钮扣自动计量包装机的设计
摘要: 本文介绍了钮扣自动计量包装机的设计思路，按照生产工艺要求，选用PLC作为控制核心，采用INTERBUS总线作为整个现场设备与控制器之间的数据枢纽，采用INTERFACE-IO 模块进行输入输出点的控制。软件平台采用德国Phoenix Contact公司专用的PLC 编程软件PC WorX5软件实现硬件组态、智能模块参数化和控制程序的编制，选用德国Phoenix Contact公司的工控组态软件Visu+来进行监控系统的设计。该设备投入生产后取得了很好的经济效益。
关键词: 钮扣自动计量包装机；控制系统；现场总线
引言
随着包装工业的不断发展，包装机械也向专业化、智能化方向发展。我国的包装机机械通用机型多，满足特殊要求、特殊物料的设备少；技术含量低的多，高技术附加值、高生产率的产品少，智能化设备还处于研制阶段。[1]现代的自动包装机要求定位准确、操作方便、智能化水平高。而目前我国钮扣产品的包装设备比较落后，基本为手工和半自动包装，工人劳动强度大，生产能力小。本文研究的钮扣自动计量包装机的控制系统采用INTERBUS现场总线将PLC、工控机、变频器组成一个整体网络，实现钮扣自动计量的智能化控制，提升了设备的现代化程度。
1 钮扣自动计量包装机组成及工作原理
本钮扣自动计量包装机由机械传动部分、控制系统和现场总线组成。主体包装计量部分工作原理如图1所示。
2 机械传动系统设计
机械传动系统所完成的任务是确定钮扣所走的路线，解决如何送料，如何将钮扣准确计数放入储存盒，将储存盒的钮扣送到下一个环节包装。为此，机械传动部分分为送料部分和计数入盒部分。
送料部分：在高速电器振动盘的作用下，振动盘作扭转式振动，使钮扣沿着螺旋轨道由低到高移动，并自动排列定向，直至上部出料口而进入输料通道。
计数部分：光电计数开关计数。采用欧姆龙E3X－MDA41两通道光纤传感器来准确计量钮扣颗数，在钮扣通过光纤对射口时，激光对射的光被钮扣挡住，透光量为0输出一个信号给PLC记一颗。当钮扣当前值等于钮扣设定值减8时，开始由吹气口吹气，加速钮扣下落，从而达到准确计数的目的。
光电计数开关原理图如图2所示。假设条件如下：每袋钮扣数为50粒（约300克），袋长为60mm。钮扣装入振动盘中，钮扣自动整理排列，沿三个通道顺时针由下而上振动进给，然后通过光电开关分别进入储料箱A、B、C。闸门A、闸门B、闸门C同时开启，当包装袋中的钮扣数≥45粒时，关闭闸门B与闸门C，由闸门A进行精确计数，此时振动盘与光电开关继续计数工作，当包装袋中的钮扣数＝50粒时，关闭闸门A。滚轮旋转60MM长，再进行由封口，同时剪切，最后进入下一次循环。
3 控制系统设计
3.1 控制系统硬件选型
钮扣自动计量包装机的控制系统设计选用德国Phoenix Contact公司ILC350PN PLC 作为控制系统的硬件系统，采用INTERBUS总线作为整个现场设备与控制器之间的数据枢纽，采用INTERFACE-IO 模块进行输入输出点的控制。
根据对控制系统的分析，可以看出需要响应和控制的信号主要有：1、数字量输入信号：如控制面板上的按钮、接近式开关、限位开关等等；2、数字量输出信号：如信号灯亮/灭、气阀的开启/关闭、电机接触器的通/断等等；3、模拟量输入信号：如热电偶检测温度等；4、模拟量输出信号：如热电偶检测温度等。针对以上各种信号，设计控制系统时分别选用了合适的I/O 模块对其进行测量和控制，主要有数字输入模块（Digital Input Module）、数字输出模块（Digital Output Module）、模拟输入模块（Analog Input Module）、模拟输出模块（Analog Output Module）。
3．2控制系统软件配置
系统软件配置包括Windows 2000或XP操作系统、IBS OPC SERVER、Diag+故障诊断软件、轨道参数记录及打印程序、上位机监控软件Visu+、下位机编程软件PC WorX 5。
3.2.1上位机监控软件
本系统采用Visu+作为上位监控软件。对于过程的组态，所有的Phoenix Contact公司的HMI设备均使用强大的组态软件Visu+，它除了完全的SCADA功能(例如：操作与监控、趋势图、报警信息等)之外，同时还提供诸如：数据采集、记录、配方管理、数据库连接、企业资源计划系统(ERP)连接等。Visu+软件的开发接口设计清晰、操作直观、所有的组态画面元素能够轻松的通过鼠标点击或拖拽实现。
3.2.2 IBS OPC SERVER软件
OPC适用于可视化的标准运行阶段接口。通过INTERBUS OPC服务器，这个接口可以用于INTERBUS主站和PC WorX 5编程控制系统、PC接口和嵌入式解决方案中。通过这种方式，可以简单地与使用OPC客户端的可视化软件Visu+相连接。
3.2.3 Diag+故障诊断软件
INTERBUS提供了操作舒适的全面诊断功能，并且Diag+软件工具完全支持这些功能。通过Diag+，可以实现简单而全面的诊断，也可以实现基本的INTERBUS功能。Diag+可以作为独立的诊断工具来操作，也可以作为ActiveX组件将INTERBUS诊断集成在设备和系统的可视化软件中。图形化设计使得诊断功能可采用低分辨率显示，因此也适用于小型手持诊断设备。这些诊断可以通过INTERBUS主站上的任意接口(以太网、V.24和ISA/PCI总线)来完成。这样，通过一个INTERBUS主站，就可以从任何位置对控制系统网络中的每个控制系统实现诊断。这意味着INTERBUS系统的诊断变得更加简便和通用。
3.2.4 下位机编程软件配置
本系统采用PC WorX 5作为下位机编程软件。下位机编程软件PC WorX 5为控制系统提供了一个现代化开发工具。当PC WorX 5连接到现场总线的控制系统上时，它不仅提供了符合IEC 61131-3标准和IEC 61131-5标准的方便编程工具，还可方便进行INTERBUS组态。PC WorX 5还包括对INTERBUS的简易诊断。
4 现场总线网络
我国的包装机PLC与现场传感器或执行机构时通常采用点对点连接，虽然系统实时性高、响应快，但是系统需要大量电缆，维护难度比较大。本系统采用INTERBUS——串行连接的现场总线传输方法，有恒定、较短的实时扫描周期，较低的传输速率与较高的传输效率保证高速的数据传输，实现输入/输出数据的同步传输，操作简单、使用方便，诊断功能强。系统网络分为监控层和现场控制层。监控层由高速以太网Ethernet、PPC工业控制计算机以及连接在PPC上的打印机组成。现场控制层由主站(PLC控制器、总线分支模块、本地I/O)，现场总线，从站(总线藕合器BK、远程I/O)和现场设备四部分组成。主站安装于监控室内，从站的数量根据实际需要而定，它分布于生产线的不同位置。现场控制层主要完成以下功能：(1)各种输入信号的采集；(2)各种控制信号的输出；(3)各种信号的处理；(4)与监控层的通讯。
5 结束语
钮扣自动计量包装机设计完成后，经过安装与调试，目前已经投入实际生产。系统运行良好，各项功能达到了预先设计目标。PLC控制系统和现场总线的使用，大大提高了包装的效率，增强了系统的可靠性，取得了良好的经济效益。
参考文献
[1]曹巨江，张利平，通用自动包装机模型的研究. 包装与食品机械，2006.5
[2]赵志旭，王丛岭，吴鱼榕. 基于PLC糖果包装机控制系统设计. 食品与机械，2008.3
[3]张宪青，李修仁，基于气功和PLC的"五袋入"方便面包装机. 机电一体化，2005.11
[4]侯张艳，张晓军.液态奶枕式包装机控制系统设计. 林业机械与木工设备，2008.5
作者简介：王姬（1977－）宁波职教中心教师，浙江工业大学机械工程硕士在读