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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)一種安全和高效的包裝機(jī)。某農(nóng)機(jī)化公司就開發(fā)了一套全自動定量化肥包裝機(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。
包裝控制單元電氣控制系統(tǒng)組成系統(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、電動機(jī)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(jī)，進(jìn)行粗給料動作和精給料動作;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)。
包裝單元啟動后，將給輸送檢測控制單元1個(gè)啟動信號，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)動電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。
裝袋機(jī)的橫進(jìn)小車在動作過程中需要進(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，完成取袋送袋動作。伺服驅(qū)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(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)，完全實(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(jī)和伺服驅(qū)動器主回路)，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)電動機(jī)的啟動轉(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)動進(jìn)行控制，而伺服驅(qū)動器具有使用方便、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)因要精確控制橫進(jìn)小車的往復(fù)運(yùn)動，將通過接收到PLC發(fā)出的脈沖的個(gè)數(shù)，精確控制伺服電動機(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)動器SDS4101。
其中，DC24V由PLC輸出端提供，伺服使能、報(bào)警清除、CCW驅(qū)動禁止、CW驅(qū)動禁止、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)。
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。
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，完全滿足各項(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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