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　0 引言

　　小袋包装机属于轻工机械装备制造行业，是包装生产线干包部分的主要设备之一。主要功能是将包装生产线的成品自动进行开箱、装箱、封箱，产品入库前的后一道工序。根据需求，我单位开发试制了一款适应国情的光机电一体化的智能产品。应用于枕形袋包装的食品、食盐、白糖、乳品等，根据产品规格和纸箱规格将物品分多层装入。小袋包装机采用了PLC控制，人机界面，伺服驱动技术，是典型的光机电一体化设备。机械结构采用固定的运动轨迹，结合伺服电机的闭环控制和人机界面的参数修改和编程技术，总线技术，解决了装箱过程可重复多层装箱的技术问题，克服了现有装箱机对于同1个箱子只能装1次的缺点，减轻工人劳动强度，提高工作效率。

　　1 工艺自动化分析

　　小袋包装机主要核心部件有开箱机和装箱机。其中开箱机主要运行电机选用施耐德BSH型伺服电机，其余主要动作由7个气缸通过电磁阀分别进行勾中缝、扶箱、推箱、打底、送纸箱1、送纸箱2和吸盘的动作控制。此外利用光电开关进行推箱到位及纸箱不足的检测;利用磁性开关进行推箱原位的检测;利用接近开关作开箱电机的原位和软限位点。

　　装箱机主要运行电机选用施耐德BSH型伺服电机，除主电机外，输袋电机和输箱电机分别选用ATV31变频器控制。其余主要动作由7个气缸通过电磁阀分别进行真空吸盘、挡箱1、挡箱2、夹箱、袋距等动作的控制。使用光电开关进行缺袋及进箱检测;使用接近开关作主电机的原位和软限位点。

　　2工艺流程分析

　　1)开箱机工艺流程。如图l。

　　2)装箱机工艺流程，如图2。

　　3系统原理设计

　　开箱机的控制以施耐德的Twido型可编程控制器为技术平台，选用触摸屏为操作界面，所有参数的设置和修改均可以在操作界面上进行实时操作，LXM05A伺服驱动器作为执行构件。触摸屏通过COM2口与Twido PLC的串行口1相连，采用Modbus协议，PLC加配了TWD型串口适配器，通过485口控制LXM05A伺服驱动器，支持Modbus协议，伺服驱动器驱动开箱过程伺服电机。

　　Modbus总线使用了RS232C兼容串行接口，通信使用主从技术，即仅一设备(主设备)能初始化传输(查询)，其他设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。

　　装箱机的控制同样选用twido型可编程控制器为技术平台，选用触摸屏为操作界面，所有参数的设置和修改均可以在操作界面上进行实时操作，选用2台LXM05A伺服驱动器以及3台ATV31变频器作为执行构件。触摸屏通过COM2口与Twido PLC的串行口相连，采用Modbus协议，PLC扩展了Canopen模块，使其具有Canopen总线能力，PLC通过Canopen模块控制LXM05A伺服驱动器和ATV31变频器，支持Canopen协议，伺服驱动器与变频器之间使用三通相互连接，2个伺服驱动器分别驱动进袋和装箱过程伺服电机。

　　Canopen总线是一种有效支持分布控制或实时控制的串行通信网络。由于采用了许多新技术及独特的设计，CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点如下：

　　1)多主站依据优先权进行总线访问;

　　2)无破坏的基于优先权的仲裁;

　　3)借助接受滤波的多地址帧传送;

　　4)配置灵活性;

　　5)直接通信距离远可达10 km(速率5 kb/s以下)，通信速率高可达l Mh/s(此时通信距离长为40 m);

　　6)每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。

　　4 PLC在控制过程中应用

　　1)开箱机

　　从原点开始进行抓箱、勾中缝、打底到推箱到位，再返回原点，整个过程称之为一个开箱周期。伺服电机运动到每一个检测位置，都会有相应的检测装置进行到位检测，将检测到的数据通过相应的通信总线传送到PLC中，PLC就会根据程序做出相应的动作指令，通过总线再传达到各个执行机构，完成相应的实际动作，从而顺利完成整个开箱过程。

　　2)装箱机

　　装箱机实现了重复多层装箱，用户可以通过触摸屏自行设置需要装箱的层数，从原点开始进行抓袋到放入箱内，再返回继续进行装箱过程，直到完成用户所设定的层数后，返回原点，整个过程称之为一个装箱周期。

　　进袋和装箱过程伺服电机运动到每一个检测位置，都会有相应的检测装置进行到位检测，将检测到的数据通过相应的通信总线传送到PLC中，PLC就会根据程序做出相应的动作指令，通过总线再传达到各个执行机构，完成相应的实际动作，从而Jl顷利完成整个装箱过程。

　5系统硬件选型 

　　整条生产线的电气部分主要选用施耐德低压电气产品，其中开箱机和装箱机的硬件选型如表l，开箱机的框架如图3所示，装箱机的框架如图4所示。在小袋包装生产线中，触摸屏、伺服驱动器、变频器都是由Twido PLC进行控制的，通过数字量模块和模拟量模块采集传感器信号，实现手自动控制、开停机和故障检测。Twido PLC属于施耐德小型自动化产品家族中的一员，本系统选用的PLC型号为TWDLCAA40DRF，其功能和特点如下：

　　1)信号的采集和处理功能;

　　2)逻辑功能;

　　3)控制输出;

　　4)体积小，功能强大，内置浮点运算、PID自整定功能;

　　5)模块化结构，接口丰富;

　　6)抗干扰好。

　　BSH伺服电机是高动态的低惯量伺服电机，额定转速可达6 000 r/rain，额定转矩为0.46—28.2 N·m，匹配了高分辨率(17位)的正余弦编码器。

　　Lexium05伺服驱动器采用正余弦Hiperfuce编码器，电机转速更高，可达8 000 r/min，且兼容通用现场总线。

　　6系统软件设计

　　开箱机和装箱机均采用触摸屏和控制面板作为人机交互界面，其中触摸屏通过R485数据接口与PLC进行通讯，为操作人员提供方便的在线监控、设备的启动、停止、运行、参数输入与修改以及手动调试、故障报警等功能。编程平台为Vijeo Designer，界面如下图5。

　　同时采用施耐德公司开发的Twido suit软件对PLC进行编程和对PLC设备配置进行维护。编程的软件主要包括信号获取处理、信号控制、故障模块的设计。Twido suit提供了具有生成标准导出功能块库或FC库能力的编程功能，能够在应用程序内一再调用。在本系统中，这种功能得到了广泛的应用，FC功能块的使用节约了大量的程序空间和故障查询时间。降低了程序编写的复杂程度，使程序结构更条理清晰。FC模块的使用提高了程序的运行速度并且更加方便了软件的移植性和可扩展性。

　　小袋包装机的电气控制分为手动和自动2种模式。可以在控制面板或触摸屏上进行2种模式的只有切换。手动工作模式主要用来设备调试。检测各机械部分的运动协调状况，在触摸屏上分别为每个运动机构设置了启动按钮，直接操作这些按钮就可以实现对应部位的点动动作。自动模式是机器的正常工作模式，也是程序设计的关键所在。在设计这一工作模式时，我们将系统的整个自动工作过程划分为若干阶段，每个阶段都独立完成一部分工作，然后PLC再将各个阶段按照一定的顺序有机的结合起来，构成完成的自动程序，这样的目的;一是有利于程序的编制，增加程序的可读性，尤其是将来设备调试和维护提供方便;二是确保各个工作环节更加安全、更加可靠。整机的核心调试工作就是电气、气动与机械工作之间的相互匹配。

　　7.结束语

　　小袋包装机械使控制系统能够更好的相互结合，实现无缝化通信。充分利用XBTG触摸屏内部大量的内存空间来存放用户工艺参数，简化了TwidoPLC的编程工作，使PLC系统更容易。可以读取伺服驱动及变频器内部许多参数，如电机实际位置，电机转速等等，用于机器的故障报警，更好地维护保养设备。伺服驱动器可以实现控制与给定分开，这样可以保证系统在发生故障时及时停车。该机具有高可靠性，抗干扰能力强;灵活性强，控制系统具有良好的柔性;编程简单，使用和日常维护方便。