基于PLC的试剂精密定量封装控制系统开发.pdf

第 1 0期 2 0 1 3年 1 0月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i ne To o l Aut o m a t i c M a nuf a c t ur i ng Te c hn i que NO． 1 0 oc t ．2 0 1 3 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 3 1 0 0 0 8 0 0 3 基于 P L C的试剂精密定量封装控制系统开发 王 家 寅 ， 冯 显 英 ， 王 晓 彬 山东 大学 机械 工程 学院 ， 济南 2 5 0 0 6 1 摘 要 在 分析 现行 各种粉 末 填充 方式和 装置 基础上 ， 依 据食 品安 全检 验 需 求 ， 研发 了一种 用于食 品安 全检测 用 的基 于 P L C的试 剂精 密定量 封装控 制 系统 。重 点介 绍 了试 剂封装控 制 流程 ， 硬 件 系统 以及 软件 系统 的设计 。该 系统 以三 菱 P L C作 为控 制核 心 ， 实现试 剂封 装机 自动 上料 、 定量控 制 、 精 密封 装 的功 能。 已经成 功应 用 于以试 剂 P S A为样 品的 产品 ， 误 差控 制在 2 ％ 以 内。 关键词 粉 末试 剂 ； P L C； 定量 ； 精 密 中 图分 类 号 T H 1 6 5 ； T G 6 5 9 ； T P 2 7 8 文 献标 识码 A De v e l o p me n t o f Pr e c i s e Qu a n t i t a t i v e P a c k a g i n g Co n t r o l S y s t e m f o r Re a g e n t Ba s e d o n P LC W ANG J i a ． y i n，FENG Xi a n． y i n g．W ANG Xi a o - b i n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S h a n d o n g U n i v e r s i t y ， J i n a n 2 5 0 0 6 1 ，C h i n a Abs t r a c t Ba s e d o n t he a n a l ys i s o f t h e c u r r e n t k i n ds o f p owd e r f i l l i n g mod e a n d de v i c e，a c c o r d i n g t o t h e r e qu i r e me n t s of f o o d i ns pe c t i o n o n s a f e t y，d e v e l o p e d a k i n d of r e a g e n t p r e c i s e l y q ua n t i t a t i v e p a c k a g i n g s ys t e m ，wh i c h i s u s e d i n f o o d’ S s a f e t y t e s t i n g a n d b a s e d o n t h e P LC．Th i s a r t i c l e f o c us e s o n t h e pa c k a g i ng c on t r o l p r o c e s s o f r e a g e n t a n d t h e d e s i g n o f ha r d wa r e s y s t e m a n d s o f t wa r e s ys t e m．W i t h t h e Mi t s u b i s h i PLC a s c o nt r o l c o r e，r e a l i z e t h e r e a g e n t p a c ka g i n g m a c h i ne a u t o ma t i c f e e d i n g，q u a n t i t a t i ve c o n t r ol a nd pr e c i s e l y p a c ka g i n g．I n f a c t ，us i n g the r e a g e n t PSA a s s a mp l e，t h e t e s t i n g ma c h i n e ha s s u c c e s s f ul l y p r o du c e d p r o du c t s．e r r o r c o n t r ol l e d wi t h i n 2％ ． Ke y wo r dsp o wd e r r e a g e n t ；PLC ；q u a n t i t a t i ve；p r e c i s e 0 引言 现行 的粉 末充 填方 式 主 要有 容 积 式 充 填 、 称 重 式 充填 、 计 数 式 充 填 ⋯ 。传 统 容 积式 填充 主 要 以 机 械设备为主 ， 适合 于准确 的固体粉料或稠状 物体填 充 ， 对 于无粘 性粉 末 的充 填 则达 不 到 精度 要 求 ； 称 重 式 充填 可 以达到 较高 的精 度 ， 但 其 称 重 比较 复 杂 ， 因 而速度较慢 ； 计数式充填 只适 合于颗粒等体积较大 的物体 ， 不适合粉末充填 。目前 国内对无粘性粉 末 试剂 的填 充 普 遍 采 用 人 工 填 充 方 式 ， 产 品 质 量 参 差 不齐 ， 生产 效率 低 ， 生 产成 本高 。 为 了实 现 无 粘 性 粉末 试 剂 的 自动 填 充 ， 研 发 了 一 种 基于 P L C精 密定 量控 制 系统 的试 剂 封装 机 。该 系统 基于容 积 式 填 充 方 式 ， 通 过 现 代 精 密 步 进 控 制 技 术并 配合 精 确 灵 巧 的螺 旋 供 料 机 构 ， 实 现 试 剂 精 确定量填充 。试剂封装机通过计算机数字控制 以及 合理 的机 械结 构 设 计 ， 实 现 了精 确 的定 量 试 剂 全 自 动封 装 。该 机 主 要 应 用 于食 品 药 品 检 测 、 医 学 研 究 等科 学领 域 。其 控 制 系 统包 括触 摸 屏 、 P L C 、 步 进 电 机等。其 中， 触摸屏为用户提供简单清晰 的操作界 面 ， 实现试 剂 选 择 、 填 充 、 封 装 等 设 置 功 能 ； 相 比 P C 或单 片机 ， P L C作 为 控 制 核 心 ， 开 发 周 期 短 ， 系 统 稳 定性高 ， 抗干扰性强 ； 步进控制技术的使用则为试剂 进 给和填 充 提 供 精 确 定 量 控 制 。整 个 系 统 运 行 平 稳 、 定位 准确 、 封装精 密 、 操 作 简单 、 控制灵 活 。 1 试剂封装控制流程 开发 的试 剂封装 机 主体结 构如 图 1 所 示 。 B ． 试管 C ． 触摸屏 D． 过滤片 F ． 过滤片上料器 J ． 产品收集桶 图 1 封 装 机 主 体 结 构 示 意 图 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 0 3 ； 修 回日期 2 0 1 30 5 0 3 作者 简介 王 家寅 1 9 9 O 一 ， 男 ， 浙江温州人 ， 山东大学机械工程学院硕士研究生 ， 研 究方向为智能检测 与控制 ， Ema i l p r i n c e s d u 1 6 3 ． e o m； 通讯作者 冯显英 1 9 6 5 一 ， 男 ， 山东济宁人 ， 山东大学 机械工程学 院教授 ， 博士 ， 博 士研究生导 师 ， 研究领 域为数字化 制造 、 智能检测与控制等 ， E ma i l f x y i n g s d u ． e d u ． c a 。 2 0 1 3年 1 O月 王 家寅 ， 等 基 于 P L C的试 剂精 密定量 封装 控制 系 统开发 8 1 试 剂 封装 机 主体结 构 由工作 台 、 试 管上 料装 置 A、 过 滤 片密 封装 置 E和 ， 、 试 剂 进 给装 置 G、 产 品 收 集 装 置 组成 。其 中 ， 试 剂 进 给 装 置 G实 现 试 剂 的 精 确定 量控 制 ； 过滤 片 密封 装 置 E实现 过 滤 片 密封 。 其工 作 流程 如 图 2所 示 。 匝 l 匾 图 2封 装 机 工 作 流 程 图 3为研 制 的全 自动 试剂 封装 机 实照 。 图 3试 剂 封 装 机 基 于 P L C的试剂 精密 定量 封 装控 制 系统 实现 了 下列 主要 功 能 。 1 精确 定 量 控 制 以 克 为单 位 ， 可 通 过 触 摸 屏 进 行 试剂 定 量 设 置 ， 精 确 供 料 机 构 实 现 试 剂 填 充 质 量 误 差在 2 ％ 以内 。 2 精 密封 装 合理 的程 序 控制 和 精 密 的机 械 结 构 ， 实现过 滤 片 的精密 封装 。 3 在 线 实 时 调 整 在 不 停 机 的情 况 ， 根 据 抽 查 结果 ， 通过改变触摸屏脉冲数设定 ， 实现定量微 调 ， 并 自动覆 盖原 先数 值 。 4 灵 活选 择 与增减 试 剂种 类 用 户 可根 据 生 产 需 求 通过 触摸 屏灵 活选 择 与 增减 试 剂 种 类 。新 试 剂 可通 过手 动测 试 ， 得 出最 佳 脉 冲数 并 记 忆 结 果 ， 下 次 填 充 直接 调用 。 5 历 史记 录查 询 用 户 可 通 过 P C查 询 更 新 的 历史记录， 包括生产速度、 周期、 目标等参数 。 2硬件 系统设计 系统 硬 件 主要 由三 菱 P L C、 触 摸 屏 、 传 感 器 、 步 进 电机和 步进 驱动 器组 成 。 2 ． 1 PLC选 择及 端 口分配 根 据 系统 工作 流程 和 步 进控 制 功 能 以及 触 摸 屏 通 讯要 求 ， 选 用 具有 高速 脉 冲输 出功 能且 支 持 MO D B U S的协议 的 P L C 。故 选用 型 号为 F X 2 N 8 M T的三 菱 晶体 管 型 P L C， 其 中 Y 0和 Y 1为 P L C高 速 脉 冲 输 出 口 7 3 。依 据试 剂封 装机 动作 流程 要 求 ， P L C的 I ／ O 端 口定 义及 分 配如表 1 所 示 。 表 1控制 系统 I ／ O分配表 P L C地址 电气符 号 序号 功能说 明 I ／ O 面板 l X 0 O 1 S Q 0 1 1 试管检测 2 X 0 0 2 S Q O 2 3 试管检测 续 表 P L C地址 电气符号 序 号 功能说明 I ／ O 面板 3 X 0 0 3 S Q 0 3 5 试管检测 4 X 0 0 4 S Q 0 4 7 试 管检测 5 Y 0 0 0 P U L一 步进 电机脉 冲 6 Y 0 0 2 D I R一 步进 电机方 向 7 Y 0 1 6 K A 1 O 旋转气缸开关 8 Y 0 2 2 K A 2 2 粉末搅拌 电机 2 ． 2定量 控 制设计 试剂 的定 量填 充是 指通 过 步进 电机接 收 P L C输 出的脉冲当量 ， 精确控制螺旋供料机构供料 。试剂 的 多少取 决 于 P L C输 出 的脉 冲 当量 ， 故 该 系 统 在 不 需要 流量 检 测 就 能 达 到 较 精 确 的定 位 ， 获 得 较 高 的 控制 精度 。 根据 实 际 情 况 ， 选 择 5 7 H S 2 2型 混 合 式 步 进 电 机 ， 步距 角为 1 ． 8 。 ， 保 持转 矩 为 2 ． 2 N M， 额 定 电流 为 4 ． 0 A， 能满 足生 产要求 。选 择低 速 串联接 法 ， 电路 接线 如 图 4所示 。 蓝B L UA _ _ 、／＼ 红R E D A 8 L E AD S 1 黄Y E I _ _ 、 ＼ ／ 绿G R N f I B B D D BRNB LKCRGW HT 棕黑橙白 图 4电 机 接 线 图 根 据步 进 电机型 号选 择 D M 5 5 6型 步进 电机驱 动 器 ， 可 以设 置 5 1 2内 的任 意 细 分 以及 额 定 电 流 内 的 任 意电流值 ， 能够满 足大 多数场合 的应 用需求 。 P L C 、 步进 电机 与步进 电机驱动 器 连线如 图 5所示 。 P L C U V DM5 5 6 F X2 N CO M 1 ’R 2 k Y0 ． [ 卜 P UL 一 ． Y1 R 2 k ‘ P UL Y2 [ 卜 DI R一 ‘ Y3 DI R ． C0M2 G N D I 直流电源[ 2 4 V 图 5控 制 接 线 3 软件 系统设计 3 ． 1控 制流 程 根 据实 际 生 产 情 况 和 系 统 硬 件 的分 析 ， 试 剂 定 量 控制 系统 工作 流程 如 图 6所示 。 3 ． 2人 机 交互界 面设 计 为了方便 实际生产和试验 ， 该 系统采用 了触摸 屏作为输 入设备。触摸屏界 面设计 了开机界面、 自 动 界面 、 手 动界 面 、 设 置 界 面 和测 试 界 面 。 自动 界 面 也 是整 个 系统 的 主界 面 ， 信 息 丰 富 ， 功 能 多 样 ， 实 时 记 录产 品生 产 信 息 ， 控 制 系 统 的启 动 和 复 位 以及 监 控 各个 工位 的 工作 状 态 ， 如 图 7所 示 。设 置 界 面 8 6 组 合机床 与 自动化 加工 技术 第 1 O期 l 0 ． 8 06 0 ． 4 0 ． 2 0 a ． P o s i t i o n 0／ 4 r I ． I i ， ⋯ ⋯ 匿 0 0 2 04 06 t／ s C ． C o n t r o l c u r r e n t i ／A q 删 ⋯ __ 塑 p to e ／ j 0 0 2 O4 0 6 t／ s c 目标角位移4 ， ／ 3 2 5 图 2 三种 目标角位移 、 负载转 矩为 0 ． 1 2 N m 的实验结果 a ． P o s i t io n ／ 1 r f l d s p 带补偿 l⋯ d s p t o c 无补偿 8 t ／ s f b 1b 负载转矩为0 ． 1 2 N a P o s i t i o n ／ ．rr l 篌 h～ t t c 负载转矩为0 ．2 4 N m 4 0 ％额定负载 图 3 目标 角 位 移 宙在 三 种 不 同 负 载 下 的 扰 动 补 偿 效 果 3 结束语 采用一 种带 扰动 补偿 的动 态 阻尼 近似 时 间最 优 控制方案 ， 对永磁 同步 电机进行位置伺服控 制。控 制方 案 的主体 是 时 间最 优 控 制 ， 在 小误 差 段 平 滑 切 换 为线性 P D控 制 ， 并 动态 配 置 阻尼 比 ， 利 用 降 阶的 扩展状 态观 测 器 来 估 计 系统 状 态 量 和未 知扰 动 、 加 以补偿 。基 于 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2进行 了 实验 研 究 ， 结 果 表 明 此控 制 方 案 可 以实 现 大 范 围 内的 快 速 准 确 的 定位 控 制 ， 且 对 负 载 扰 动 变 化 具 有 较 好 的鲁 棒 性 。 控制 律采用 参数 化设 计 ， 方 便 了 实验 调试 ， 也很 容 易 推广 应用 到其他 相关 的位 置伺 服系统 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]程有龙， 刘栋 ， 张东升 ， 等．精密伺服进给平台控制系统设 计 [ J ] ．组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 1 1 6 4 1 4 3 ． [ 2 ]赵希梅 ， 孙显峰 ， 高君．X Y平台伺服系统 的零相位鲁棒控 制 [ J ] ．组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 1 2 7 6 8 7 0 ． [ 3 ]黄雷 ， 赵春明 ， 黄鹏基．基于分段滑模 控制的位置伺 服系 统 [ J ] ．电机控制与应用 ， 2 0 1 0 ， 3 7 9 5 3 5 6 ． [ 4 ]嵇启春 ， 孙育刚．位置伺服系统控 制算法 的研 究[ J ] ．电 气传动 ， 2 0 1 0 ， 4 0 5 6 O一 6 2 ． [ 5 ]孙凯 ， 许镇琳 ， 盖 廓 ， 等．基于 自抗扰控 制器 的永磁 同步 电机位 置伺 服 系统 [ J ] ．中 国电 机工 程 学 报 ， 2 0 0 7 ， 2 7 1 5 4 34 6 ． [ 6 ]滕福林 ， 胡育文 ， 李宏 胜 ， 等 ．基 于 自抗 扰控 制器 的交流 位 置伺 服系统 [ J ] ．电气传动 ， 2 0 1 1 ， 4 1 1 1 4 6 5 O ， 5 8 [ 7 ]Wo r k m a n M． L ．A d a p t i v e P r o x i m a t e T i me O p t i m a l S e r v o m e c h a n i s m s[ D] ．S t a n f o r d U n i v e r s i t y ，1 9 8 7 ． [ 8 ]D h a n d a A． ， F r a n k l i n ， G ． F ．A n i m p r o v e d 2 - D O F p r o x i m a t e t i me o p t i m a l s e r v o m e c h a n i s m [ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n Ma g n e t i c s ，2 0 0 9， 4 5 5 2 1 512 1 6 4 ． [ 9 ]C h o i Y， J e o n g J ． ，G w e o n D ．A n o v e l d a m p i n g s c h e d u l i n g s c h e me f o r p r o x i ma t e t i me o p t i ma l s e r v o me c h a ni s ms i n h a r d d i s k d r i v e s [ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n M a g n e t i c s ， 2 0 0 6 ， 4 2 3 4 6 8 4 7 2． [ 1 O ]C h o i Y， J e o n g J ． ， G w e o n D ．M o d i f i e d d a m p i n g s c h e d u l i n g pr o x i ma t e t i me o p t i ma l s e r v o me c h a n i s m for i mp r o v e me n t s i n s h o r t s t r o k e s i n h a r d d i s k d r i v e s [ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n Ma g n e t i c s ，2 0 0 8， 4 4 4 5 4 05 4 6 ． [ 1 1 ]C h e n g G Y，P e n g K M．R o b u s t c o m p o s i t e n o n l i n e a r f e e d - ba c k c o n t r o l wi t h a pp l i c a t i o n t o a s e r v o p o s i t i o n i n g s y s t e m 『 J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s ，2 0 0 7， 编辑李秀敏 上接 第 8 2页 设 备和 P L C的通信 ， 实 时监 测并控 制 生产 现场 。此控 制 系统 已经成 功 应用 于 粉 末试 剂 封 装机 中 。通过样 机 测试 试 验表 明 ， 系 统工 作 稳 定 ， 试 管封装精密， 定量控制准确 ， 精确度控制在 2 ％以内。 [ 参考文献 ] [ 1 ]李转芳．粒状物料小包装 自动称重封装控 制系统 的设计 与研究 [ D] ．北京 北京工业大学 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ]李 权任 ．基 于 P L C的定量包 装控 制系统 的设计 与研 究 [ D] ．上海 上海海洋大学 ， 2 0 0 9 ． [ 3 ]宋建伟 ， 杜成名 ， 包 玉龙．触摸屏 、 P L C 、 伺服 驱动器 在真 空定量灌肠机 中的应用 [ J ] ．制造业信 息化 ， 2 0 1 2 4 6 5 66． [ 4 ]东 时．螺杆式粉体 分装机 现状及 思考 [ J ] ．装备应 用与 研 究 ， 2 0 0 9 2 0 3 83 9． [ 5 ]顾金梅 ．粉体定 量给料系统的设计 与研 究[ D] ．安徽 安 徽理工 大学 ， 2 0 0 5 ． [ 6 ]李颖 ， 谭立新 ．基于 P C和 P L C的精确定量灌装控制 系统 研究 [ J ] ．制造业 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 1 6 6 1 6 5 ． [ 7 ]三菱电机 自动化 中国 有 限公 司．F X 1 S ， F X1 N， F X 2 N， F X2 NC系 列 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