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針對多功能茶葉包裝機存在包裝封口不嚴、外觀褶皺、材料燒穿等包裝質量問題，采用西門子S7-1200CPU和TIAPortal開發(fā)茶葉包裝機的控制系統(tǒng)，設計基于模糊PID的包裝機熱封溫度控制方案。介紹了多功能茶葉包裝機工作原理、控制系統(tǒng)硬件選型和通訊網絡配置，并在TIAPortalV13環(huán)境下進行包裝機控制系統(tǒng)硬件組態(tài)和利用OPC技術實現(xiàn)模糊PID控制算法，完成控制系的人機交互界面設計。該系統(tǒng)溫度控制波動為±1.8笆，精度在1.5%以內，包裝袋封口強度達標、外觀平整。應用表明，該多功能茶葉包裝機系統(tǒng)運行穩(wěn)定、成品率高。

關鍵詞：TIAPortal;茶葉包裝機；S7-1200；溫度控制；模糊PID；OPC

隨著社會發(fā)展和國民經濟指數的提升，品茶人數逐漸增高,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行業(yè)的主流趨勢。因此，提高茶葉包裝質量和包裝效率尤為重要。多功能茶葉包裝機是在一臺包裝設備上能夠完成多個以上的茶葉包裝工序的設備，其能夠同時實現(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,封口質量將影響茶葉的包裝質量、儲存時間、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)行器電壓波動影響，使溫度控制系統(tǒng)具有非線性和時滯性，利用傳統(tǒng)PID控制經常出現(xiàn)包裝材料燒穿和過度收縮、物料泄露、封口不嚴、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)自動化軟件，可以完成高效靈活的項目組態(tài)、網絡搭建、程序編寫、在線診斷、遠程操作及故障報警，其與傳統(tǒng)的WinCC+Step7方法相比無需花費大量時間完成軟件集成，明顯節(jié)約時間，提高工作效率，是未來工業(yè)自動化的發(fā)展方向為解決上述問題，本研究構建由S7-1200PLC,PCStation,TCP7062Ti觸摸屏的TIAPortal的多功能茶葉包裝機控制系統(tǒng)，設計模糊PID包裝機熱封裝置溫度控制程序，以期提高茶葉包裝機的自動化程度和包裝質量。

1多功能茶葉包裝機結構設計及工作原理

多功能茶葉包裝機結構見圖1,主要包括橫封裝置、包材送料裝置、縱封裝置、翻領成型器、包裝薄膜、稱重裝置及定位裝置等⑴。本研究對多功能茶葉包裝機進行以下幾方面優(yōu)化改進：①將橫封裝置與切斷機構組合在一起，既可以減小整機尺寸也能縮短工作周期；②橫封裝置使用獨立電機驅動，縱封裝置運用氣缸驅動，便于協(xié)調和控制各執(zhí)行機構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，還能簡化傳動鏈、減小設計的復雜性和制造成本；③導料器下方增設導料管至橫封裝置上方約30mm處，降低粉塵揚起污染封口部位的程度。

包裝材料被包材供送裝置經自動糾偏裝置調整后送達成型器，包裝材料被翻領成型器成型卷成筒狀后，包裝機縱封裝置以設定的溫度對包裝材料進行燙邊封口，在此之前橫封裝置已經完成上一個包裝袋的頂封和下一個包裝袋的底封，與此同時，稱重機構已完成產品稱重并將物料填充至包裝材料內〔6一刁。包裝材料在牽引裝置的作用下繼續(xù)向下運動到達橫封裝置位置，橫封裝置完成包裝袋頂封和切斷工作，然后進行產品包裝的質量檢測，剔除次品，輸送出合格產品。其中，產品的填充及包裝袋橫封、切斷位置的確定由色標進行定位。

 

1.橫封裝置2.包材送料裝置3.縱封裝置4.翻領成型器5.包裝薄膜6.導輻7.卷筒包裝材料

圖1多功能茶葉包裝機結構簡圖

2多功能茶葉包裝機控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設計

多功能茶葉包裝機的控制系統(tǒng)設計主要包括兩方面：硬件選型和軟件設計。整個控制系統(tǒng)中，設備的檢測裝置、執(zhí)行機構數量較多，彼此之間還存在一定的相互影響，對控制系統(tǒng)性能要求較高的。

2.1系統(tǒng)控制點統(tǒng)計

根據多功能茶葉包裝機工藝流程分析和項目控制要求，控制點分為：DI（數字量輸入信號）、DO（數字量輸出信號）、AI（模擬量輸入信號）、AO（模擬量輸出信號），具體控制信號內容見表1

2.2控制系統(tǒng)硬件選型

（1）根據上述多功能茶葉包裝機I/O統(tǒng)計，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間約為0.1卩s,同時自帶Profinet網絡接口"1?？刂颇K選擇：數字量輸入模塊SM1221（6ES7221-1BF32-0XB0）、數字量輸岀模塊SM1222（6ES7222-1BH32-OXBO）、模擬量輸入模塊SM123K6ES721231-4HF32-表1多功能茶葉包裝機I/O統(tǒng)計表

Table1I/Ostatisticaltableofmulti-functionalteapackingmachine

0XB0）、模擬量輸岀模塊SM1232（6ES7232-4HD32-0XB0）,多功能茶葉包裝機控制系統(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。通過觸摸屏可以實現(xiàn)人機交互，在觸摸屏上能夠進行參數值調整、控制對象監(jiān)控、手/自動切換命令。

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

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

本控制系統(tǒng)基于TIAProtalV13平臺，在完成工程項目創(chuàng)建后，選擇“設備和網絡”-,'組態(tài)設備”-“添加新設備”，然后根據設備訂貨號在選項列表中所需模塊，如：PS模塊、CPU模塊、SM模塊等

圖2多功能茶葉包裝機控制系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

2.3網絡組態(tài)

單擊TIAProtalV13界面的“網絡視圖”進入網絡連接界面，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的網絡連接。與TIAProtalV13的網絡組態(tài)相比WinCC+Step7的優(yōu)勢在于以可視化的圖像完成PLC、PC、HIM、驅動器的連接Et®。這樣可以簡化控制系統(tǒng)的設計并提高設計效率。多功能茶葉包裝機控制系統(tǒng)網絡組態(tài)圖見圖3。

圖3多功能茶葉包裝機控制系統(tǒng)網絡組態(tài)圖

3多功能茶葉包裝機控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設計

3.1多功能包裝機主程序流程

該多功能包裝機根據茶葉包裝工序，實現(xiàn)茶葉包裝過程中制袋、稱量、充填、封口和切斷的工序與運行狀態(tài)監(jiān)控、異常狀態(tài)中斷及報警功能。程序按照模塊化思路設計，主要分為主程序、子程序及中斷程序。程序運行時，首先執(zhí)行初始化程序段，然后進入主程序段判斷包裝機運行的手/自動狀態(tài)位,若是自動運行狀態(tài),則主程序調用包材縱封送料子程序、縱封加熱子程序、送料子程序,PLC實時掃描釆集包材位置信號和縱封溫度信號，當滿足包裝袋縱封條件后，控制器啟動縱封電磁閥完成縱封工作。當完成縱封工作后主程序調用橫封加熱子程序、包材橫封供送子程序,PLC實時掃描采集包材位置信號、橫封溫度信號、稱重傳感器信號，當3個信號都滿足橫封要求時，橫封電機啟動，進行橫封工作和切斷工作，茶葉包裝過程完成。多功能茶葉包裝機控制流程圖見圖4。

圖4多功能茶葉包裝機控制流程圖

3.2模糊PID熱封溫度控制算法的實現(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為一體，冷卻后具有一定黏合強度，主要因素包括熱封溫度、熱封壓力及熱封時間。模糊控制算法要對輸入信號進行模糊化處理、模糊推理和輸出信號的反模糊化處理^[14-^15]0如果直接在TIAProtalV13的Step7中進行編程，進行在線整定PID的3個參數，程序所占內存較大且很難實現(xiàn)，影響控制系統(tǒng)的運行速度“句。釆用OPC技術，以WinCCOPC為Server,MatlabOPC為Client,通過OPC進行數據交換，實現(xiàn)控制算法的應用(見圖5)。以多功能茶葉包裝機模糊PID橫封溫度控制算法的實現(xiàn)為例，步驟如下：

(1)將TIAProtalVI3的WinCC設為OPCServer,通過SIMATICOPCScout建立Items,同時設置相關參數。

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

3.3HIM界面設計

多功能茶葉包裝機HIM界面的設計采用TIAPortal中的WinCC,其工具箱中包含的基本對象、控件、圖形、元素，可以靈活拖動到HIM界面，在TIAPortal中還可以開發(fā)報警界面、參數設置界面、參數歷史曲線E】。如圖6所示，在TIAPortalV13軟件開發(fā)的包裝機生產監(jiān)測畫面可以設定稱重質量、包裝速度、橫封溫度和縱封溫度，實現(xiàn)多功能包裝機自動化生產。

圖6多功能包裝機生產監(jiān)測界面

 

本研究所述的基于TIAPortal多功能包裝機控制系統(tǒng)是與陜西西微測控工程有限公司合作開發(fā)，已經成功地應用到河南信陽某茶葉加工企業(yè)的包裝機控制系統(tǒng)。結合OPC技術完成WinCC與MATLAB的通訊，實現(xiàn)多功能包裝機模糊PID熱封裝置溫度控制算法的應用。

該企業(yè)以信陽毛尖茶葉為主打產品，現(xiàn)以小包裝進行現(xiàn)場測試，連續(xù)生產24h進行橫封效果測試。要求：袋長70mm、袋寬55mm、克重10g、包裝速度100袋/min。如圖7所示將橫封溫度設定為135°C,從溫度趨勢曲線中可以看出，溫度波動幅度較小，能夠控制在±1.8°C,溫度控制精度在1.5%以內，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，實際應用效果良好。

4結論

基于TIAPortalV13平臺和S7-1200CPU控制器實現(xiàn)多功能茶葉包裝機動態(tài)實時監(jiān)控和控制，利用TIAPortal可快速、直觀地開發(fā)和調試優(yōu)勢，解決包裝封口不嚴、外觀褶皺、材料燒穿等包裝質量問題，結合()PC技術完成WinCC與MATLAB的通訊，實現(xiàn)模糊PID的包裝機熱封溫度控制算法的應用，實時調節(jié)PID的3個參數，提高溫度系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性，應用表明，該多功能茶葉包裝機系統(tǒng)運行穩(wěn)定、成品率高。具有一定的應用價值。

 

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