基于多控制器的包装生产线控制系统设计1

袋式包装广泛应用于化肥、食品、调味料、饲料、干燥剂、医药等，该包装形式深受各行业用户的欢迎。所谓袋式包装是一种利用比较柔软的包装材料制成包装袋，并填充流动性或半流动性物料的包装形式。目前，我国包装机大多普及了智能控制器或智能控制仪表。与德国、美国、日本等发达国家相比，国内包装行业存在包装产品规格单一、包装生产线功能单一、适应性不足等缺点，无法做到一条生产线共用多种智能仪表、关键部件可试用不同包装规格的要求。随着产品多样化、交货期日益缩短、生产利润日益减少等因素的影响，国内传统包装生产模式已无法满足社会发展的要求。为解决此问题，针对某产品不仅要大规模生产，而且需要对其进行包装、计数，所以设计一套全自动包装生产线就显得尤为重要[10]。近年来，一些学者在此方面做了一些研究，例如：姜卫国等提出包装生产线要满足市场需求，以模块化设计为主；徐丽萍等则以柔性部件为基础，构建广义模块化产品。全自动化包装生产线不仅能够提高包装效率、包装质量，而且可以降低工人的工作强度。将自动化技术与包装

机械相结合，提高其智能化、模块化、集成化水平有利于 推 动 我 国 包 装 行 业 自 动 化 程 度 向国际水平发展。在现有研究的基础上，文中以袋式包装生产线为研究对象，结合工控机、运动控制卡、PLC，整合生产线中各传感器、驱动器设计一种控制系统，并进

行可靠性分析。通过试验验证该控制系统的有效性。

1    袋式包装生产线

袋式包装生产线主要由放卷装置、封合与切分装置、喷墨打码装置、放袋和送袋装置、定量下料装置、自动计数器、控制器和人机界面等组成。工艺流程为：放卷装置将包装材料传送至热封合装置处，封边的同时可利用热封合装置上方的喷墨打码装置实现打码；根据光标际检测袋长利用切分装置实现分割；由吸盘拾取包装袋并通过送袋装置将包装袋放置在出料阀门下；物料经定量下料装置称量之后放入包装袋；经整理后，然后进行封口；通过传送带将成品传送至自动计数器。为提高包装生产线的灵活性、通用性、适用性，着重介绍如下几个模块。

1）封合与切分装置。为解决传统封合切分模块柔性不足的问题，文中利用光标定位、袋长认定、封合温度控制、封合间距调整等来实现不同规格的制袋功能。总体来说，封合装置主要由封合块、步进电机、热流体传热管等组成。其中封合块具有多组，大体可分为 2 类，即竖向封合块和横向封合块。竖向封合块可实现包装袋的边封或背封；横向封合块，可实现包装袋的上封、下封、切分。由于包装袋尺寸不同，所以封合块的间距可以自动调整。另外，不同包装袋材质对应不同封合温度，可通过上位机设定。包装袋规格和封合温度由上位机界面输入，PLC 则可以自动计算封合块的位置，进行光标定位、袋长确认，可将包装材料制成不同规格的包装袋，实现柔性制袋功能。

2）喷墨打码装置。该装置安装在封合切分装置

顶部的支架上，主要包括硬件系统和软件系统等 2 部分。其功能为根据包装袋规格，通过驱动板控制喷头开关和运动来实现整个喷墨打印过程。

3）放袋装置。放袋的前提是取袋，不过传统的

取袋系统功能比较单一，文中将真空吸盘设计成 3 吸盘的形式。3 个吸盘位于同一平面内，中间吸盘固定在导轨中间位置，两边吸盘可沿导轨移动。3 个吸盘的间距能够根据包装袋的袋宽进行调整，以适应不同规格的包装袋，故可提高取袋可靠性。

4）定量下料装置。该装置的主要部件是定量下

料器，其称量模块为失重秤。虽然包装材料的规格不同，但只要数量级相差不大，在可测量范围内，就不需要调整失重秤机械结构。根据生产要求，通过远程控制设定包装质量，失重秤即可实现定量下料功能。

2    控制系统设计

2.1    硬件设计

全自动袋式包装生产线结合工控机、运动控制卡、PLC 搭建控制系统，以便进行数据处理、信号监控、轨迹规划等，硬件结构见图 1。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 1    控制系统硬件结构

Fig.1Hardware diagram of control system

工控机主要负责人机界面管理以及工作过程实时监控。另外，工控机向运动控制卡发送控制指令；运动控制卡接收到控制指令，完成绝大多数运动控制，包括脉冲和方向信号输出、电机加减速控制、路径规划、信号检测、逻辑控制等。成袋装置和喷墨打码装置控制过程相对比较复杂，可使用 PLC 单独控制。运动控制卡向放卷、送袋、挑袋电机驱动控制器发送脉冲指令，完成各电机速度、方向控制；同时接收各电机伺服编码器的反馈信号，完成精确运动控制。运动控制卡接收称重传感器信号，并完成上料、下料控制；同时接收光电定位信号，实现取袋、封口控制以及接收计数信号，完成袋数统计。根据包装规格，PLC 控制成袋装置实现横封、纵封、切分等功能；控制喷墨打码装置实现喷头开关和运动控制。