陶瓷球計數裝袋機控制系統及界面設計

周井玲，翟春樹，楊蘇云，王星星

（南通大學機械工程學院，江蘇 南通226000）

隨著自動化生產的發展，產品包裝過程中的自動控制技術直接影響包裝工作的效率，可靠性和物力消耗等，是包裝的關鍵技術。在我國，包裝產業發展迅速，技術日益成熟，企業在滿足基本包裝要求的同時，更加注重包裝過程中高效，準確和人性化的操作［1-2］。陶瓷球計數裝袋直接影響產品包裝數量的準確性和包裝的效率。作為包裝過程中的重要一環，其智能化和人性化程度亟待提高，以降低操作的復雜性，提高計數裝袋的準確度和效率。目前PLC 技術已經成為提高生產設備控制系統效率的主要方法之一［3-5］，配合觸摸屏操作界面使得人機交互更加方便［6-7］。文中采用基于PLC和觸摸屏的控制系統，應用于計數裝袋機，并對人機界面進行研究設計，提高控制系統的可操作性，實現智能化。

1 裝袋控制系統分析與設計

1.1 系統設計

根據計數裝袋機的運行和功能要求，采用光纖傳感器對陶瓷球進行信號采集，通過PLC對傳感器信號進行處理并顯示在人機界面上，依靠伺服電機帶動轉盤轉動實現連續裝袋，其中以PLC為基礎的伺服控制器的作用顯而易見。計數裝袋機的PLC控制系統組成見圖1。

圖1 控制系統構成Fig.1 Control system diagram

其各部分功能介紹如下。轉盤控制驅動系統功能為接收PLC 和HMI 輸入的運轉命令及轉動角度設定，監測編碼器傳回的脈沖信號，獲得轉動角度及轉動位置，控制伺服電機的運轉速度及同步定位動作。光纖傳感器的主要功能是信號檢測，產生脈沖，獲得陶瓷球的數量。人機界面（HMI）的功能為接收參數設定數據及顯示設備運轉狀態。PLC 的功能為處理基本接口，傳動，開關信號。伺服電機功能為帶動轉盤的轉動，編碼器靠軸的轉動而帶動編碼器產生脈沖信號，輔助整個系統完成裝袋功能。PLC控制系統一方面處理光纖傳感器的脈沖信號實現計數，一方面控制伺服電機的轉動，以達到較高的工作效率，使計數裝袋順利進行。

1.2 流程說明

計數裝袋機流程設計是該控制系統的核心，同時是人機界面設計的基礎。通過研究，整個工作過程主要分為送球，計數，裝袋。電機轉動帶動傳送帶實現陶瓷球的送料，計數則由光纖傳感器與PLC配合完成，通過電磁閥實現對擋流板的控制，從而精確控制每袋陶瓷球的數量，陶瓷球最后通過導流道順利進入包裝袋中。主要流程控制見圖2。

圖2 流程控制Fig.2 Process control diagram

伺服控制系統主要控制機械裝置完成送球、截流和裝袋轉動的協調。送球速度很關鍵，如果速度過快就會產生陶瓷球顆粒流的瓶頸效應，造成堵塞，影響設備的工作。陶瓷球每觸動光纖傳感器的光軸1 次就會產生1 次脈沖，PLC 就會對此計數1 次，需要注意的是傳感器與PLC 的工作頻率一定要滿足系統要求，否則會造成計數的不準確。當計數達到設定值時，擋流板迅速落下，延時，陶瓷球入袋，伺服控制系統最終完成轉盤轉動。觸摸屏人機界面可隨時對系統進行停機和運行的控制，同時也可設定批量計數和轉動角度，系統自動進行控制。

2 PLC與觸摸屏控制系統的實現

2.1 PLC與觸摸屏控制系統

PLC使用方便，編程簡單，可靠性高，抗干擾能力強［7-8］。PLC 已被廣大用戶公認為最可靠的工業控制設備之一。目前相關領域的研究著重于對控制系統的優化設計，以提高設備的整體質量和工作效率［9-11］。本文所述計數裝袋機在樣機設計和測試中，控制系統采用三菱FX 系列的PLC作為主控核心，與三菱GOT1000系列觸摸屏連接，三菱FX系列控制主機與伺服系統通訊，直接對伺服系統輸入參數，方便程序的編制與修改。三菱FX3U控制器通過擴展模塊可以作為執行主機，具有多個輸入輸出點，可以滿足4道光纖傳感器信號輸入、啟動、停止等各種信號以滿足應用需求［12］?？刂葡到y的基本輸入/輸出規劃如表1所示。

表1 PLC I/O點規劃Tab.1 PLC I/O planning chart

整個控制系統通過PLC 的輸入輸出實現邏輯控制，通過信號通訊實現對伺服的控制、人機界面的執行及狀態的顯示等。整體設計按照設備流程要求利用PLC和觸摸屏配合設計完成。

2.2 PLC高速計數器的使用

本文所述控制系統中，由傳送帶送球，速度較快，所以光纖傳感器接收的信號頻率較高，為滿足信號要求，需要使用PLC 內置高速計數器。高速計數器根據特定的輸入執行動作，根據中斷處理進行高速動作，它與可編程控制器的掃描周期無關。需要注意的是PLC 的內置高速計數器分配在指定的輸入端，輸入端X0，X1，X2，X3 分別對應的內置高速計數器是C235，C236，C237，C238，不可重復使用。在計數時，三菱FX 系列PLC內置高速計數器的當前值達到設定值時，需要立即進行輸出處理，需要使用高速計數器比較置位/復位指令，即HSCS/HSCR 指令。按設計要求當計數值達到設定值時，擋流板應該落下，從而保證此袋球數量正確，本文程序運行過程中總會出現擋流板不能落下的問題，這是PLC程序掃描周期造成問題，具體解釋就是修改前使用的是（=）指令，在第1 個掃描周期時，計數值是設定值的前一個數，可是到下一個周期時，計數值是設定值的后一個數，這樣PLC就捕捉不到設定值與計數值相等的情況，所以擋流板就不會落下。編者進行了優化設計，用（>=）指令代替了（=）指令，這樣，即使程序掃描錯過了這個設定值，在下一次掃描時計數值一定是大于等于設定值的，這樣PLC 就會執行程序指令，很好地解決了這個問題，部分示例程序如圖3所示。

圖3 示例程序Fig.3 The sample program

3 控制系統人機界面設計

3.1 設計原則

根據計數裝袋機的工藝需求，控制系統使用三菱GOT1000 系列觸摸屏，對系統進行操作、監視控制和參數設置，主要工作包括：控制功能（運行、停止、清零）；參數的設置（每袋袋數、延時時長、轉動角度等）；監控及報警訊息。在控制系統中，操作人員將控制信息通過觸摸屏界面的輸入模塊傳遞給設備，設備通過界面的輸出模塊將反饋信息顯示在人機界面上，達到人與設備的信息交流，達到控制機器的目的。因此，人機界面的設計關乎用戶能否正確有效地控制機器的運行。人機界面設計的基本原則有：1）充分考慮顯示與控制的邏輯關系，以提高工作效率和減少差錯；2）充分考慮到實際的工作環境及使用需求，以及人的生理特點和形成的動作習慣，合理設置顯示界面；3）根據顯示與控制功能組的構成，考慮視覺與使用功能，可提高辨識的效率和準確度；4）考慮整體布局的美觀性，電子設備的設計不僅要有其實質的功能性，還應具有良好的美觀性，貼合用戶的生活，以提高工作效率［13］。

3.2 人機界面設計的實現

為實現計數裝袋機控制系統人機界面操作的人機互動性，對界面進行優化設計。計數裝袋機運行平穩，平地擺放，工作氣氛和諧，根據人機工程學理論，界面色彩不宜過于刺激與強烈，也不宜沉悶枯燥，應使使用者在工作時心情愉快。中性灰的顏色可以產生堅固有力及穩重的視覺感，達到既穩重又生動和諧的效果。所以該方案標準色為淺灰色（圖4 中白色部分），見圖4a。藍色代表沉穩，在工業生產中，具有暗示、警示作用［14］，讓使用者在保持工作效率的同時，提醒使用者在生產過程中要時刻保持清醒，對生產過程中的突發情況能夠冷靜沉著應對，所以按鍵基色為藍色（圖4中黑色部分）。報警顯示選擇橙色（圖4中灰色部分）。

圖4 計數裝袋機界面設計Fig.4 Interface design of counting package machine

人機界面的顯示信息排列以該系統的操作要求和工藝流程為基礎，減少人眼的信息搜索任務。在人的感知問題上，人會掃描環境的突出點，積極地尋找出現的目標。當在搜索目標時遇到干擾，就常產生視覺誤差，增加錯誤操作的概率，使安全性和效率降低。界面首頁上觸摸按鍵按照L型排列方式排列，顯示信息集中在矩形方框內，一目了然。時間放在右上角，日期放在右下角，避免密集集中，簡明清晰。黑體字沒有襯線裝飾，字形端莊，筆畫橫平豎直，所有字體選用黑體。參數設置輸入界面是用戶操作最頻繁的界面，也是界面控制系統中最可能出現錯誤的部分。其設計的目標是：簡化用戶工作，盡可能降低誤操作概率［15］。在設置參數界面，按照從左到右的順序，設置參數集中在左半部分，確定和返回按鍵設置在右半部分。用戶設置參數時，點擊數字框，界面會彈出鍵盤，鍵盤可拖動，操作者在對某個參數進行修改時，也可查看其他參數的實時數值，見圖4b。本文所述人機界面從人機工程學角度來研究界面設計，將人機工程學理論應用在人機界面的實際設計中，對計數裝袋機的人機界面設計提出了具體可行的設計原則，使設計條理化，創造型設計理性化。提高了操作系統的可靠性、舒適性、高效性和識別的準確性。

4 結論

計數裝袋機控制系統采用PLC、電氣元件和美觀的觸摸屏，對計數裝袋工藝流程進行簡潔、智能控制，充分滿足了流程及控制需求，使設備以自動化的方式運行，提高了產品的計數精度和效率。經過優化設計的人機控制界面，人機交互更加高效準確，使得控制系統的可靠性大大增強，便于操作人員的觀察和對設備的維護。本文所設計的控制系統通過在計數裝袋機上模擬運行調試，很好地達到了使用效果，基本實現了自動化控制，使計數裝袋機的整體設計提高了一個新的層次。

［1］ 魏艷紅，韓麗潔，許昌.基于PLC 的電動缸伺服控制系統設計［J］.電氣傳動，2014，44（10）：60-63.

［2］ 吳忠，呂緒明.基于磁編碼器的伺服電機速度及位置觀測器設計［J］.中國電機工程學報，2011，31（9）：82-87.

［3］ Sarma S，Agrawal V K，Udupa S.Software-based Resolver-todigital Conversion Using a DSP［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55（5）：371-379.

［4］ Lamkull Dan，Hanson Lars，Ortengren Roland.The Influence of Virtual Human Model Appearance on Visual Ergonomics Posture Evaluation［J］.Applied Ergonomics，2007，38（6）：713-722.

［5］ Zaeh M F，Poernbacher C.Model-driven Development of PLC Software for Machine Tools［J］.Production Engineering，2008，2（1）：39-46.

［6］ Schmidt A，Spiessl W，Kern D.Driving Automotive User Interface Research［J］.IEEE Pervasive Computing，2010，9（1）：85-88.

［7］ 蔡錦達，尤黔林，黃樹根，等.基于臺達PLC 的紙護角機控制系統［J］.包裝工程，2010，31（15）：77-80.

［8］ Liang Na，Xiao Jiang.Design of Automatic Production Line Training System Based on PLC［J］.Sensors and Transducers，2013，155（8）：271-277.

［9］ 馬立新，王建梅，康建峰，等.軋機軸承試驗臺PLC 與直流調速裝置故障處理［J］.軸承，2012（11）：29-31.

［10］謝秋金，李曉菲，董衍旭，等.基于可變計數門限的車檢器設計［J］.電子技術應用，2012，38（1）：21-23.

［11］殷佳琳，王舒華，張文君.基于PLC的變頻恒壓供水系統設計［J］.控制工程，2014，21（2）：309-311.

［12］孫懷遠，廖躍華，郭志杰，等.帶式計數裝瓶機設計［J］.包裝工程，2009，30（4）：53-55.

［13］吳衛榮，丁慎平，鄧玲黎.PLC和觸摸屏在AGV控制系統中的應用［J］.現代制造工程，2012（12）：115-119.

［14］關玉明，朱博，劉偉，等.基于人機界面的電池極片生產線PLC控制［J］.機械設計與制造，2009（1）：160-162.

［15］陳東青.基于PLC與觸摸屏的碼垛工業機器人操作系統設計［J］.包裝工程，2014，35（23）：84-88.