基于PLC 和MCGS 的黑水虻干蟲包裝生產線監控系統

劉昱呈，劉華，通信作者，王淼鑫，尹紅葉，常若葵，杜鵬

（1. 天津農學院 工程技術學院，天津 300392；2. 天津瑞思達智能農機裝備有限公司，天津 300450）

黑水虻干蟲因其所含優質蛋白的高營養價值和商業價值正逐漸成為牲畜的首選飼料。黑水虻干蟲中粗脂肪含量為4.30%～38.17%，粗蛋白質含量為32.27%～52.30%，粗灰分含量為8.50%～25.31%[1-2]。隨著黑水虻商品化進程的加速，其生產包裝需求日漸加大。國外的包裝生產線大多采用計算機自動控制方式。以美國為首的發達國家長期壟斷著市面上絕大部分高端自動包裝設備的核心技術，其技術優勢及獨特的產品風格，占據國際市場主要份額[3]?，F階段我國飼料生產包裝仍大量使用人工，成本高且自動化水平低，致使飼料包裝產業整體發展較為緩慢[4]。傳統黑水虻干蟲包裝采用手工方式，存在包裝效率低，工人勞動量大、包裝質量無法得到保障等問題。隨著工業自動化的飛速發展，手工包裝也將逐漸被自動化生產線所替代。近幾年，國內涌現了一批發展勢頭較好的包裝機企業，取得了令人矚目的成果[5]。對于包裝行業來說，自動化已成為未來的行業趨勢，有一些大型企業已經開始改用機器人自動碼垛[6]。本設計以PLC 為控制核心，設計一個以MCGS Pro組態軟件為上位機平臺，可實時監控黑水虻干蟲的稱重、送料、供袋、包裝封口等自動完成的包裝生產線實時監控系統。該系統可實現人機互動，實時監控包裝生產線參數的信息，檢測生產線上的包裝過程，可以減少工人工作量、降低工人工作強度、提高包裝生產效率，并使包裝質量得到保障。

1 系統要求

在實地考察黑水虻干蟲人工包裝流程基礎上，提出黑水虻干蟲包裝生產線應具備：自動完成送料、稱重、供袋、開袋與撐袋、計量放料、封口折邊、輸送、計數等功能。欲實現上述功能，工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 黑水虻干蟲包裝工藝流程圖

工作具體步驟如下：

（1）打開黑水虻干蟲料倉的倉門，干蟲料會由倉口落入到1 號傳送帶上的深槽盤中，當電子秤顯示干蟲料質量達到閾值范圍時，干蟲倉停止送料，關倉口，傳送帶停止運行。

（2）供袋和送料同時進行，送袋裝置將袋子放入供袋位置，取袋器將袋子從供袋位置取出，機械手吸盤吸住袋子，將其放到裝袋位置，袋子打開，隨后機械手吸盤復位，機械手回歸原位。

（3）將稱量好的干蟲料推入打開的袋中，封口裝置對其完成封口操作，隨后裝袋吸盤復位，料倉重新打開，1 號傳送帶繼續運行，再次供料。而2 號傳送帶將包裝好的干蟲傳送至二次稱重秤前，進行二次稱重，合格的成品送入成品箱，計數器顯示加1，檢測到不合格的成品，將其剔除。

2 硬件設計

根據工藝要求，系統以檢測元件采集到的信息作為PLC 觸發信號，PLC 按照控制要求通過變頻器、伺服驅動、電磁閥等控制元件控制氣缸、機械手、吸盤和傳送帶實現黑水虻干蟲的自動包裝過程。

本設計選用日本三菱公司生產的 FX3U-48MT PLC 作為主控器。系統需19 個輸入接口和16 個輸出接口。黑水虻干蟲包裝生產線控制系統的I/O 分配表如表1。

表1 I/O分配表

系統檢測模塊包括稱重傳感器、磁性開關與漫反射光電傳感器。主要用來檢測黑水虻干蟲的重量以及包裝生產線上各設備的位置，從而保障整個控制系統的正常運行以及黑水虻干蟲的標準包裝。其中，（1）CZL601 稱重傳感器，其具有外形美觀、接線簡單、精度高、穩定性好、耐腐蝕等優點。該傳感器共有5 根線：一組電源線、一組信號線，還有一根屏蔽線。稱重傳感器輸出的電壓信號可接入PLC 模擬量輸入擴展模塊。（2）歐姆龍E3Z-D61 的漫反射光電傳感器，當光電傳感器檢測到物體，接收器接收到發射器發出的光線，對應的光電開關產生啟停信號。（3）D-M9B二線制NPN 型磁性開關，將其裝配在氣缸上，當氣缸伸出或縮回時，磁性開關檢測到信號，可以利用該信號判斷氣缸的運動狀態或所處的位置，以便完成下一步動作。

系統執行機構主要包括：電機、氣缸、吸盤、機械手等模塊。其中，（1）SC32 標準氣缸完成推袋、取袋、推料、撐袋、裝袋等一系列工作。（2）利用氣動機械手實現轉移袋子的工作，氣動機械手由擺動氣缸、雙聯氣缸、筆型氣缸等氣缸，接近開關、磁性開關等開關，底座，夾鉗與吸盤等執行機構組成。選用的CV-10HSCK 真空發生器由進氣口、真空口（吸氣口）、排氣消音口、壓力調節螺絲組成，兩個驅動連接進氣口、真空口，消聲器連接排氣消音口，與吸盤結合可以進行袋子的吸附。（3）利用SMC ZPT25DNJ10-B5-A10真空吸盤和氣缸或機械手連接，電磁閥通過真空發生器來控制吸盤。

3 監控設計

黑水虻干蟲包裝生產線控制的監控設計主要是根據包裝工藝流程，完成基于PLC 的黑水虻干蟲包裝生產線控制，在此基礎上完成系統的人機交互設計。人機交互方案如圖2 所示。

圖2 人機交互方案圖

本設計利用MCGS Pro 組態軟件搭建黑水虻干蟲包裝生產線控制的上位機監控平臺。該監控平臺由登錄界面、主控界面、傳感器界面和報警界面等構成。界面設計如下：

（1）結合實際的包裝生產線系統，在主控系統界面當中設計所要顯示和控制的內容，并做出整體框架結構。主控界面內容包括：啟動停止按鈕、伺服傳送帶、變頻傳送帶、黑水虻干蟲料、袋子、氣缸、機械手、裝袋封口裝置、稱重裝置、計數裝置、報警指示燈、畫面切換按鈕等。運用工具箱中的矩形工具、直線工具、流動塊構件、輸入框、按鈕等控件完成整體畫面，包裝監控畫面如圖3 所示。

圖3 黑水虻干蟲包裝監控畫面

（2）通過主控界面中的傳感器界面按鍵可進入傳感器監控畫面，對一次稱重傳感器和二次稱重傳感器進行傳感器參數設定以及傳感器采集數據的實時監測；在傳感器監控界面增加報警條，可以實時監控報警狀態；在傳感器監控界面，用戶窗口屬性中的循環腳本中，增加C 腳本語言。

（3）通過主界面中的報警界面按鍵可進入報警監控畫面；當稱重當前值大于設定上限或者小于設定下限時，均觸發報警。

（4）通信設置。通過Modbus RTU 通信協議設置傳送速度等參數，實現PLC 與上位機通信。PLC 與上位機通信界面如圖4 所示。

圖4 PLC 與上位機通信界面圖

4 系統測試

利用MCGS Pro 中的下載配置實現上位機畫面的仿真，點擊模擬運行，得到主界面仿真運行結果如圖5、圖6 所示。系統送料送袋開始—取袋吸盤吸住袋子交給機械手—機械手吸住袋子后移動且取袋吸盤復位取袋氣缸縮回—裝袋吸盤吸住袋子裝袋氣缸伸出隨后袋子打開且機械手吸盤復位—機械手回歸原位—推料氣缸將料推到袋子—裝袋物料光電傳感器檢測到料隨后封口完畢，推料氣缸縮回且裝袋吸盤復位裝袋氣缸縮回、系統重新送袋送料、二次稱重裝置將不合格的成品剔除且報警指示燈變紅發出報警。

圖5 主界面仿真運行結果（1）

圖6 主界面仿真運行結果（2）

傳感器界面和報警界面仿真運行結果如圖7、圖8 所示。在傳感器界面對一次和二次稱重進行參數設置，當一次或二次稱重重量中任何一個不在其設定的上限與下限之間，報警滾動條會閃爍，報警界面會顯示稱重實時信息，而當二次稱重不合格時，主界面的二次稱重不合格會立即變紅，當不合格的成品到達二次稱重裝置，二次稱重不合格指示燈會變紅，并剔除不合格的成品。

圖7 傳感器界面

圖8 報警界面仿真運行結果

5 結論

利用PLC 和MCGS Pro 組態軟件設計的黑水虻干蟲自動包裝系統可實現黑水虻干蟲送料、稱重、供袋、開袋與撐袋、計量放料、封口、輸送、計數等功能等操作的實時監控、自動運行等功能，能夠解決黑水虻干蟲手工包裝方式中存在的需要多人次管理、操作效率低、人工勞動強度大及有安全隱患等問題。本系統方案的實施為未來黑水虻干蟲包裝技術提供了參考。