包装生产线自动化控制的关键技术研究

仇诚兴，卓晓冬

（江苏联合职业技术学院南京分院，江苏南京，210019）

1 食品自动化包装生产线的工艺流程

1.1 全自动食品包装生产线工艺流程

本文以小型袋装食品为例，该类袋装食品的包装需要经过以下五道包装工序：

第一，清洗工艺，果实从树上摘下来以后，需要对果实表面进行清洁杀菌处理。全自动包装生产线主要借助于清洗设备，先通过清洗介质对杨桃表面进行清洗，然后在通过杀菌设备对果实表面进行灭菌处理。

第二，烘干工艺，清洗过袋装食品以后，果实表面会有大量水分和清洗介质等残留，需要通过烘干工艺让物料表面多余水分蒸发。基于自动化生产线的工艺需求，一般采用辐射传热的方式，自动控制高频叠加的电场来加热物料干燥。

第三，整料工艺，硬质坚果类袋装食品，在装罐之前要对其进行整料。要对其进行切块—挖核—修整等一系列果粒外形处理，确保果粒的外形大小基本一致。

第四，装罐工艺，将修整好的果粒排列整齐，对应的袋子也排列整齐，然后采用薄膜裹包并在两端扎口的方式进行包装。

第五，通过滚子和孔带对包装好的视频进行分级，区分优劣产品，提升优质产品的附加价值。

1.2 全自动包装单元作业流程设计

通过上文的分析，本文包装单元选定塑料薄膜作为包装材料，并通过两头扎口的方式包装柚子。整个包装单元由供袋装置、送袋装置、切袋装置、开口装置、收口装置相互配合构成。

供袋设备通过步进电机带动装着塑料卷的辊轴转动，右边缓冲机构中一细圆杆在竖直方向上呈自由状态，塑料袋在此杆的重力作用下保持舒展状态并为包装动作保留一定的余量。

送袋设备通过电磁铁异性相吸的原理夹紧袋口，然后将其推倒开口装置出，在考口打开以后，退回初始位置，再由切袋设备用压紧块将袋子周边空隙压紧以后，用切刀切下。最后再由扎口设备将袋口收住以后压紧。

开口装置则主要通过真空吸嘴吸附袋口，然后通过向袋内吹气打开袋口，方便柚子准确的进入袋内。在此过程中需要设置挡料装置避免多以一个的柚子掉入袋中。

具体包装单元作业设备简图如图1所示。

图1 包装单元设备结构设计简图

具体包装单元的作业流程如下：

（1）有送袋装置将袋子推倒预定位置。

（2）由开袋装置吸附袋口。

（3）送袋装置返回初始位置。

（4）切袋装置将包装袋切开。

（5）扎口装置将底部袋口扎紧。然后切袋装置返回初始位置以后，由开袋装置将袋口打开。

（6）挡料装置退回，柚子滑入包装袋内。

（7）上端的扎口装置作业，将顶部的袋口扎紧，同时挡料装置复位。

（8）由推料装置将包装好的柚子推入下一单元，与此同时顶部、底部两套扎口装置退回初始位置。

2 食品包装生产线自动化控制系统的硬件构成

2.1 上位机系统设计

一个现代化的制造企业在构建自动化生产线时，必然要以安全生产为基本原则。而安全生产又可以细分为人身安全和设备安全。其中人身安全主要指在设计机械加工机床的电气原理图以及刀具、夹具规格时要严格按照国家的相关安全指标来对机械设备进行选型和选材。确保整个生产线所用元器件自身的安全防护性能。另一个方面，设备安全，这是要确保控制系统的鲁棒性，从电气控制电路的设计到通信信号的抗干扰能力等方面，都需要有一个相对成熟的现代化控制技术作为控制系统核心，PLC就满足这一条件。将PLC作为控制系统的核心，不仅能够控制整个自动化系统的稳定性和安全性，同时还有助于电气控制系统的经济性与科学性。

2.2 PLC选型

PLC系统主要是用户通过预编程，提前编写好一些功能性程序，然后由CPU控制运行这些程序，控制系统按照特定的指令和特定流程从一个指令过渡到另一个指令，实现对生产流程的自动化控制。由于PLC技术的指令信号传输渠道是单向的，因此PLC技术控制的系统只能从一个指令变成另一个指令的单向运作，且同一时间只能运行一段程序，像这样按照既定的程序流程一直循环下去。PLC系统属于计算机的一种，在工业生产自动化控制当中应用较为广泛，其结构主要包括有接口电路、电源、通信模块等。在整个系统中，电源为整个系统程序运作提供动力，电源的稳定同样也会直接影响整个系统的稳定性。因此PLC技术供应商都非常重视对系统电源的选用和研发，以追求电源电压的稳定性和蓄电容量作为主要选用标准。在有稳定动力的前提下，CPU按照既定程序的研判条件，去判断出整个系统的运行状态，将寄存器当中的数据传送到对应的输出装置。接口电路的作用包括输入数据以及输出数据，不同的电路则有不同的接口所组成，其之间的共同作用将整个数据和信号的输入与输出予以完成。

对于本系统来说，依据上文中分析的食品自动化包装生产线的加工工艺流程的复杂程度，可以预见现场需要的控制开关较多，且有相当一部分开关与控制柜之间的距离较大，这种情况下，选用S7-200的传统轻工业加工PLC型号，则会导致连线较多，现场走线过于复杂，不仅会使整个硬件系统的构建成本更高，同时也不利于后续系统功能性升级和日常检修维护。因此这里U型安永西门子公司生产的S7-300型号PLC，该型号PLC集成了PROFIBUS-DP的数据通信功能模块，能够应对复杂的数据远程通信，能够省下大部分价格昂贵的实体电缆成本。因此本文建议选用西门子公司的S7-300系列的PLC作为食品柔性生产线自动控制系统的主控核心。

具体来说该系列的PLC作业流程分为五个阶段。第一，内处理阶段，主要负责运行主控程序。第二，数据信号处理阶段，主要负责对电信号到数据信号、数据信号到电信号之间的转译，由PLC集成的数据通信模块负责。第三，输入扫描阶段，主要用于扫描和识别用户从编程模块中输入的指令，及时根据用户输入的指令更新内处理阶段的主控程序。第四，用户程序执行阶段，在扫描以后，执行最终主控程序的数据运算与逻辑判断。第五，输出阶段主要负责将用户程序执行结果输出给数据通信模块，经过数据信号到电信号的转译与抗干扰处理以后，生成最终的主控指令，实现对各个作业机械设备的远程自动化控制。

图2 S7-300系列PLC工作流程

2.3 PLC相关模块的选用

PLC相关模块包括输入输出接口、I/O模块、模拟量输入模块等，这些相关模块的主要功用在于信息采集与指令的发布。为了确保兼容性，在选用西门子公司的S7-300PLC主控核心以后，最好也采用西门子公司出品的这类PLC相关模块。

第一，数字量输入/输出模块。本文建议输出模块选择SM322、SM321，共16点输入模块，另SM322为16点输出模块，模块的电压为PLC电源一致同为24V。总的来说，本文需要用到8个SM321和4个SM322模块。

第二，分布式I/O模块。西门子公司生产的S7-300PLC兼容的I/O模块为ET200系列，这一系列有多种型号可供选择。结合本文自动化控制的实际环境，选用模块化从站ET200M型号的I/O模块作为相关模块。该型号I/O模块主要自带一个IM153-1接口，使得该模块具备更好的功能扩展性，同时也更加适合包装生产线模块化工艺流程。

第三，模拟量输入/输出模块。该模块主要负责将传感器输入的电信号转译为能够被PLC主控核心识别的数据信号。同时也负责将PLC的输出数据信号转换为能够被各个加工设备识别的电信号。SM331包括了补偿电路、逻辑电路等电气元器件，这些元器件都有自己的参数，可以通过STEP7来设置调整这些元器件的参数。

第四，人机交互界面。选用了同样由西门子公司出品的MP277型号触摸屏，该型号触摸屏兼容性方面较强，自带了MPI、PROFINET、USB等接口，可以与西门子S7-300系列的PLC组成通信网络。而且该显示屏能够防水防尘，能够适应较为恶劣的车间环境，触摸屏操作系统为Windows CE，为用户提供了较为便捷灵活的操作体验。

3 食品包装生产线自动化控制系统的软件设计

3.1 编程装置和编程软件的选择

编程装置是灵活使用PLC技术构建自动化控制系统的基础，也是实现PLC自动化控制系统人机交互的主要渠道。编程器根据其功能特点可以分为简单型和智能型两种。其中简单型的编程器体积较小，便于携带，同时也能够实现对PLC控制系统的现场调试，能够通过编辑指令表程序来进行PLC控制程序的编辑和维护。另外一种智能型编程器则是可以梯形图PLC编程语言的专业编程软件，这些编程软件一般要借助PC端实现功能，无法进行现场程序的调试与维护。但却可以借助于梯形图语言，实现对多功能模块负载控制系统逻辑代码的编写工作，借助于软件非常快速准确地生成程序逻辑梯形图和指令表以及功能块图，非常适合从无到有的整个PLC自动化控制系统程序的编辑工作。

考虑到食品包装生产线自动化工艺流程中的参数较多，建议采用西门子公司推出的STEP7编程软件作为智能编程装置，通过实时观察梯形图中触点以及线圈的通断情况，来调试整个控制系统的各类参数。

3.2 STEP7软件编程特性

STEP7软件是一款应用与WindowXP系统的PC端编程软件，主要针对S7-300、S7-400系列的PLC程序编写、调试工作而专门开发的软件工具包，其中包括了多种如语句表达语言、功能块图、逻辑梯形图等功能模块，能够实现对PLC系统程序的项目管理、参数设置、监控程序编写、硬件组态、通信网络组态等PLC编程功能。借助于逻辑梯形图功能，程序设计人员可以直观地观察控制电路目前的通断情况，方便对程序逻辑代码以及参数进行调试。功能块图则可以直观地展示电子电路的逻辑图。可以直观的对PLC控制系统的电子电路联通情况进行调试。语句表的主要作用类似于汇编语言风格，设计人员可以面向机器设备直接访问它们的存储单元和控制单元。同时STEP7还支持中高级PLC编程语言包的扩展。要熟练应用STEP7软件，首先就要熟悉S7系列的各类型PLC编程语言的特点和应用场景。

3.3 STEP7梯形图程序运行流程设计

控制系统要想实现对机械设备工序的自动化控制，需要通过STEP7梯形图程序编写，依据硬件构成的PLC主控核心输入、输出、模拟量等变量的逻辑判断原理，编写食品包装产线自动化控制系统程序如图3所示。

图3 S7-300系列PLC自动化控制程序流程图

4 结论

本文对食品包装行业生产线自动化控制系统的设计技术进行研究，以袋装食品为例，分析了袋装食品柔性包装生产线的工艺流程。然后依据该工艺流程明确自动化控制系统功能需求，基于PLC控制技术，从硬件PLC选型、PLC相关模块选型；软件编程器选择、编程软件的应用、梯形图程序的设计等多个方面提出了食品包装柔性生产线的PLC自动化控制系统构建策略。