自动包装机控制系统的设计

shhejia

　　一、引言
　　随着计算机电力电子技术的发展，各个国家机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、家用电器、包装机械、纺织机械、印刷机械等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善提高工作效率、人民生活、节约能源、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。
　　在包装行业中，绝大多数包装机采用PLC来实现对横封电机的控制，该方案采用模拟量进行速度跟随主轴运动，使用这种控制系统包装的产品一致性不是特别理想，更重要的是包装速度很难提高到200袋/分钟以上的包装速度，这不符合企业提高工作效率的迫切要求。为此，我们基于MPC05运动控制器设计了一套包装机控制系统，该套系统具备包装产品质量高和包装效率高的两个重要特点，并且还具有色标跟踪功能。
　　二、工作原理
　　如图一所示为一包装机的示意图。8纵封辊筒由异步电机带动即主轴电机，9热封辊筒、10冷封辊筒、12切刀由一个伺服电机带动即从轴电机。从轴电机要跟随主轴做跟随运动。其工作原理是MPC05运动控制器接收主轴编码器信号，根据主轴编码器的脉冲数按照一定的运动规律驱动伺服电机跟随主轴作相应的跟随运动，该伺服电机通过链传动同时带动热封辊筒、冷封辊筒、切刀运动。
　　热封辊筒轴以1：4的减速比装有一个编码器，用作闭环控制。该编码器的值与伺服电机理论上应该走的距离进行比较进行PID调节，使从轴伺服电机跟随主轴电机做全闭环的位置跟随。
　　三、控制器的设计
　　控制系统的控制器采用FPGA+DSP的方案，图二为控制器的结构图，FLASH用于存储DSP程序，多余的空间可以用来存储配置程序或加工程序以及系统工艺参数和现场数据。NAND FLASH大规模板上存储，用于存储配置数据、加工数据等。控制器的核心是DSP和FPGA，DSP实现CPU功能，FPGA实现控制功能和IO功能。
　　该控制器的加工文件可以通过RS232下载，或通过U盘拷贝，接收主轴编码器反馈的信号以及从轴编码器反馈信号，输出的脉冲方向信号接伺服电机驱动器，I/O口接停机信号或开机信号等。两个串口，其中，串口A为PC机接口，采用松下伺服的数据传输协议通讯。串口B为人机界面接口，采用标准的Modbus协议通讯。
　　四、控制程序的设计
　　由于纵封辊筒和横封辊筒周长相等都为300mm，横封辊筒有4根筋，所以横封辊筒每转一转可以包装4袋产品。如果包装的袋长为300/4=75mm，则属于同步跟随，即横封纵封辊筒包装一袋所走的距离相等。如果包装袋长大于75mm，则横封辊筒在非啮合区应该做减速运动，然后再升速到与主轴同步，准备下一次啮合，如果袋长小于75mm，则横封辊筒在非啮合区应该做升速运动，然后再降速到与主轴同步，准备下一次啮合。在啮合区需要横封和纵封辊筒同步运动，否则当横封辊筒速度高于纵封辊筒的速度时，将会出现扯膜现象；当横封辊筒
　　速度低于纵封辊筒的速度时，将会出现堆膜的现象，这些现象将会影响加工产品的质量，严重的情况还可能将包装膜扯断。如图三所示为从轴电机运动的模型。
　　设A代表主轴，B代表从轴。首先计算出A、B的周期长度（周期长度是指包装一个袋子所需的脉冲数）以及同步系数，然后将A的周期分成如图三横坐标所示的5段，再根据A的5段的长度和同步系数，计算出异步系数，最后计算出B对应的5段的长度，即同步段，升（降）速段、异步段，降（升）速段和同步段，其中在第一个同步段横封辊筒两齿啮合，在中间的升降速段为适合不同的袋长要求实现变袋长，最后的一段很短的同步段是为了使进入下一个啮合的同步段更为平稳（这里长度的单位均为脉冲数）。
　　对从轴的位置控制采用比较成熟的经典的PID控制。PID控制具有原理简单、使用方便、适应性好等优点。我们这里采用的是增量式PID控制算法。增量式PID控制有很多优点：
　　（1） 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可采用逻辑判断的方法去掉；
　　（2） 算式中不需要累加，控制增量的确定，仅与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。
　　PID控制器是一种线性调节器，它把设定值（各段从轴应该发的脉冲数）与实际输出值（从轴编码器值）相减，得到控制偏差 ， 的比例系数（P）、积分系数（I）和微分系数（D）通过线性组合构成控制变量 （伺服电机的脉冲频率）。控制变量的增量 的计算公式为：
　　式中，T为采样周期，K为比例系数，加大比例系数K可以减小稳态误差，但当K过大时，会使动态质量变差，导致系统不稳定。TI为积分常数，TI越大积分作用越弱，积分环节的加入，能消除静态误差，使系统趋于稳定。TD为微分系数，微分控制的作用可以改善系统的动态特性，提高控制精度，但TD偏大或偏小时，都会使超调量增大，调节时间加长。
　　由于该系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了K、TI、TD这三个控制参数，就可以确定控制变量，我们已经在现场调试导出了这三个参数的值。
　　五、自动包装机系统的功能
　　此自动包装系统采用EasyView作为人机界面，界面友好丰富，适用于包装机操作现场工作。控制系统中外围设备和核心器件均采用工业级产品，保证了包装机使用过程中的安全稳定可靠性。简单的基础参数设置，可以分别设置包装速度，包装袋长、袋长参数、PID系数等参数。其中，对于固定的辊筒，袋长常数是一定的。如辊筒周长为300mm，该辊筒有四根筋，则袋长常数为75mm。
　　该包装机系统可在线修改袋长和包装速度，包装速度范围是20-200袋/分，包装袋长范围是40-160毫米。系统的从轴电机选用松下中惯量750瓦交流伺服电机，采用精确的伺服位置控制方式，传动连续，定位准确，低速特性相当优良，在硬件上就保证了系统控制的精确度。所以该系统包装出来的产品长度一致性好，误差也很小，误差范围在±1mm以内。包装速度高，精度好是该系统的最大的特点。
　　一键设定色标跟踪方式，对设定错误能自动监测。光标定位精度高，对光电眼要求低，降低厂家配套和维护成本。无论处于跟色状态还是数控状态定长，均能够自动监测断纸，断纸自动停机。跟色包装时采用模糊容错技术，允许个别漏印色标，自动进行跟踪补偿。 此外，该系统还有自动计数的功能，所有工作参数自动记忆保存。
　　六、结束语
　　实用效果表明，这里研制的自动包装机控制系统可广泛适用于各类液体、粘稠体、粉末及颗粒物料等相关行业产品的制袋充填包装。目前该系统已经成功用于包装方便面内包装，袋装洗发水等应用场合，运行稳定，包装产品一致性很好。尤其对于方便面内包装，对包装袋误差的要求不是特别严格，而尤其要求200袋/分以上的包装速度，使用该自动包装机系统不仅减少了人力、物力，而且大大提高了生产率。  
　　转载自【中国机械社区】 http://forum.mechpost.com/forumdisplay.php?fid=2054

shhejia

转载自［机械工程师］ 原文参见 http://forum.mechpost.com/viewthread.php?tid=86615&extra=page%3D1
用中央空调设计浅议
1 引言
2000年至2010年10年间，我国年均建设住宅10亿m2，其中城市住宅建造面积2.5亿～3亿m2。以上海2001年销售为例，新建住宅1700万m2，二手房市场交易1480万m2，约有55万户，按50%用户的空调消费量计，就需22.5万套，市场空间巨大。专家预测，随着人民生活水平的提高，住宅建设的发展，中央空调小型化，家用空调商业化，家用中央空调将成为未来空调的主流。
2 家用中央空调具有的特点
a) 具有单台房间空调器的优势。如质量可靠、故障率低、使用灵活、安装方便、维护简单等。
b) 具有中央空调的优势，如房间内温度分布均匀，不占有房间的使用面积，能和装修较好的配合，室内噪音低等。
c) 具有较好的个性化，一方面要体现在住户个人购买、个人使用，另一方面室内空调机布置能够灵活多样，可根据房间的布局、个人喜好有多种方案可供选择。
d) 家用中央空调消费群体不光是针对高消费群体，而主要针对普通的工薪阶层。随着空调厂家大规模生产、开发，其价格会逐渐回落，使家用中央空调能落户于普通百姓家庭成为可能。
3 几种家用中央空调方式的分析比较
3.1 小区集中供冷供热系统
小区内集中设冷热源站房，通过室外管网将冷热水送至每户。该系统具有中央空调的优势，如房间的温度分布均匀、不占有房间的使用面积、室内噪音低等。但一次性投资大，需有效的物业管理，平时运行费用高，计费计量准确困难，在原计划经济下使用较多。随着福利分房取消，住房私有化，集中供冷暖系统计费、收费越来越困难，此系统市场份额也日渐萎缩。
3.2 户用小型风冷热泵中央空调系统
由风冷热泵机组、室内机及空调水管及附件组成。室外机设于阳台上，将噪音阻隔于户外。风冷热泵机组内置小型压力膨胀水箱、循环水泵及自动补水阀。风机盘管空调末端有多种形式，可根据业主喜好、功能使用、室内装饰等进行选择。
该系统结构紧凑、安装方便、与全空气系统比占建筑空间少，容易配合装饰。机组设有内置式膨胀水箱，可使安装、操作、维修更为简单且无损建筑外观美。风冷热泵机组采用微电脑全自动控制，操作简单，各房间独立控制，又可集中控制，方便实用、便于节电。若设新风需另设新机组，增加造价。
该系统缺点为：集水盘内易集尘、滋生细菌，存在漏水隐患，但漏水处容易发现，便于维修。风冷热泵机组为三相电源，需另配电，设电表计量等。
3.3 一拖多空调系统(常称家用变频中央空调系统)
由室内、外机，冷媒管、凝结水管及附件组成。与3.2节方案相同，室外机置于阳台上，室内机多款可供选择，但室内、外机之间采用紫铜冷媒管连接，不需膨胀水箱、循环泵。可选用单相电流，不需特批三相入户，节省线路，便于计量计费。
该系统优点：由于冷媒直接蒸发，能效比较高；具备所有家用空调性能，如：离子除尘过滤网、光触媒、夜光遥控、超低噪音等。室内机送风自动摆动，导流叶片；型号规格多，选择余地大，可根据不同性能、功能要求选择；一拖多台，根据正在运转室内机数量及每个房间不同负荷状况，变频电路调整压缩机转速，以随时适应各个时刻的总荷量，使每台室内机都得以高效运转，相比传统中央空调节能40%以上，减少运行费用、节能、经济；室外机小巧紧凑，方便灵活安装，能节省室外空间，美化家居环境，减少室外机数量；带有自动故障检测，方便检修；自动转换供热/冷模式，自动风速变换，有定时、夜间设定模式，可同时实现集中管理和单独控制。
其缺点：供电峰谷差大，电网发电机在低负荷下运行时效率低、耗能较大；温室气体排放量大大提高；无新风供应，安装要求高；如发生冷媒管泄漏，很难找出漏点，不易维护，其价格较高。目前，国内空调企业海尔、美的等开始推广该种机型，价格可望进一步下调。
3.4 一拖一风管式空调系统
由室外机、管道式空调箱、送风管及风阀、风口组成。制冷原理与分体式空调类似，也属冷媒直接蒸发式，只是将3.3节方案中室内机改换为管道式空调箱。该管道式空调箱属全空气系统，无水系统及其各种配套设备，大大降低了初投资；室内机放置于室内吊顶内，节省了机房面积和基建投资；风系统简单，无需专人管理，只需定期检查，与3.2节方案比无漏水之忧，相对价格低；可充分考虑新风，提高室内空气品质，保持空气清晰；直接蒸发式冷却空气，省却了冷媒水循环过程中造成的能量损失，且蒸发温度相对于冷水机组有所提高，因此提高了系统的制冷效率。转

管道式空调箱出风口处风压较高，一般为80～150Pa，可通过风道来保证每只风口的冷热风有一定的射程，使室内气流场和温度场保持均匀；也可配置消声器，充分满足室内噪声要求。在商场等大面积空调场所使用多台管道机，可依据室内负荷变化情况，开停一部分管道机来进行能量调节；但用在住宅空调中，各房间不能独立控制使用，集中回风，影响各房间的私密性；风管占建筑空间较大。再者对空气过滤能力差，所处理空气的焓降小，除湿能力不强。
综合以上四种家用中央空调方式，笔者认为：各个方式各有自身特点，视工程具体情况，经济、技术分析比较，确定最后能最适合工程空调方案。但在目前，笔者认为一拖多空调系统和一拖一风管式空调系统较适合现住宅空调。前者因价位原因，推广起来是有一定困难，估计今后几年，随着家用空调生产厂商大量介入商用空调，其价位下降，市场占有份额会不断上升；后者现阶段应具有较好的市场潜力。
4 在家用中央空调系统设计施工中应注意的几个问题
4.1 空调室内机容量可适量放大
按我国目前大多数人的生活习惯，下班回家，迅速打开空调，并希望尽快达到空调效果；另由于围护结构无隔热处理，楼上、下邻居未开空调时，冷损大，应适当放大空调室内机的容量，可保证空调效果。同时室内机设有调节装置，可根据需要调节风量、冷量。
4.2 室外主机容量可适当减小
按目前大多数家庭三口或五口之家生活习惯，空调末端不可能同时满负荷运行，当客厅、餐厅开空调时，卧室、书房几乎不开或少开。可视具体情况，适当降低主机容量，以降低初投资和运行费用。
4.3 安装质量要保证
管道安装应严密，不能漏风、漏水，特别冷媒管发生泄漏，不易找到漏点，维修困难，也易产生纠纷。空调水管、冷媒管可考虑穿梁、剪力墙等，以节省空间。
4.4 冷凝水排放，管道保温要做好
漏水是家庭装饰时常遇到问题，也是较难解决的问题。对空调系统来说，冷凝水排放最容易被忽视而造成潜在漏水隐患。冷凝水宜设独立竖管集中排放，水平管不宜过长，且保证不小于0.008坡度坡向竖管。风管、冷凝水管特别是空调水管和冷媒管，因其温度低，如保温不好，外表易结露滴水。
5 结语
家用中央空调业在我国是一个很新的行业，自改革开放以后逐渐发展起来，经过十几年的努力，建立了一批较高水平的企业，带动了家用中央空调业的腾飞，相信在未来几年后，随着科技的突飞猛进，市场进一步规范，家用中央空调业会进入一个崭新的新时代。