0 引言
现阶段我国农村使用的农产品(如化肥、 种子等)的包装仍沿用传统的手工定量包装， 生产效率低、 劳动强度大且精度低， 远远不能满足现代化农业生产的需要。为了改变这一现状， 各农机具生产公司、 科研院所都在致力于开发一种安全和高效的包装机。某农机化公司就开发了一套全自动定量化肥包装机， 此包装机系统包括电子定量秤、 平台、 供袋机、 装袋机、夹口整形机、 折边机、 立袋输送机、 倒袋机、 过渡输送机和码垛机等多个组成部分。设备称重能力为 800袋/h(每袋 25kg)， 称重精度±0． 2% ， 包装能力为 800袋/h， 总耗电量 20kW， 总耗气量 40Nm 3 /h。本文详细论述了此全自动定量化肥包装机的包装控制单元的设计方法。
1 总体阐述
整个包装码垛成套设备的控制系统由 4 个控制单元组成， 分别为称重控制单元、 包装控制单元、 输送检测控制单元和码垛控制单元。每个单元都由相应的控制核心及其辅助元器件各自组合成小的控制单元。本文详细论述的是包装控制单元的设计方法。
系统为检测模块、 操作模块、 控制模块模块及执行模块组成。其中， 控制模块的控制核心采用 PLC，检测模 块 使 用 了 多 种 检 测 元 件， 包 括 光 电 开 关、接近开关和正负压检测开关等。操作模块采用触摸式人机交互界面。执行模块包括交流接触器、 电磁阀、 电动机以及气缸等。
其工作过程为:电子秤启动后， 可编程序控制器控制给料伺服电机， 进行粗给料动作和精给料动作;之后， 向 PLC 发出称重结束信号， 同时等待包装控制单元的允许卸料信号;待检测到允许卸料信号后， 称重控制单元将打开卸料斗， 投料并缝口。如果包装控制单元在上述过程中产生故障， 则称重控制单元停止工作， 直至包装控制单元完成本工作循环并停机。
包装单元启动后， 将给输送检测控制单元 1 个启动信号， 同时输送检测单元也同样送给包装单元 1 个输送检测单元正常的信号。如果包装单元没有接收到这个信号， 则包装单元停止运行， 直至输送检测单元排除故障方可正常运行。
生产线全线正常运行时， 当包装控制单元和码垛控制单元建立连锁时， 码垛控制器向包装控制器发出正常运行信号;当码垛单元出现故障报警停止时， 码垛控制单元正常信号自动断开， 包装单元也停止运行， 直到码垛控制单元正常运行为止;如果包装控制单元和码垛控制单元解除连锁， 则各自都可独立工作， 且互不影响。
2 关键部件及主要参数确定
2．1 电源部分
现场的 380V 动力电源接入控制柜后， 连接至总负荷隔离开关和漏电保护开关。
总负荷隔离开关为表面安装形式， 带有旋转手柄， 在不打开控制柜门的情况下， 可方便地通过旋转手柄完成主电源的开关动作。漏电保护开关可对操作人员和设备进行安全保护。
包装控制系统的每个电机都单独加装了空气开关， 从而保证电机的安全运行， 且便于维护。本系统所采用的电动机空气开关集成了短路保护、 过载保护和断相保护等多种保护功能， 省去了传统的热保护继电器。
根据工艺要求， 夹口整形机、 折边机和立袋输送机在运动过程中需要一定的速度调节， 所以利用变频器技术对驱动电机进行驱动。
装袋机的横进小车在动作过程中需要进行准确的位置控制， 所以采用伺服电机去控制横进小车进行往复运动， 完成取袋送袋动作。伺服驱动器主回路需要三相 380V 电源。采用单极小型断路器对交流接触器线圈的进行过流保护。
现场所有控制单元的电器元件均为直流 24V， 保证了设备运行及人员操作的安全性。
2．2 可编程控制器(PLC)
可编程控制器是包装控制系统的核心。本系统采用型号为 CQM1HCPU21 的欧姆龙 CQM1H 系列PLC， 利用其快速的 I/O 处理速度和丰富的扩展接口等优点， 完全实现了包装控制系统的各项功能。本系统的 PLC 配置了 3 个 24V 直流输入模块(16点)， 3 个继电器输出模块(16 点)， 1 个继电器输出模块(独立回路 8 点)。
输入通道地址从左到右依次为 IR000 ～ 003。各种传感器信号(如光电开关、 接近开关和正负压检测开关的开关信号)、 按钮开关信号以及各种控制元器件的检测信号都连接至 PLC 的输入模块。
输出通道地址从左到右依次为 IR100 ～ 104，100通道控制操作面板指示灯、 蜂鸣器和伺服电机驱动器;101 和 102 通道控制电磁阀。以上各回路的 com端接 24V 直流电源正极。103 通道控制交流接触器(电动机和伺服驱动器主回路)， 其 com 端接交流220V 电源;104 通道为 8 个独立回路， 其中 10400 ～10403 用于变频器启停及复位， 公共端与变频器的公共端 CM 相连， 10404 为电子秤联锁信号。公共端与电子秤输出信号的公共端相连， 10405 用于伺服驱动器 24V 电源继电器的控制， 公共端接直流 24V 电源正极;10406 和 10407 备用。
2．3 变频器
为了对夹口整形电机、 折边电机和立袋输送电机的速度进行控制， 本系统采用了 3 个富士 E11 系列变频器。这种系列的变频器体积小， 性能高。0． 5Hz 时电动机的启动转矩为 200% ， 低速范围转矩脉冲比其他系列的变频器约小 50% ， 且具有各种智能化功能，如自动节能、 PID 控制、 自整定和 RS485 通信等， 并增强了维护和保护功能， 如增加输入电涌电流抑制和寿命预报等。变频器的工作方式与加减速时间等参数均可通过操作面板设置。
2．4 伺服驱动器
为了对装袋机的横进小车进行准确的位置控制，本系统采用伺服电机对横进小车的往复运动进行控制， 而伺服驱动器具有使用方便、 控制方式灵活且响应速度快的诸多优点， 故选择合适的伺服驱动器将大大提高控制系统的控制精度， 降低开发难度。伺服驱动器的可以通过接受外部脉冲和模拟量实现速度定位控制。本系统因要精确控制横进小车的往复运动，将通过接收到 PLC 发出的脉冲的个数， 精确控制伺服电动机的速度与方向。
经过选型， 本控制系统决定采用德国 STOBER 公司 SDS4000 系列伺服驱动器 SDS4101。
其中， DC24V 由 PLC 输出端提供， 伺服使能、 报警清除、 CCW 驱动禁止、 CW 驱动禁止、 偏差计数器清零、指令脉冲禁止以及齿轮比换算等均由 PLC 向伺服驱动器发出信号;伺服准备好、 伺服报警以及定位完成是伺服驱动器的输出信号。
3 控制过程
本控制系统以日本欧姆龙 CQM1H 可编程控制器为核心， 输入元件采用德国施克公司光电开关、 接近开关和日本 SMC 公司的压力开关;输出元件采用富士公司的变频器、 德国 STOBER 的伺服驱动器、 施耐德公司的交流接触器和日本 SMC 公司的电磁阀。
PLC I/O 配置为:CPU 单元自带输入 16 点， 扩展16 点输入模块 3 个， 16 点输出模块 4 个， 总 I/O 点数为 128 点。包装控制单元控制流程图见图 3 所示。
需特别说明的是取袋、 送袋和抓袋部分:当处于工作位置的供袋盘中有包装袋时， 取袋气缸伸出， 取袋真空阀接通， 利用真空吸盘将空袋从供袋盘中吸住， 待取袋真空开关检测真空度满足要求后， 气缸杆缩回， 回到取袋回位后， 送袋气缸缩回， 将空袋送入导向滚轮之间， 空袋由滚轮带至斜板;当空袋沿斜板下降并遮挡斜板下光电时， 托袋电磁阀与整形电磁阀接通， 托袋气缸伸出， 带动斜板上的托架托住袋子， 缓慢下降， 同时斜板两侧的整形气缸带动整形板向中间靠拢， 将空袋位置摆正。
托架托着袋子继续下降， 横进小车离开抓袋臂运动区域后， 抓袋阀通电， 抓袋臂向下动作， 到抓袋位置后， 抓袋真空阀接通， 抓袋真空吸盘吸住空袋， 并使抓袋阀断电， 抓袋臂抬起至垂直位置后， 完成一次抓袋。对于 PLC 事实扫描的信号， 若发生故障信息， 控制流程将按图 4 顺序处理。
4 实验效果
根据以上方案设计完成的包装机控制系统， 经过安装和调试， 通过空负荷运转和整机带料调试等实验环节的测试， 其复秤灵敏度为 ± 10g， 包装能力为800bags/h， 误差率低， 操作简便， 完全满足各项生产指标， 现已投产使用， 客户反映良好。
5 结语
实践证明， 在全自动化肥包装机包装控制单元应用 PLC 技术、 变频器技术及伺服驱动技术十分有效，其电控系统硬件结构简单， 软件编写方便， 易于调试，节省人力物力， 大大降低了整机故障发生率， 提高了工作效率及设备可靠性。

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