基于PLC的全自动挂面包装线设计.pdf

2023年10月西安交通工程学院学术研究Oct.2023第 8 卷第 3 期Academic Research of Xian Traffic Engineering InstituteVol.8No.3作者简介：作者简介：付锐（1983-），男，硕士，副教授，研究方向：工业自动化及智能控制装置。基基于于 PLC 的的全全自自动动挂挂面面包包装装线线设设计计付锐(西安交通工程学院 陕西西安 710300）摘摘要要：挂面包装线中，价格标签的贴附往往都是由手工完成。本文介绍一种全自动挂面包装线的设计思路。采用基恩士可编程控制器、伺服电机、称重传感器、A/D 转换器及气压传动装置等，实现对挂面产品自定义截取长度、称取重量、覆膜包装、价格标签贴附等，全套工艺流程自动化实现的生产线设计。重点介绍采用伺服系统及压力传感器，实现挂面长度和重量的采集，并通过 RS-485 串口将数据上传至计算机及产线外围辅助设备，完成价格标签的打印、贴附工作。PLC 与触摸屏通信，实现按照客户不同需求完成产品的包装，提高了包装线的自动化程度，数据传输稳定性同时得到增强。关关键键词词：可编程控制器；伺服系统；称重传感器；RS-485 总线；控制中中图图分分类类号号：TP29 文文献献标标识识码码：ADesign of Automatic Noodle Packing Line Based on PLCFU Rui(Xian Traffic Engineering Institute,Xian Shaanxi 710300,China)Abstract：In the hanging packaging line,the attaching of price labels is often done by hand.This paper introduces the design idea ofa kind of automatic noodle packing line.Using Keynes programmable controller,servo motor,weighing sensor,A/D converter andpneumatic transmission device,we can realize the production line design of customized interception length,weighing,filmpackaging,price tag attachment and so on.The servo system and pressure sensor are used to collect the length and weight of thehanging surface,and the data is uploaded to the computer and peripheral auxiliary equipment of the production line through RS-485serial port to complete the printing and attaching of the price label.PLC and touch screen communication,according to the differentneeds of customers to complete the packaging of products,improve the degree of automation of the packaging line,data transmissionstability has been enhanced.Keywords：programmable controller;servo system;weighing sensor;RS-485 bus;control引引言言挂面是生活中的一种常用食品，随着现代化工业生产水平的不断提高，要求包装作业要尽可能的将所有生产工序全覆盖完成。现有包装线中机械称重、长度截取、标签贴附基本上都由人工完成，存在着速度慢、卫生条件差等客观因素，本文设计一条基于可编程控制器为控制中心，能够实现挂面按照客户定义参数进行长度截取并称取重量，将参数通过 RS-485 网络传送到主控室的 PC 机上，存入数据库后，按照设定好的公式计算出重量相对应的价格，数据按照固定格式处理后发送到贴标机，当挂面通过贴标机时，贴附的条形码即为当前重量对应的价格数值。1 包装线组成与工艺流程1.1 包包装装线线设设备备结结构构全自动挂面包装线主要由称重传感器、伺服电机、同步带、滑轨、链条、进料感应器、打印机、贴标机、输送机及控制系统组成，如图 1 所示。（1）传送部分传送部分的作用是挂面进行计量称重前的一个重要工序，原理是将装置的各部分叠加之后，传送到一个传送带上，从而有效的避免挂面在制作过程中粗细不一，提高计量精度。（2）计量部分计量传送带、控制漏斗、电子秤和推杆四部分构成了计量单元。加工好的挂面经过电子称量之后，由控制漏斗精准投放至电子称槽内。当重量达到系统预设值时，推杆机构推出挂面至包装槽并快速返回初始位置。全自动挂面机中反转按钮可将计量环节重复同时进行，完成下一包挂面的制作1。39基于 PLC 的全自动挂面包装线设计图图 1 全全自自动动挂挂面面包包装装机机组组成成部部分分包装部分主要由挂面机包装架、挂面机导轮、包装带、包装槽四部分组成：推杆将挂面推到包装台后，包装架向前运行，包装电机先进行倒转大概0.5s后进行正转包装，包装完后机架返回初始位置并将包装好的挂面进行推送，当纸槽内无包装纸时，包装机架退回到初始位置停止推送，当纸槽内有纸张后继续进行工作2。（4）进纸部 （3）包装部分分纸槽、压制轮、出纸轮、推手、打号机、刷浆轮、胶水容器等经过有效组合后便是进纸部分。纸张进入挂面机的顺序为，自动化挂面包装机工作时先启动压纸轮，纸张推送到初始位置后打号机按照设置好的编号将号码打印出来，号码打印完成时电磁铁开关吸合，推纸轮电机启动将用于包装用的纸张推送到包装工作台。纸张通过出纸轮时，由于刷浆轮与出纸轮同轴，当刷浆轮转动时胶水才能从刷浆槽的下边缘空隙中带出并在包装纸上进行刷胶操作3。（5）打号部分打号电磁铁、色带、色带电机、号码条四部分组成打号模块。色带上印有号码条和印刷日期，当包装纸经过色带上部时，打号电磁铁落下将日期和条码等信息在包装纸上印刷。光电开关的安装可以用于检测纸槽内有无纸张通过包装槽，缺纸时光电开关可触发报警程序提醒操作工人加入纸张。挂面包装完成后机台停止工作，当后续纸张进入包装槽时，压制轮开关延时0.5s后，全自动包装挂面机才会继续进行下一环节工作。机台中附带有记数及显示功能。1.2 工工艺艺过过程程及及关关键键技技术术全自动挂面包装机工艺流程，如图 2 所示。主要包括面粉原料的计量、熟化、烘干、自动取袋、开袋、落料、整型、封口等功能。采用模块化、集成化的设计思想，设计包装机关键装置，以实现高效的包装生产过程。挂面的生产过程中，其中面团制作和面条成型是最为关键部分4。挂面在包装时，推杆机架完成将挂面的推送，包装机架正转推杆向前运行，反转则可以快速返回初始位置，以达到高效的自动化包装效果。图图2 挂挂面面生生产产工工艺艺示示意意图图面粉和水按照12.5%的比例进行配置，成品正品率可以达到90%。湿面条中水分占比不低于30%便可以进行面团的烘干操作。经过计算可得每100kg面粉需加22.14kg水，故和面用水量为：200.2214=4.428(t/d)。以七道组合压片机参数为例，压片机压薄率分配合理至各个道，并按照道数递减。技术参数如表1所示。表表1 压压片片机机各各道道压压辊辊技技术术参参数数道数辊径Mm转速r/min线速m/min面片厚度 mm压薄率%1A、1B22063.744.02（合片）28097.644.05032201411.352.44041703214.961.62851404620.211.32461307525.391.11478011027.271.082 全自动挂面包装线电气控制原理全自动挂面包装线工艺实现过程中，其核心的功能便是实现挂面重量的称量及包装功能。启动/停止按钮触发时，纸张由压纸轮电机推送进入一张，传送带1#、2#完成启动将挂面送至计量部分。经称重单元进行重量获取后，停止1#、2#传送带传送挂面并将机架恢复至初始位置，推杆将挂面推入包装槽后开始刷胶打号，启动推纸电机将包装好的挂面推送到包装平台上5，延时0.5s后推杆复原退回至原理位置，重新启动进纸轮并启动1#、2#传送带，由整体工艺流程设计出电气原理图如图3所示。全自动挂面机I/O分配如表2所示。40基于 PLC 的全自动挂面包装线设计图图3 PLC电电气气控控制制原原理理图图表表 2 PLC 输输入入/输输出出分分配配控制点输入点受控点工作方式输出点备注模拟量模拟量1#传输正转Q0.1模拟量模拟量2#传输正转Q0.2模拟量模拟量正转Q0.3限位开关I0.7控制板反转Q0.4模拟量模拟量上限开关I0.0前推Q0.5下限开关I0.1后推Q0.6延时器延时包装机下限开关I1.0包装机架正转Q0.7包装机上限开关I1.1包装机架正转Q0.8纸槽光电开关I0.3声光报警声光报警声光报警出纸轮光电开关I0.4声光报警声光报警声光报警计数器I0.5计量值启动/停止按钮I0.6电机灯On/off压纸轮开关I0.7450/500g开关I0.8防盗开关I0.93 硬件系统设计3.1 控控制制系系统统全自动挂面包装线采用西门子公司的S7-300型号PLC，完成对各部件的监测和控制，并采用型号MCGS-TPC7031KT的触摸屏作为人机界面设计。设备分为自动和手动两种控制方式，兼容S7-1200通讯协议同时支持232、485、USB等接线口通讯。处于自动工作模式时，不需要人工干预，手动模式主要利用触摸屏按钮来控制生产线各部件的动。3.2 称称重重系系统统称重系统选用WM-0800重量变送器，工作时称重传感器将接收到的重量信号进行数字处理，输出020mA的模拟量电信号至PLC扩展A/D模块上。采用电荷平衡式模/数转换及数字滤波处理技术，可以有效消除重量变速器反复标定现象，提高测量结果的可靠性。A/D模块将模拟量信号转成04000的数字量，通过FROM/TO指令传递到PLC中，完成模数转换6-7。3.3 长长度度测测量量系系统统长度测量系统主要通过伺服驱动器及伺服电机完成功能实现，设备选用汇川伺服驱动器型号为SV630A系列高性能伺服系统，该系列产品功率范围为100W7.5kW，支持Modbus通讯协议，采用RS-232RS-485通讯接口，配合上位机可实现多台伺服驱动器联网运行，如图4所示。设备工作前，先将两端传感器起始位置间距离0L存入至PLC数据寄存器中，两端传感器在伺服驱动器带动下从起始点开始向两端移动，当触发指定位置信号时，伺服电机停止移动，PLC分别记录两端传感器的位移量1L和2L，则截取包装挂面长度为012L=L-L-L设备使用前还需要对伺服电机齿轮进行设定，通过设定对于输入的脉冲乘以任意的倍率使机械运行，电子齿轮工作原理如图5所示(1)。图图 4 长长度度测测量量装装置置示示意意图图电子齿轮计算公式为：tt00bppCMX=CDVSnp图图 5 电电子子齿齿轮轮工工作作原原理理示示意意图图式中，为脉冲对应的进给量，设定为 10m(2)，41基于 PLC 的全自动挂面包装线设计tp为伺服电机编码器分辨率，n 为减速比，bP为电机转一圈之后的进给量。根据设备实际情况，将各参数值代入式（2）得：tt00bppCMX=CDVSnp-31310728192=10 10=1 1881175数值设置后，PLC向伺服驱动器发送一个脉冲，滑槽在导轨上可前进10m，绝对位置编码器可以精准记录位置信息。无论PLC电源是“开启”和“关闭”状态，绝对位置编码器都可以将电机的绝对位置进行实时检测，并将位置信息保存在存储设备中。全自动挂面机在第一次使用时，要完成HOME点设定，即将初始位置进行设定和标记，设备接通时电源PLC会读取驱动器存储装置中的位置信息，并使伺服系统准确定位，不需要进行多次原点复位工作。4 软件系统设计自动化挂面包装机中挂面的长度和重量数据处理后发送到主控室的PC机上。中控室距离设备较远时，需要将通信模块中数据传输模式由RS232转换成RS485模式便于数据传输。RS-485接口最大可传输距离3000m，并且克服了RS232接口传输速率低，信号易受干扰等缺点8，9。PC机端再由接口转换器将RS485转换成RS232连接到计算机COM口上，然后计算机将处理后的数据通过RS485网络发送到喷码机，系统网络拓扑结构如图6所示。图图 6 自自动动化化挂挂面面包包装装机机台台系系统统拓拓扑扑结结构构图图PC机端还需要一个通信程序用来接收PLC发送的包装挂面的长度和重量数据，并将其计算处理后按照要求的标签格式发送出去，并在数据库中进行存入。使用VB开发全自动挂面机中的接收、发送数据，程序的结构框图如图7所示。初始化程序完成端口的设置，包括端口号、波特率、校验位、停止位和起始位等的设置。当端口接收到PLC发出的数据时，首先判断是否数据有效，将有效数据存入数据库，否则转到准备接收数据状态。PLC发出的数据为长度和重量对应的ASC码，中间用字符“P”分隔开。程序接收到数据后，将长度和重量信号分离出来，存入数据库对应项中，并显示在窗体上而后插入窗体发送文本框字符串中的指定位置。最后将字符串按照喷码机指定格式发送出去。根据全自动挂面包装机电气控制的设计要求，软件部分主要由三部分组成：启动/停止程序、计量程序、包装程序。图图 7 程程序序结结构构框框图图为了减少变量、减少内存，这些程序没有单列，而是利用PLC的记数、定时、互锁等功能以及扫描方式及各网络的特点，将变量多次使用可以大大简化程序，使程序简单明了执行速度快10。利用PLC自诊断功能加上保护程序使该系统更加安全可靠，如图8所示。其中利用PLC进行控制的包装程序如图9所示。图图 8 全全自自动动挂挂面面机机启启动动/停停止止梯梯形形图图42基于 PLC 的全自动挂面包装线设计图图 9 PLC 控控制制的的全全自自动动挂挂面面机机包包装装梯梯形形图图5 结语采用PLC控制全自动挂面机，设备结构简单并且可以降低生产成本，工作性能稳定，包装速度快，每分钟可达到13kg-15kg一包，包装整齐牢固并可以根据挂面的不同规格及重量在操作面板上进行工作。包装挂面在长度测量系统中两端传感器在伺服电机驱动下可以实现精准移动，量出相关数据，并通过对伺服驱动器的设置，将传感器最小运动单位精确到0.01mm，提高了设备的精确度。参参考考文文献献1挂面生产工艺及设备研发进展.刘锐;张影全;武亮;邢亚楠;魏益民.食品与机械,2016.2上袋机械手设计与动态性能分析.孙明迁;唐火红;骆敏舟;陈伟.合肥工业大学学报(自然科学版),2015.3给袋式自动挂面包装机关键装置设计.陈留记;王志山;李文凯;屈凌波.包装工程,2018.4给袋式包装机取袋机构结构参数的优化设计.孟祥飞;杨传民;樊文涛.包装工程,2017.5基于专利分析的袋包装技术.汪凯;张犁朦;李更;汪勇.包装工程,2017.6上袋机械手设计与动态性能分析.孙明迁;唐火红;骆敏舟;陈伟.合肥工业大学学报(自然科学版),2015.7M 袋自动挂面包装机关键装置设计与仿真J.徐雪萌;陈留记;王志山;李文凯.包装工程,2019.8一种挂面包装机控制系统的设计与开发J.周广山;潘松峰;王瑞奇.青岛大学学报(工程技术版),2013.9基于三菱PLC控制的全自动分板包装机的设计与实现J.胡青龙.自动化技术与应用,2022.10基于信捷 PLC 的称重包装机控制系统优化设计11 俞霞;郭琼;谢彬彬;刘志刚.电工技术,2020.12一种基于PLC的给袋式计数包装机系统设计J.杜国华;李桓桓.襄阳职业技术学院学报,2020.13基于 PLC 技术的机器人控制系统研究J.张威.科技风,2022(35).14基于PLC的农业种植水肥一体化自动控制系统J.胡萱萱.现代农机,2023(01).15PLC 技术在立体仓库设计中的应用研究J.赵晶晶.南方农机,2023(03).(上接第48页)12吴彦丞,陈鸿昶,李邵梅,等.基于行人属性先验分布的行人再识别J.自动化学报,2019,45(05):953-964.13杨雷,郭恩泽,刘益岑等.基于轻量级残差网络的无人机个体识别方法J.兵器装备工程学报,2023,44(06):246-253.14周登文,赵丽娟,段然,等.基于递归残差网络的图像超分辨率重建J.自动化学报,2019,45(06):1157-1165.15Qian,H,Zhou,X,Zheng,M.Detection and recognition of a-bnormal behavior based on multi-level residual networkC/Proceedings of the IEEE 4th Advanced Information Tech-nology,Electronic and Automation Control Conference,2019:2572-2579.16陈咏秋,孙凌卿,张永泽,等.基于 YOLO v3 的输电线路鸟类检测技术研究J.计算机工程,2020,46(04):294-300.17马啸,邵利民,金鑫,等.改进的 YOLO 模型及其在舰船目标识别中的应用J.电讯技术,2019,59(08):869-874.18董彪,熊风光,韩燮,等.基于改进 Yolo v3 算法的遥感建筑物检测研究J.计算机工程与应用,2020,56(18):209-213.19Bochkovskiy A,Wang C,Liao H.YOLOv4:Optimal speed and accuracy of object detectionJ.arXiv preprint,arXiv:20 04.10934,2020.20李立鹏,师菲蓬,田文博,等.基于残差网络和迁移学习的野生植物图像识别方法J.无线电工程,2021,51(09):857-863.43