基于雙傳感器的枕式包裝機速度自動調節系統*

劉英會，張宗彩

(1.朔州職業技術學院能源與資源工程系，山西 朔州 036000；2.西北工業大學機電學院，陜西 西安 710072)

人們對食品的安全、質量以及包裝美觀性要求越來越高，并且包裝自動化[1]、包裝工藝、包裝機械等行業快速發展[2-3]，其中包裝機作為相應的配套設備發展較快，現在的包裝機類型包含枕式包裝機、立式包裝機、信封式包裝機等。但是我國包裝技術發展時間短，技術不夠成熟，存在包裝產品種類少、通用性差、效率不高、自主創新能力差等諸多缺陷，導致我國每年花費大量資金購買國外的先進設備和技術。其中枕式包裝機的速度控制效果差的主要原因是無法根據物料的位置和溫度實時自動調節速度，導致產品包裝破損率高等問題。因此，相關學者深入研究了該問題，并且取得了成果。

文獻[3]提出并設計了基于物料流量的帶式輸送機變速節能控制的調速策略與算法，該研究采用多項式回歸擬合算法和少量樣本觀測建立了帶式輸送機的節能帶速模型，提出了基于物料流量的帶式輸送機變速節能控制的調速策略和粒子群優化比例積分微分算法。該控制策略和算法根據物料流量的變化精確調整帶式輸送機的運行速度。但是該方法存在調節響應時間長的問題。文獻[4]提出并設計基于雙模糊的比例-微分-積分控制器(Proportion Integration Differentiation，PID)的枕式包裝機材料供送速度控制方法，利用模糊化處理控制器內的速度輸入信號，利用加權平均判決法反模糊化處理模糊語言集，形成可識別數值，結合模糊控制自適應調整PID 控制參數，形成雙模糊PID 控制方法對可識別數值進行控制，實現機械的速度控制，但是該方法存在超調量大的問題；文獻[5]提出并設計自動化包裝機械運行速度智能控制系統，該系統劃分為運行模塊、操作顯示模塊以及控制模塊，針對三個模塊進行了元件選型，并且將自動化包裝機械的調速信號輸入到變頻器，通過變頻器控制包裝機械的運行速度，并且設計自動化包裝機械運行速度檢測程序，構建基于離散時間差分模型的速度控制方法，實現自動化包裝機械運行速度的控制，但是該方法達到穩態耗時長。

為了改善上述問題，并且針對枕式包裝機，開發并設計了基于雙傳感器的枕式包裝機速度自動調節系統，該系統應用了位置傳感器和溫度傳感器，結合PLC 主控制器[6]，完成了速度自動調節。

1 枕式包裝機速度自動調節系統

1.1 速度自動調節系統工作原理

在傳統包裝機速度調節系統的基礎上，結合實際工作需要，設計了新的枕式包裝機速度自動調節系統，速度自動調節系統工作原理框圖如圖1 所示。

圖1 枕式包裝機速度自動調節系統整體原理框圖

根據圖1 可知，本文設計的枕式包裝機速度自動調節系統整體的工作原理主要涉及包裝控制與傳動定位模塊、產品包裝信息顯示與操控、信息采集等，調節系統首先傳輸產品包裝的材料、模等，根據運行速度控制匯總的三相異步電機控制初始速度，在經過位置和溫度信息采集后，反饋給包裝控制與傳動定位，通過該模塊命令驅動伺服系統，進一步調節枕式包裝機械的速度，從而實現高質量產品包裝。其中包裝控制與傳動定位采用的硬件是系統PLC主控制器，信息采集采用的硬件是兩個傳感器，分別為溫度傳感器和位置傳感器，產品包裝信息顯示與操控采用的硬件主要是系統人機交互界面、顯示器等。

1.2 速度自動調節系統硬件設計

現有的自動化枕式包裝工藝機械通常采用PLC和伺服驅動裝置控制其運行速度，工作過程穩定，但是速度控制精度低[7]。因此，為提高速度控制精度，在原有系統的基礎上，速度自動調節系統采用溫度傳感器和位置傳感器作為信息采集裝置，將溫度和位置參數作為枕式包裝機速度調節的主要參數，優化了傳統系統，實現雙傳感器參數調節，從而使速度調節得更加準確，并且結合歐姆龍公司生產的PLC 可編程邏輯控制器作為其包裝機速度自動調節系統主控制器，與人機交互界面[8]、伺服控制系統等相互配合，使得自動化包裝工藝機械具有強抗干擾性能、高可靠性、高包裝效率、高準確定位、高封裝精度。

根據上文可知，該系統的主控制器為PLC，并與伺服驅動、溫度傳感器、位置傳感器、電源等組成調節系統，具體硬件設計如下:

①枕式包裝機速度自動調節系統硬件

系統送、出料的硬件是三相異步電機，運行速度控制是初步速度控制，該步驟由系統變頻器完成，而后續的速度控制由驅動伺服系統實現，由系統伺服驅動器、系統伺服電機構成，系統其他組成為主要控制部分，下面詳細設計說明。

②系統PLC 主控制器的I/O 分配

包裝控制與傳動定位采用歐姆龍公司生產的型號為CP1H-XA40DT-D 的PLC 作為包裝機速度自動調節系統的主控制器，其I/O 接口數量充足，無需采用連接擴展模塊，除此之外，控制系統還利用PLC主控制器的模擬輸入輸出接口向系統變頻器傳輸控制指令。

③系統人機交互設計

產品包裝信息顯示與操控設計，即系統人機交互設計。系統PLC 主控制器的I/O 分配提供了可觸摸的人機交互界面，在設計過程，充分考慮了其與實際操作按鍵之間的對應關系，因此，產品包裝大部分操作指令可以通過觸摸人機交互界面直接完成[9-10]。圖2 為系統人機交互界面邏輯功能圖。

圖2 系統人機交互界面邏輯功能圖

④溫度、位置傳感器的速度自動調節方法

系統的信息采集主要是采集產品包裝的溫度和位置。因此，枕式包裝機速度自動調節系統安裝了溫度傳感器和位置傳感器，傳統包裝機僅單一地通過溫度或者位置調節包裝機的速度，但是單一的模式無法達到精準調節速度，導致速度過快或者過慢，從而包裝破損率高，因此，通過溫度傳感器和位置傳感器實時采集產品的位置信息，并且將溫度和位置信息傳輸至主控制器，控制器根據雙傳感器反饋的信息，實時控制變頻器和伺服驅動器，從而自動調節枕式包裝機速度，雙變量調節速度更加準確。圖3給出了基于雙傳感器的枕式包裝機速度自動調整流程。

圖3 溫度、位置傳感器的速度自動調整流程

①系統變頻器輸出控制

包裝機速度自動調節系統包含正轉、反轉和停機三個動作。采用模擬量無極調速方法控制伺服電機和變頻器的三個動作。因此，該系統具備2 個輸出變量。

②系統指令輸入

包裝機速度自動調節系統電機對應單獨的旋轉編碼器，用戶輸入控制需求，系統根據控制需求，結合位置傳感器采集的產品位置數據，發出指令信號進行原點定位運動，并且旋轉編碼器也獲取轉速信息并輸出數據，閉環調節包裝機速度。假設X1和X2分別表示系統的位置控制上下界限值，C1和C2分別表示系統的溫度控制上下界限值，位置和溫度與原點0 的差值通過傳動比系數轉換成信號脈沖數量n1、n2。在雙傳感器獲得包裝指令時，枕式包裝機執行相應操作。

系統脈沖寬度信號PWM 輸出時頻率指令值和系統變頻器中轉速計算公式分別如下:

式中:f表示系統輸出指令信號頻率；s表示系統旋轉編碼器轉差率；p表示磁極對數。

③速度自動調節

系統采用SPED 指令調節枕式包裝機速度，設產品包裝盒長度為S，通過溫度傳感器和位置傳感器實時采集的溫度和位置信息，結合包裝盒長度S，自動調整電機的速度。

2 速度自動調節系統軟件設計

枕式包裝機速度自動調節系統采用歐姆龍公司生產的CX-Programmer 型號PLC，其能夠完成用戶程序的構建、編輯、檢測、調試、維護以及實時監控等功能。PLC 主控制器編程軟件包含三種不同編程語言，通過編程語言，結合溫度傳感器和位置傳感器，在相應的Windows 環境下設置枕式包裝機速度自動調節系統的參數，通過控制產品包裝的溫度和位置，自動調節包裝機的速度，從而使產品保持在合適位置進行包裝，并且便于系統人機交互界面的操作[11-12]。圖4 給出雙傳感器的枕式包裝機速度自動調節系統軟件工作流程圖。

圖4 速度自動調節系統軟件工作流程

完成速度自動調節系統軟件工作流程設計后，設計速度自動調節算法。溫度和位置傳感檢測如圖5所示。

圖5 溫度、位置傳感檢測

根據溫度傳感器和位置傳感器檢測采集的信息，自動調節速度，因此，溫度傳感器和位置傳感器是基礎，而上述已經通過溫度和位置傳感器采集的信息初步調節了枕式包裝機速度，但是此時的速度調節還無法達到高精度自動調節，因此，優化速度調節方法，通過溫度和位置參數同時調節速度。匹配包裝電機和傳送帶電機速度，達到精準配合的目的。包裝盒實時位置為(x0，y0，z0)，根據位置坐標獲取包裝盒與定位原點(0，0，0) 的實時距離L0＝，從包裝盒到包裝帶存在空行程，因此，為了降低材料損耗，通過調節速度控制距離。根據相等時間原則，獲得下式:

式中:L1表示待包裝物的高度；V1表示枕式包裝機傳送帶速度；V2表示包裝行走速度。

輸送帶電機與封端電機速度匹配，此時考慮包裝操作需要包裝溫度在合適范圍內，因此，加入溫度參數，采用相同的等時間原則，包裝盒傳輸到封端位置的時間:

式中:L2表示端封的距離，該數值為包裝盒端封點位置至定位原點位置的距離；C表示溫度傳感器采集的實時溫度；κ表示溫度轉換系數。

通過控制電機實現枕式包裝機速度自動調節，其中伺服電機的轉動由速度輸出指令SPED 命令控制，而電機的轉數由脈沖個數控制，電機轉速由脈沖頻率決定，脈沖頻率為1 Hz＝1 脈沖/s，加減速單位為Hz/ms。

枕式包裝送料等步驟的行走速度相等，完成一個包裝的時間t1＝60/P，P為生產效率。

在P和S已知的條件下，則有:

至此完成速度匹配，但是枕式包裝機還涉及角速度，因此，進一步優化速度自動調節方法。根據齒輪傳動原理可知:

轉換式(6)，求解ω3可得:

式中:a1、ω1表示枕式包裝機主動中心的齒輪齒數和角速度；a2、ω2表示枕式包裝機內部的齒輪齒數和角速度；ω3表示軸套輸出角速度。由上式可知，輸出角速度受輸入機構角速度和齒輪的影響，一般ω1是定值，ω2的數據和方向受伺服電機影響不確定，因此，ω3存在以下情況:

根據上述公式，確定速度變化量，從而實現速度自動調整，得到公式為:

式中:Δω表示ω2與ω3相減的絕對值；Δt表示糾差時間；ΔL表示L2減去L0的絕對值；ΔC表示C3減去C的絕對值；R表示運動半徑；

至此完成基于雙傳感器的枕式包裝機速度自動調節，實現速度調節，從而提高包裝機的工作效率。該方法與傳統方法的不同在于其采用了溫度和位置雙參數調節速度，從而實現枕式包裝機械速度高精度調節。

3 實驗

3.1 實驗方案

設置系統性能測試開始時間和結束時間分別為0 s 和400 s。實驗采用對比分析的形式測試設計系統的性能，對比系統分別為文獻[3]和文獻[4]系統。實驗方案，首先明確研究對象，其次，介紹實驗參數，最后分析設計系統的性能。

3.2 實驗準備

實驗研究對象為中云枕式包裝機，如圖6 所示。

圖6 枕式包裝機

具體參數如表1 所示。

表1 實驗參數設置

設計的主控制器如圖7 所示。

圖7 主控制器

溫度、位置傳感器如圖8 所示。

圖8 溫度、位置傳感器

3.3 實驗性能分析

如圖9 所示為文獻[3]系統、文獻[4]系統和研究的速度自動調節系統的調節響應曲線。

圖9 三種不同系統的調節響應曲線變化情況對比

從圖9 的對比試驗結果中可以明顯看出，文獻[3]系統的枕式包裝機進入穩定狀態的耗時較高，其在300 s 以后才達到穩定的振幅1 V，而文獻[4]系統的枕式包裝機在200 s 左右時，出現超調量極大的情況，后續雖然有所降低，但是其比文獻[3]系統進入穩定狀態的時間還長，在350 s 時達到穩定狀態，而應用設計系統的枕式包裝機在20 s 左右，振幅達到了1 V，系統進入穩定狀態，后續未出現明顯波動，從三種系統進入穩定狀態的耗時比較可知，設計系統的耗時最低，僅為20 s，與文獻系統相比，分別降低了280 s 和330 s，該枕式包裝機速度自動調節系統不僅縮短了響應時間，而且穩態誤差最小，實現了高精度控制。這是由于設計系統采用了雙傳感器，實時自動調整速度，提高了包裝精度。

檢驗系統的性能優劣，選取大、中、小三種尺寸的產品進行包裝，如圖10～圖12 所示分別給出了采用文獻[3]系統、文獻[4]系統和研究開發并設計的基于雙傳感器的枕式包裝機速度自動調節系統獲得的不同尺寸產品包裝破損率對比結果。

圖10 三種不同系統對小尺寸產品的包裝破損率對比

圖11 三種不同系統對中等尺寸產品的包裝破損率對比

圖12 三種不同系統對大尺寸產品的包裝破損率對比

根據圖10～圖12 的對比結果可以清楚地看出，采用文獻[3]系統、文獻[4]系統和設計系統調節小和中尺寸產品的枕式包裝機速度，獲得的包裝破損率相差不大，而大尺寸產品包裝的破損率有所下降。三種系統中，設計系統的包裝破損率在不同尺寸的產品包裝中，均變現良好，其整體的包裝破損率低于7.5%，而文獻[3]系統和文獻[4]系統僅在大尺寸產品包裝中的破損率低于8.0%，而其他尺寸的包裝破損率均隨著測試時間的增加而增加，最后達到了22.5%以上，該包裝破損率遠遠高于設計的系統，并且在圖中可知看出，文獻系統的包裝破損率的增幅明顯大于設計方法，從破損率分析可知，設計系統的包裝破損率降低了15.0%以上，該系統有效調節了枕式包裝機的速度，從而降低了包裝破損率。這是因為設計系統時，采用了雙傳感器，通過溫度和位置參數同時調節設備的速度，達到雙約束目的的同時，提高了工作效率，從而設計系統可以表現出更佳的包裝性能。

4 結論

針對枕式包裝機速度調節系統存在進入穩態時間長、包裝破損率高的問題，開發并設計了基于雙傳感器的包裝機速度自動調節系統。該系統應用了溫度傳感器和位置傳感器，采用雙參數自動調節枕式包裝機的速度。系統性能測試結果顯示，設計系統縮短了響應時間，而且降低了包裝破損率，實現了包裝機速度高精度、可靠控制。設計系統的成功開發、投產和使用有利于促進我國包裝機械行業技術水平的進步，保證我國包裝機械行業的健康、穩定、可持續發展，同時為人們日常生活用品的發展提供強有力的配套支持。