自动包装机控制系统的设计

一、引言

    随着计算机电力电子技术的发展，各个国家机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、家用电器、包装机械、纺织机械、印刷机械等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善提高工作效率、人民生活、节约能源、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。

    在包装行业中，绝大多数包装机采用PLC来实现对横封电机的控制，该方案采用模拟量进行速度跟随主轴运动，使用这种控制系统包装的产品一致性不是特别理想，更重要的是包装速度很难提高到200袋/分钟以上的包装速度，这不符合企业提高工作效率的迫切要求。为此，我们基于MPC05运动控制器设计了一套包装机控制系统，该套系统具备包装产品质量高和包装效率高的两个重要特点，并且还具有色标跟踪功能。

二、工作原理

    如图一所示为一包装机的示意图。8纵封辊筒由异步电机带动即主轴电机，9热封辊筒、10冷封辊筒、12切刀由一个伺服电机带动即从轴电机。从轴电机要跟随主轴做跟随运动。其工作原理是MPC05运动控制器接收主轴编码器信号，根据主轴编码器的脉冲数按照一定的运动规律驱动伺服电机跟随主轴作相应的跟随运动，该伺服电机通过链传动同时带动热封辊筒、冷封辊筒、切刀运动。

 
图1 包装机的示意图

    热封辊筒轴以1：4的减速比装有一个编码器，用作闭环控制。该编码器的值与伺服电机理论上应该走的距离进行比较进行PID调节，使从轴伺服电机跟随主轴电机做全闭环的位置跟随。

三、控制器的设计

    控制系统的控制器采用FPGA+DSP的方案，图二为控制器的结构图，FLASH用于存储DSP程序，多余的空间可以用来存储配置程序或加工程序以及系统工艺参数和现场数据。NAND FLASH大规模板上存储，用于存储配置数据、加工数据等。控制器的核心是DSP和FPGA，DSP实现CPU功能，FPGA实现控制功能和IO功能。

 
图2 控制器的结构图

    该控制器的加工文件可以通过RS232下载，或通过U盘拷贝，接收主轴编码器反馈的信号以及从轴编码器反馈信号，输出的脉冲方向信号接伺服电机驱动器，I/O口接停机信号或开机信号等。两个串口，其中，串口A为PC机接口，采用松下伺服的数据传输协议通讯。串口B为人机界面接口，采用标准的 Modbus协议通讯。
 

四、控制程序的设计

    由于纵封辊筒和横封辊筒周长相等都为300mm，横封辊筒有4根筋，所以横封辊筒每转一转可以包装4袋产品。如果包装的袋长为300/4=75mm，则属于同步跟随，即横封纵封辊筒包装一袋所走的距离相等。如果包装袋长大于75mm，则横封辊筒在非啮合区应该做减速运动，然后再升速到与主轴同步，准备下一次啮合，如果袋长小于75mm，则横封辊筒在非啮合区应该做升速运动，然后再降速到与主轴同步，准备下一次啮合。在啮合区需要横封和纵封辊筒同步运动，否则当横封辊筒速度高于纵封辊筒的速度时，将会出现扯膜现象;当横封辊筒速度低于纵封辊筒的速度时，将会出现堆膜的现象，这些现象将会影响加工产品的质量，严重的情况还可能将包装膜扯断。

    如图三所示为从轴电机运动的模型。

 
图3 从轴电机运动的模型

    设A代表主轴，B代表从轴。首先计算出A、B的周期长度(周期长度是指包装一个袋子所需的脉冲数)以及同步系数，然后将A的周期分成如图三横坐标所示的5 段，再根据A的5段的长度和同步系数，计算出异步系数，最后计算出B对应的5段的长度，即同步段，升(降)速段、异步段，降(升)速段和同步段，其中在第一个同步段横封辊筒两齿啮合，在中间的升降速段为适合不同的袋长要求实现变袋长，最后的一段很短的同步段是为了使进入下一个啮合的同步段更为平稳(这里长度的单位均为脉冲数)。

    对从轴的位置控制采用比较成熟的经典的PID控制。PID控制具有原理简单、使用方便、适应性好等优点。我们这里采用的是增量式PID控制算法。增量式PID控制有很多优点：

    (1) 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可采用逻辑判断的方法去掉;

    (2) 算式中不需要累加，控制增量的确定，仅与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。

    PID控制器是一种线性调节器，它把设定值(各段从轴应该发的脉冲数)与实际输出值(从轴编码器值)相减，得到控制偏差 ， 的比例系数(P)、积分系数(I)和微分系数(D)通过线性组合构成控制变量 (伺服电机的脉冲频率)。控制变量的增量 的计算公式为：

   式中，T为采样周期，K为比例系数，加大比例系数K可以减小稳态误差，但当K过大时，会使动态质量变差，导致系统不稳定。TI为积分常数，TI越大积分作用越弱，积分环节的加入，能消除静态误差，使系统趋于稳定。TD为微分系数，微分控制的作用可以改善系统的动态特性，提高控制精度，但TD偏大或偏小时，都会使超调量增大，调节时间加长。

    由于该系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了K、TI、TD这三个控制参数，就可以确定控制变量，我们已经在现场调试导出了这三个参数的值。

五、自动包装机系统的功能

    此自动包装系统采用EasyView作为人机界面，界面友好丰富，适用于包装机操作现场工作。控制系统中外围设备和核心器件均采用工业级产品，保证了包装机使用过程中的安全稳定可靠性。简单的基础参数设置，可以分别设置包装速度，包装袋长、袋长参数、PID系数等参数。其中，对于固定的辊筒，袋长常数是一定的。如辊筒周长为300mm，该辊筒有四根筋，则袋长常数为75mm。

    该包装机系统可在线修改袋长和包装速度，包装速度范围是20-200袋/分，包装袋长范围是40-160毫米。系统的从轴电机选用松下中惯量750瓦交流伺服电机，采用精确的伺服位置控制方式，传动连续，定位准确，低速特性相当优良，在硬件上就保证了系统控制的精确度。所以该系统包装出来的产品长度一致性好，误差也很小，误差范围在±1mm以内。包装速度高，精度好是该系统的最大的特点。

    一键设定色标跟踪方式，对设定错误能自动监测。光标定位精度高，对光电眼要求低，降低厂家配套和维护成本。无论处于跟色状态还是数控状态定长，均能够自动监测断纸，断纸自动停机。跟色包装时采用模糊容错技术，允许个别漏印色标，自动进行跟踪补偿。 此外，该系统还有自动计数的功能，所有工作参数自动记忆保存。

六、结束语

    实用效果表明，这里研制的自动包装机控制系统可广泛适用于各类液体、粘稠体、粉末及颗粒物料等相关行业产品的制袋充填包装。目前该系统已经成功用于包装方便面内包装，袋装洗发水等应用场合，运行稳定，包装产品一致性很好。尤其对于方便面内包装，对包装袋误差的要求不是特别严格，而尤其要求200袋/分以上的包装速度，使用该自动包装机系统不仅减少了人力、物力，而且大大提高了生产率。