎn))。

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(fù)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器主回路)， 其 com 端接交流220V 電源;104 通道為 8 個(gè)獨(dú)立回路， 其中 10400 ～10403 用于變頻器啟停及復(fù)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(dòng)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(jī)、 折邊電機(jī)和立袋輸送電機(jī)的速度進(jìn)行控制， 本系統(tǒng)采用了 3 個(gè)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(shí)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)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(dòng)節(jié)能、 PID 控制、 自整定和 RS485 通信等， 并增強(qiáng)了維護(hù)和保護(hù)功能， 如增加輸入電涌電流抑制和壽命預(yù)報(bào)等。變頻器的工作方式與加減速時(shí)間等參數(shù)均可通過操作面板設(shè)置。

2．4 伺服驅(qū)動(dòng)器

為了對裝袋機(jī)的橫進(jìn)小車進(jìn)行準(zhǔn)確的位置控制，本系統(tǒng)采用伺服電機(jī)對橫進(jìn)小車的往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制， 而伺服驅(qū)動(dòng)器具有使用方便、 控制方式靈活且響應(yīng)速度快的諸多優(yōu)點(diǎn)， 故選擇合適的伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的可以通過接受外部脈沖和模擬量實(shí)現(xiàn)速度定位控制。本系統(tǒng)因要控制橫進(jìn)小車的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將通過接收到 PLC 發(fā)出的脈沖的個(gè)數(shù)， 控制伺服電動(dòng)機(jī)的速度與方向。

經(jīng)過選型， 本控制系統(tǒng)決定采用德國 STOBER 公司 SDS4000 系列伺服驅(qū)動(dòng)器 SDS4101。伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件連接電路圖見圖 2 所示。
    

其中， DC24V 由 PLC 輸出端提供， 伺服使能、 報(bào)警清除、 CCW 驅(qū)動(dòng)禁止、 CW 驅(qū)動(dòng)禁止、 偏差計(jì)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(dòng)器發(fā)出信號;伺服準(zhǔn)備好、 伺服報(bào)警以及定位完成是伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出信號。

3 控制過程

本控制系統(tǒng)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(guān)、 接近開關(guān)和日本 SMC 公司的壓力開關(guān);輸出元件采用富士公司的變頻器、 德國 STOBER 的伺服驅(qū)動(dòng)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(diǎn)， 擴(kuò)展16 點(diǎn)輸入模塊 3 個(gè)， 16 點(diǎn)輸出模塊 4 個(gè)， 總 I/O 點(diǎn)數(shù)為 128 點(diǎn)。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(dāng)處于工作位置的供袋盤中有包裝袋時(shí)， 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(dǎo)向滾輪之間， 空袋由滾輪帶至斜板;當(dāng)空袋沿斜板下降并遮擋斜板下光電時(shí)， 托袋電磁閥與整形電磁閥接通， 托袋氣缸伸出， 帶動(dòng)斜板上的托架托住袋子， 緩慢下降， 同時(shí)斜板兩側(cè)的整形氣缸帶動(dòng)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(jìn)小車離開抓袋臂運(yùn)動(dòng)區(qū)域后， 抓袋閥通電， 抓袋臂向下動(dòng)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(shí)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(shí)驗(yàn)效果

根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)完成的包裝機(jī)控制系統(tǒng)， 經(jīng)過安裝和調(diào)試， 通過空負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)和整機(jī)帶料調(diào)試等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的測試， 其復(fù)秤靈敏度為 ± 10g， 包裝能力為800bags/h， 誤差率低， 操作簡便， *各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)， 現(xiàn)已投產(chǎn)使用， 客戶反映良好。

5 結(jié)語

實(shí)踐證明， 在全自動(dòng)化肥包裝機(jī)包裝控制單元應(yīng)用 PLC 技術(shù)、 變頻器技術(shù)及伺服驅(qū)動(dòng)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(jī)故障發(fā)生率， 提高了工作效率及設(shè)備可靠性。

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