基于PLC的模糊控制器在定量包装秤中的应用.pdf

l 匐 似 基于P L C 的模糊控制器在定量包装秤中的应用 Ap pl i cat i on o f quant i t at i v e pack agi ng m achi n e bas ed on PLC f u z z y cont r ol l er 张俊 。 ，李明 ZHANG J u n’ ． L I Mi n g 1 ． 南京工业大学 自动化与电气工程学院，南京 2 1 0 0 0 9 ；2 ． 常熟三禾精工科技有限公司，苏州 2 1 5 0 0 0 摘 要结合公司设计的D O S 一 2 5 包装秤 ， 介绍了定量包装秤的工作原理。设计了基于西门子P L C 和模 糊控制实现包装秤的自动控制系统，并且介绍了P L C 实现模糊控制定量下料的具体方法。实践 表明 ，该控制方式能够较好的实现精准定量包装，并且提高了该公司生产的包装秤的市场竞 争力。 关键词定量包装；模糊控制；P L C 中图分类号T B 4 8 6 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 4 0 5 下 一 O 1 1 0 0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 4 ． 0 5 下 ． 3 1 0 引言 随着现在生活水平 的提高 ，定量 包装 已经在 生产和生活 中无处不在 ，包括食品、化肥、饲料 等行业 。在定量称重环节中，一般 包括料仓 、加 料装置和秤体等部分组成 。定量精度在判断定料 包装机优劣 中是非常重要的一 个因素。然而在定 量包装 中，影 响定量精度的主要环节是加料装置 和秤体两个部分 。定量下料控制 中的误差并不能 完全被消除 ，特别是物料的冲击力以及 空中落料 的影响u 。目前 ，本公司大量 生产 的定量包装机 是在使用之前就已经设定好两个固定的速 度，包 括快加档和慢加档 ，在包装机工作过程中无法实现 精确的动态控制，只能按照提前设定好的电机速度 进行加料 ，导致生产的包装机无法使用在精度较高 的场合。根据公司的发展要求 ，对定量包装机进行 技术提升来提高定量包装精度，由于动态称重的被 控对象具有非线性特性 ，所 以本次设计中将模糊控 制的方法来应用于动态定量包装控制系统 。 1 定量包装秤的结构 图l 为本次设计 的定量包装秤的组成简图。本 次设计的包装秤能够包装各种颗粒和粉料，每袋包 装的容量是2 5 k g ，容许的误差在0 ． 2 ％，主要包括料 仓、称重装置、夹袋机构和 自动控制系统等组成。 加料仓采用 缓冲料仓 ，主要是为了提 供比较 均匀 的物料 。本次设计的包装机包装的物料 主要 是粉末物料 ，采用的加料方式是螺旋加料 ，通过 调节伺服 电机的转速来改变加 料速度的快慢 ，从 而来满足动态包装 的精度要求 。称重环节 中采用 的是托利 多生产的I L系列称重传感器，安装 在结 构的左侧，如图l 所示 ，将物料的重量转化为电信 号传送给控制系统。本次控制 系统 由西门子2 0 0 系 IJ P L C、U NI P UL S E 的F 7 0 1 称重显示仪表、电控箱 等组成 ，使整个包装机按照P L C编写的程序进行控 制 。硬件控制流程图如图2 所示 。 1 ． 除尘接管 ；2 ．气振动 ；3 ．缓 冲料 仓4 ． 蝶阀；5 呼吸帽 6 ． 伺服电机；7 ． 减速机 ；8 ．呼吸帽 ；9搅拌棒 ；l 0 ．螺杆 1 1 ．气缸 ；l 2 ． 涨袋装置 l 3 ． 称重传感器l 4 ． 托袋架 图1 定量包装秤组成简图 图2 硬 件控 制流程图 收稿日期2 0 1 3 -1 2 -1 8 作者简介张俊 1 9 8 9一 ，男，江苏宜兴人，硕士研究生，主要研究方向为包装机的自动化控制。 [ 1 1 0 ] 第3 6 卷第5 期2 0 1 4 0 5 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 匐 似 2 定量控制原理 本次对 包装机进行改造 的过程 中，定量控制 总体还是保 留二级加料 的加 料方式，即开始的时 候采用快加料 ，当到达设 定值 的约9 0 ％／ J 1 1 料量时， 改成慢加料 以满足称重精 度的要求。在刚开始的 时候 ，即定量称重误差 比较大 时，采用恒 定的快 加料控制 ，来满足 速度的要求；当称 重误 差小于 某一特定值 的时候 ，进行变 速模 糊控制 ，以保证 定量下料的精度。图3 为定量下料称重模糊控制 自 动控制系统 。 图3 自动控制 系统结构 图 在定量控制 中，称重传 感器检测到的电压信 号进入F 7 0 1 仪 表的放大、滤波等 电路 ，通过A／ D 转换 器 ，然后经过仪表 内部的控制器转换为重量 值 ，与设 定值 进行 比较得到偏差值 。在恒速快加 料 结束之 后，采用模糊控制算法计算 出在该偏差 下 的螺杆 的下 料量，通过 该下料量得出电机的驱 动量 。包装过程 中控制 螺旋 加料的电机 为伺服电 机 ，通过控制 电压值来控制 电机 的转速 ，从而来 控制螺旋下料的速度 。图4 为控制系统原理图。 I 7 0 1 内部处理 一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一一 图4控制 系统原理 图 3 模糊控制设计 图5 为模糊控制器的基本结构框图。控制器采 用工程上使用 比较成功的 二维模糊控制器 ，以实 际下料的重量与给定重量的偏差e 和偏差的变化率 e c 作为模糊控制器 的输 入 ，伺服 电机的转速作为 输出u 。 3 ． 1精确量模糊化 模糊化 的主 要作用是将输入 的精确量转化 为 模糊 量 ’ ” 。定 量下 料模糊 控制 系统 和一 般采 用 模糊控制的 系统还是有 区别的，区别就在于 定量 图5 模 糊控制基 本结构图 下料 系统是一个单 向逼近式的过程，也就是落下 的料 是不能 收回的 ，所 以偏差e 就无 负值 ，偏差 变化率e c 就逐渐 减少。针对设计 的包装机 ，理论 误差是0 2 5 0 0 0 g 。但是根据设计 的要求，在 刚开 始加料的时候采用恒速加料 的形 式，当偏差小于 1 0 0 0 0 g 的时候采用模糊控制的方法进行加料速度 的控制。偏差的模糊论域定为【 O ， l O ] ，对偏差较小 的这部分进行非均匀量化， 得 出偏差e 的模糊论域与 实际论域 的关系表如表1 所示 。偏差 的变化率的模 糊论域取值为[ 0 ， 8 ] ，经过 多次的测试，得 出模糊 论域与实 际论域 的关系表如表2 所示 。在包装过程 中，进行精确加料的过程一般 时间是比较短 的， 按照以前的慢加料精度加料的时间，一般 只有2 - 3 秒钟的时间，所以在设计的过程 中采用1 0 0 次／ 秒的 采样方式，从而提高采样率来提高精度 。 表1 偏差E 的实际论域与模糊论域的对应关系 偏差E 模 实际偏差 偏差E 模 实际偏差 糊论域 g 糊论域 g 0 0 ～ 4 0 6 1 2 0 0 ～ 1 5 5 0 l 4 0 ～ 8 0 7 1 5 5 0 ～ 2 6 0 0 2 8 0 ～ 1 8 O 8 2 6 0 0 ～ 4 2 0 0 3 1 8 0 ～ 3 2 0 9 4 2 0 0 ～ 6 0 0 0 4 3 20～ 55 0 1 0 6 0 00～ 1 0 00 0 5 5 5 0 ～ l 2 0 0 表2 偏差E c 的实际论域与模糊论域的对应关系 E C 模糊 实际偏差 E C模 实际偏差 论域 变化 g ／ s 糊论域 变化 g／s 0 0～ 5 5 75， ～1 1 0 l 5～ 1 5 6 1 1 0～ 1 6 0 2 1 5 ～ 3 0 7 l 6 0 ～ 4 0 0 3 3 0 ～ 5 0 8 4 0 0 4 5 0 ～ 7 5 3 ．2 模糊控制规则 在本次设计 中，要想使模糊控制能否能够精 确地 控制定量包装机 的下料过程 ，那么关键的地 第3 6 卷第5 期2 0 1 4 0 5 下 1 1 1 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、l 匐 似 方就是看选取 的模糊控制规 则是否合适 。控制量 U的模糊论域为[ 0 ， l 0 】 ，其中0 档所代表的就是转速 最慢 ，1 0 档所代表的就是转 速最快 。根据推理规 则 ，经过试验 测试，进行 多次调整 ，得到 的模糊 控制表如表3 所示。 表3 模糊控制规则 U EC 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0 O 0 0 O 0 0 0 0 1 1 1 1 l l 0 0 0 0 2 2 2 2 1 l 1 1 l 1 3 3 3 2 2 2 2 1 l 1 4 3 3 3 3 3 2 2 2 2 E 5 5 4 4 4 4 4 3 3 3 6 5 5 5 5 5 4 4 4 4 7 6 6 5 5 5 5 5 4 4 8 6 6 6 6 6 5 5 5 5 9 7 7 7 6 6 6 6 5 5 1 0 8 8 8 8 7 7 7 6 6 3 ． 3控制量反模糊化 上面所得 到的控 制量是模糊量，但 是实际控 制下料快慢 的是精确量 ，所 以要得到实际的精确 控制量 。在定量下料装置 中，控制下料的是伺 服 电机 ，伺服 电机 中使用速度控制模式，1 0 V所对 应伺服 电机 的速 度是最快 的。伺服 电机对应的 电 压范围是0 1 0 V，模糊论域为【 0 ， 8 】 ，所以实际控制 量与模糊控制量的对应关系如表4 所示 。 表4 控制量 U的模糊论域与实际论域的对应关系 4 模糊控制算法的P L C 实现 在本次的定量 系统改造 中，硬件方面采用 的 西 门子公 司S 7 2 0 0型P L C u ⋯ 。模糊算法的设计流 程如图6 所示 。 在这次程序设计 中，结合现场采用模糊控制 查询表的方法，对离线已经设计好 的控制表进行 查询 。这个在P L C实现模糊控制中是非常关键的步 骤 。根据程序图 中所示 ，将采样到已经量化过 的 偏差E、偏差变化E c 分别放在了VW1 0 4 和VW1 0 6 中。将偏差E的模糊论域 放在Vw l 1 O 开始的连续 1 1 个数据寄存器 中，偏差变化E c 的模糊论域放在 V W1 3 2 开始的连续9 个数据寄存器中。将V W1 0 4 中 【 1 1 2 1 第3 6 卷第5 期2 0 1 4 - 0 5 下 图6 P L C 模糊 算法 的流程 图 的数据和Vw1 1 O 开始的1 1 数据寄存器 中的数据相 比较，并且将V W1 0 6 中的数据和V W1 3 2 开始的9 数 据寄存器 中的数 据相比较 ，若 和某个数据寄存器 中的数据相同，所对应的中间继电器 II M0 ． 0 置 1 。根据 中间继 电器 的状态将查询的输 出值送 入数 据寄存器VW4 0 0 中。实现的部分程序如下所示。 S T L部分程序图 LD 1 0 ． 0 LPS AW VW 1 0 4． VW 1 1 0 M 0． 0 LRD AW VW 1 0 4， VW 1 1 2 M 0． 1 LRD 【 下转第1 1 9 页】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 析【 J 1 ． 机械设计， 2 0 0 8 ， 2 5 1 6 2 6 7 ． [ 3 】尹辉俊， 杨平辉， 金剑， 潘宇， 何云峰． 高架桥式龙门数控雕 铣机的动态特性研 究【 J 】 ． 机械设计 与制 造， 2 0 1 2 ， 0 7 ． [ 4 】金 新， 尹 辉 俊 ， 张 丽 娜 ． 基于 NX Na s t r a n 的有 限 元分 析 在专用螺纹加工机床设计中的应用【 J 】 ． 机械设计与制 造， 2 0 1 1 ， 1 1 ． [ 5 】叶文 龙， 尹 辉俊 ． 某 型轿车 后轴 的强度 分析 [ J 】 _ 机械设 计 与制造， 2 0 1 3 ， 0 4 ． 【 6 】6 黄鹤辉， 于永泽， 尹辉俊． 装载机支撑轴新工艺的数值模拟 及工艺改进[ J ] ．机 械设 计与制造 ， 2 0 1 1 ， 0 1 ． 【 7 】陈传尧 ． 疲 劳与 断裂[ M】 ． 武汉 华 中科技大 学出版 社， 2 0 0 2 7 1 ． 8 5 ． [ 8 】刘 鸿 文 ． 材 料 力 学 【 M】 ． 4 版 ． 北 京 高 等 教育 出版 社， 2 0 0 4 3 6 ． 【 9 】陈海， 洪桓桓， 陈正康， 等． 某乘用车后轴冲击分析[ J ] ． 汽车 实用技术， 2 0 1 1 , 7 ． 【 1 0 】 张 安哥， 朱成 九， 陈梦成 ． 疲劳 、断裂 与损伤 【 M】 ． 成都 西 南交通大学出版社， 2 0 0 6 2 5 ． 2 9 ． 矗‘ {蠢● 蠡‘ 矗‘ 重‘ 量‘ 矗‘ ●童‘ 矗‘ 盘‘ 岛‘ 蠢‘ ●出‘ 矗‘ 矗‘ 蠡‘ 矗● 蠡‘ 矗● 蠡‘ 蠡I r 血． 矗‘ 量‘ 【 上接第1 1 2 页】 AW VW 1 0 6， VW 1 44 M 2． 6 LRD AW VW 1 0 6 ． VW 1 46 M 3 ． 0 LD M 0． 0 A M 2 ． 0 M 0VW VW 1 5 0 ． VW 4 0 0 LD M 0． O A M 2． 1 M 0VW VW 1 52 ． VW 40 0 LD M 1 ． 3 A M 3． 2 M oVW VW 3 4 8 ． VW 4 0 0 5 结论 本 次为公司进行技术 改进过程 中，针对动态 称重过程 中存在 空中落 料和物料冲击等非线性特 性 ，将西门子P L C 实现模糊控制运用于定量称重 系 统上 。经过多次 测试 ，在保证 1 6 0 包／ h 的速度基础 上将精度提 高到0 ． 2 ％。将P L C来实现模糊控制 比 其他控制器 实现定量 包装能满足适 应能力强来运 用于环境 比较复杂 的工厂环境 。本次设 计得到了 公司的一致认 可，将控制算法稍加改动就可以应 用于公司其它的定量包装设备中。 参考文献 ⋯ 1 孙晓， 周浩． 基于P L C 的样品煤定量包装控制系统设计【 J ] ． 包装工程 ， 2 0 1 1 ， 3 2 2 1 7 6 7 8 ． [ 2 ]2 崔英欣 ． 用软 件方法 提高 定量 包装秤 精度 和速度 [ J ] _ 衡 器 ， 2 0 1 0 ， 3 9 6 1 2 1 7 ． 【 3 】高鹏， 周一届． 螺杆式粉料计量包装机粉料流动分析与数 值仿真 [ J ] ． 包装工程， 2 0 1 0 ， 3 1 7 7 9 8 2 ． [ 4 ]戴亦宗， 赵德安． 基于模糊控制的太阳能追光系统[ J 1 ． 仪 表技 术与传感器， 2 0 1 2 ， 9 6 6 ． 6 8 ． 【 5 】孙云辉， 王钊， 肖威 ， 匡永江． 基于P L C的离心风机模糊控制 系统设计与实现[ J ] ． 制造业 自动化， 2 0 1 1 ， 3 3 5 1 2 3 ． 1 2 4 ． 【 6 】陈思． 模糊控制理论在锅炉给煤量控制中的应用[ J ] ． 煤炭 技术， 2 0 1 3 ， 3 2 8 2 1 4 ． 【 7 】马丽娟． 模糊控制算法在定量包装机中的应用【 J 】 ． 包装工 程， 2 0 1 3 ， 3 4 1 9 2 9 4 ． 【 8 ]乔铁柱， 闫来清． 模糊P I D控制及在恒压供液系统的应用 [ J ] ． 煤炭工程， 2 0 1 l ， 1 0 9 5 9 7 ． 【 9 】赵海 涛， 刘振兴 ． 基于P L C的发电机转子 内冷水模 糊控制 系统 [ J ] ． 自动化与仪表， 2 0 1 3 ， 3 3 6 4 0 ． 【 1 O 】 谢 国强， 徐 文尚， 刘洪霞， 庄艳艳． 基于S 7 2 0 0 P L C的 白炭黑 反应 釜 自动 控制 系统的设计 [ J 】 ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 0 ， 1 2 l 1 】 ． 】 】 2 第3 6 卷第5 期2 0 1 4 0 5 下 【 1 1 9 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m