全自动高速注肩机控制系统的研制

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 2.37MB 77 页 15积分
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摘 要
软管包装的化妆用品和药品是人们日常生活中不可缺少的生活用品。完成一个
成品软管需要经过制管、注肩等工艺过程。现在国内使用的注肩机大部分是手动
或者半自动型，工作中需要工人将制好的管子用手套入模具，然后操作机器进行
注塑、冲压、脱模、等待注出的肩冷却成型后，再通过工人使用手将成品从模具
上拔下。这样的工作方式为间歇工作，工作效率低，劳动强度大，工作环境恶劣，
人力人本高，跟不上现代化大生产的需要，迫切需要一种高速连续工作的全自动
注肩机。
针对目前国内包装行业的应用现状和市场需求，我们根据实际工作要求，运用
先进控制理论，自主研发了一套新的高速全自动注肩机控制系统并得到了实际应
用，运行情况可靠，效果良好。
本文介绍了整个全自动注肩机控制系统的控制要求和工作原理，对系统开发过
程中几个关键、难点技术进行了分析，讨论了解决和优化方案，给出了系统整体
软硬件设计方案和调试方法。从控制系统开发的实践出发，对整个控制系统的温
度和压力控制、故障诊断系统进行了比较详细的分析，阐述了控制系统的总体结
构设计，各个功能模块的设计方案，提出了在 PLC 中实现模糊控制的方案，在工
程实践中实现了对温度的模糊 PID 控制。
本文涉及到的知识领域主要包括：模糊控制理论、自动控制理论、故障诊断系
统、现场总线技术、自动化控制技术。
关键字：注肩机 模糊 PID 故障诊断
ABSTRACT
Cosmetic and medicine that packaged by flexible tube are necessaries in our daily
life. A finished flexible tube producing requires the process of tube making and heading.
Nowadays, most of the inland tube-heading machines are manual or semi-automatic.
The workers should put the tubes onto the modules, then operate machine to inject resin
material, punch and head. They take off those finished products after the heading being
done. This kind of working methods can't meet the needs of modern volume-production
but only have many weaknesses such as low efficiency, hard laboring, bad environment
and high cost. So there is an urgent demand for a high-speed continuous automatic
tube-heading machine instead the old producing way.
According to the application situation and market requirements of packaging
industry in our nation, we have researched and developed a new high-speed automatic
tube-heading machine control system using advanced control theory based on the actual
requirements, and it has been applied to produce reliably and effectively.
The control requirement and working principle of the whole automatic tube heading
control system are introduced in detail. The key technology and difficulties in the
process of the system development are analyzed. The paper discussed the technique to
solve, optimize and present the design and solvent of the software and hardware in the
whole system. Starting from the development of the control system, a particular analysis
has been done to the system of the temperature and pressure control, fault diagnosis in
the whole system, the general structure design of the control system and the design
project in each functional module have also been expatiated, the method of realizing the
Fuzzy control in PLC and the fuzzy control for temperature under PID system in the
practice of the engineering have been presented as well..
Knowledge involved in the text mainly contains: Fuzzy Control Theory、
Automatic
Control Theory、Fault Diagnosis system、Fieldbus、Automatic Control Technology.
Key word: Tube heading system, Fuzzy PID, Fault Diagnosis
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论 .................................................................. 1
§1.1 课题背景................................................................................................................................. 1
§1.2 课题的提出.............................................................................................................................2
§1.3 系统研究计划和路线.......................................................................................................... 3
§1.4 本论文主要研究工作.......................................................................................................... 4
第二章 注肩机自动控制系统 .................................................. 6
§2.1 全自动注肩机的控制要求.................................................................................................7
§2.1.1 各工位功能简介：.......................................................................................................... 8
§2.2 全自动注肩机的硬件设计.................................................................................................9
§2.3 全自动注肩机的软件设计...............................................................................................14
§2.3.1 时序控制模块................................................................................................................. 14
§2.3.2 运动控制模块................................................................................................................. 17
§2.3.3 通讯手段的运用.............................................................................................................18
§2.3.4 温度控制模块................................................................................................................. 22
§2.3.5 压力控制模块................................................................................................................. 22
§2.3.6 故障诊断模块及故障规律.......................................................................................... 23
§2.3.7 人机界面...........................................................................................................................27
第三章 温度控制系统 ........................................................ 29
§3.1 温度控制常用方法简介................................................................................................... 29
§3.2 被控对象结构特征分析及控制方案确定................................................................... 32
§3.2.1 被控对象机械结构描述...............................................................................................32
§3.2.2 加热元件的安装和加热功率的确定........................................................................32
§3.2.3 控制方案的确定.............................................................................................................33
§3.3 温度控制系统硬件电路设计.......................................................................................... 33
§3.4 Fuzzy-PID 的 PLC 实现................................................................................................... 35
§3.4.1 模糊控制的基本原理................................................................................................... 35
§3.4.2 传统 PID 控制原理........................................................................................................ 38
§3.4.3 模糊 PID 控制................................................................................................................. 47
§3.4.4 加热工作台数学模型................................................................................................... 59
§3.4.5 FuzzyPID 的 PLC 实现：.............................................................................................61
§3.4.6 控制效果...........................................................................................................................62
第四章 系统的调试与运行 ............................................. 64
§4.1 硬件功能性调试................................................................................................................. 64
§4.2 整体功能性调试................................................................................................................. 65
§4.3 小结........................................................................................................................................ 66
第五章 总结与展望 ................................................... 67
附 录 .............................................................. 68
参考文献： .......................................................... 72
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 74
致 谢 ............................................................... 75
第一章 绪 论
1
第一章 绪论
软管包装的化妆用品、药品是人民日常生活中不可缺少的生活用品。但是国
内包装机械行业较薄弱，有些包装机械自动化程度较低，有些甚至需要完全进口，
如何提高自动化生产水平是包装机械行业遇到的急切需要解决的问题之一。本文
论述了新型高速全自动注肩机的自动化控制问题，使用基于 PLC 的模糊算法实现
恒温控制，通过压力检测实现吐塑量均匀控制，通过检测手段实现对各个工位时
序控制，使用故障智能诊断方法保证整个机器安全准确的运行。
§1.1 课题背景
近年人民生活水平逐步实现小康水平，为食品包装机械的发展提供了广阔市
场。农村消费出现城市化倾向，自给型消费结构进一步向商品型消费结构转化，
旅游业也在迅速发展，这些都将对食品工业和食品机械的发展带来刺激性的市场
需求 [1, 2]。
随着我国包装工业化进程的加快，对包装机械提出了更高的要求。目前我国
包装机械尚有相当一部分不能自给生产或产品技术水平不高，需要从国外进口。
我国的食品和包装机械装备属国际中、低档产品。整体水平比发达国家要落
后20 年，我国包装机械仅有 5%能达到国际 90 年代初期水平，20%的产品达到国
际80 年代水平，其余 60%仅能达到国际 70 年代水平。单机多，成套流水线少:通
用机型多，高效专用生产机械少:结构简单、技术含量低的产品多，高技术附加值、
高生产率的产品少。目前进口产品在国内高档食品机械和包装机械市场占主导地
位，国产设备主要集中于中低档市场。[1]
我国食品和包装机械产品技术、品种的国内满足度不断增加。但出口的产品
多为低档产品和零部件，而进口产品多为技术含量较高的高档产品。产品的自动
化程度和产品可靠性与国外先进产品还相差较大，在大型成套设备上表现尤为突
出。
包装机械的技术水平、工作效率和可用性不仅直接影响包装产品的内在和外
在质量，而且对各类产品生产部门的经济效益影响很大。随着我国工业迅速发展
和人民生活水平的不断提高，对食品及各个行业产品的包装水平要求越来越高，
国内对技术先进、经久耐用、稳定高效的高档包装机械的需求增长较快。
以软管包装为例，首先制管机将铝塑片材或塑料片材焊接成型、切割成管；
然后经注肩机将管子的一端注塑压制出“肩”，旋上盖子；最后将牙膏、化妆品等
全自动高速注肩机控制系统的研制
2
注入管内，再使用封尾机，将管子另一头封装切平，这样才成为可用软管包装产
品。
现在使用的注肩机仅仅是半自动的，工作中需要工人将制好的管子用手套入
模具，然后操作机器进行注塑、冲压、脱模、等注出的肩冷却成型后，再通过工
人使用手将成品从模具上拔下。这样的工作方式为间歇工作，工作效率低，劳动
强度大，工作环境恶劣，人力人本高，使用熟练工人生产一分钟仅能达到 30 支左
右的生产速度，跟不上现代化大生产的需要。迫切的需要一种高速连续工作的全
自动注肩机代替这样人工的生产方式。
为了提高我国包装机械装备水平，填补国内包装产品空白，推动国内包装行
业生产效率的提高，我们受上海三槐包装机械有限公司的委托完成了全自动高速
注肩机控制系统的研制，并得到了实际应用。
§1.2 课题的提出
在全自动注肩机中，吐塑系统的好坏是决定注肩机性能的关键因素之一，吐
塑工位的压力及温度等参数，决定着注肩的质量。首先下料时，需要保证熔料的
工作温度保持在设定温度范围之内，以保证熔料的粘度、流动性和可塑性适合加
工。如果温度过低，使熔料不能完全熔化，直接导致压制出的“肩”不均匀；而
如果温度过高，使熔料过于稀疏，使压制出来的“肩”过薄，有些甚至不能焊合。
为了达到比较适宜的注肩效果，还需要保证料筒内的压力恒定，使得出料量恒定。
目前对于温度的控制大多是使用 PID 控制。这种方法简单，便于实现，但参
数整定较为困难，特别需要在实际生产中根据加料的快慢与料的多少，由操作工
人凭经验来手动设定 PID 参数，且一组整定完成的参数只能在较少的控制范围内
有较好的控制效果，这样往往设定的参数并不完全符合实际工程所需的对象特性
参数，因此对出料温度控制的效果有一定的影响。如何解决精确控制温度已成为
一个重要课题。为了适应不同需求，需要选择灵活性较强、有较强的重构能力的
系统。重构能力是指系统具有随业务过程的变化，进行功能配置和动态改变的能
力。传统的 PID (Proportional-Integral-Differential)控制还占主要地位，但是对于数
学模型并不清楚的被控对象，传统的 PID 技术便不能很好处理了。在这种场合，
模糊技术发挥了无法替代的作用，模糊控制不需要精确的控制模型，尤其是响应
时间短，超调量小是模糊控制的优势，然而在一般温度控制中，很少引入模糊控
制方法，在对温度要求较高的控制场合是使用专用芯片或者专用模块实现的模糊
控制，这就造成了成本的上升，我们基于 PLC 直接开发模糊控制系统，并在本机
中实现了基于 PLC 的模糊 PID 的恒温控制方法。
第一章 绪 论
3
本设备对设备时序要求比较高，在机器高速运行的时候如果有某一部分动作
错误，或者动作不到位，就会造成机械碰撞，损坏模具和设备。
在通常情况下生产厂家购买包装设备后，会提前一个月派人来生产厂学习调
试、维修技术，但由于时间短与人员的问题，不能很快完全掌握设备的调试维修，
设备生产厂家的技师也不可能在安装设备现场调试指导很长时间，如何能让生产
厂家很快掌握设备的调试经验，如何能让设备的制造厂、用户互相分享设备的维
修经验，在遇到疑难问题如何指导设备的维修，如何迅速在机器故障时判断出故
障原因并快速解决，是故障诊断方法出现以前不能很好解决的间题。
以前故障诊断的局限性主要表现在:[17]
1.不能有效地利用调试技师和专家的知识和经验;
2.缺乏双向推理能力;
3.对诊断结果缺乏解释，诊断程序的修改和维护性差;
我们本机采用选用 PLC 作为主控制器，在 PLC 上实现主机控制功能。可编程
控制器(Programmable Logic Controller,简称 PLC)，由于其可靠性高、编程方便、配
置灵活，在现代工业控制中得到十分广泛的应用，尤其是在恶劣的工业环境中，
可编程控制器有十分突出的优点。
现在市面上出现独立温控模块，能对某一区独立进行温度控制，并且内嵌 PID
运算，对温度独立显示，运用方便，但是考虑到本机由 PLC 统一控制，参数由触
摸屏设置，这样使用独立温度模块就不是很方便，使用 PLC 结构紧凑、可靠性能
高，而且 PLC 提供的温度控制能力较高，我们在 PLC 上实现模糊温度控制以提高
温度控制的精度。
随着控制技术的发展，PLC 作为主控制器，有了越来越多的功能，很多以前
需要工控机实现的功能现在仅需要加几个模块就可以实现，非常方便。其强大的
网络功能，为数据的集中监测和管理提供了有力的技术支持。
但在 PLC 基础上直接开发模糊 PID 控制程序在以前的应用中比较少见。我们
使用基于 PLC 的模糊控制方法节省了购买模糊专用模块的费用，从而使本机控制
系统具有很高的性价比。利用 PLC 的逻辑控制功能直接开发出对机器的逻辑控制
块实现了所有控制要求，达到了设计需要。
§1.3 系统研究计划和路线
本系统研究路线与开发步骤如下:
(1)理论研究和技术准备;
查阅国内外有关文献，查阅与收集了全自动注肩机与温度、压力控制、时序
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控制的各种资料，仔细研究了有关控制的思想和方法。为了更好、更快地开发完
成系统，掌握了所要用的各种软件硬件，包括:FATEK 系列 PLC 编程软件、变频器、
电机、设置，通讯方法等等.
(2)现场调查研究;
通过多次到牙膏厂的调查研究，了解原系统的注肩机结构、半自动注肩机机
械装置功能介绍及性能指标、系统的工艺流程等等。
(3)需求分析与初步设计;
在调查研究的基础上，进行了需求分析和初步设计，根据新系统的需求，结
合现场调研，选取适当的控制系统与控制方案。
(4)详细设计开发;
在需求分析与初步设计基础上进行详细设计，对单体部分的运转方案及系统
联机运转说明作了详细描述。
(5)现场施工;
根据项目组的要求在现场安装全自动注肩机各部分的设备。
(6)系统调试;
首先进行各单工位调试，即用 PLC 控制每一个单体设备，在操作台上，实现
对每一个设备、每一个动作的单步控制。然后，进行系统联机调试，这也是调试
的重点，调试过程中遇到的困难很大，要一边调试，同时根据现场情况修改程序，
使系统性能趋于完美。
§1.4 本论文主要研究工作
本文介绍了全自动注肩机控制系统的控制要求和工作原理，介绍了本机的设
计步骤和开发过程、调试过程与现场问题，并形成最终产品。对系统开发过程中
几个关键、难点技术进行了分析，讨论了解决和优化方案，给出了系统整体软硬
件设计方案和实际解决情况。从控制系统开发的实践出发，对整个控制系统的难
点，温度和压力控制、故障诊断系统进行了比较详细的分析，阐述了控制系统的
总体结构设计，各个功能模块的设计方案，提出了在 PLC 中实现模糊控制的方案，
在工程实践中实现了对温度的模糊 PID 控制。
本人的主要工作及贡献为：
针对全自动注肩机的总体要求，参与设计、并制定了该设备的整体方案。确
定方案是开发该设备的首要任务，也是最重要的基础，关系到该设备最后的总体
效果和成败，因为没有发现与该设备功能、用途类似的装置，所以在确定方案时，
综合考虑了多方面的问题，进行了反复的讨论和论证，以确保该方案既是成功的，
摘要：

摘要软管包装的化妆用品和药品是人们日常生活中不可缺少的生活用品。完成一个成品软管需要经过制管、注肩等工艺过程。现在国内使用的注肩机大部分是手动或者半自动型，工作中需要工人将制好的管子用手套入模具，然后操作机器进行注塑、冲压、脱模、等待注出的肩冷却成型后，再通过工人使用手将成品从模具上拔下。这样的工作方式为间歇工作，工作效率低，劳动强度大，工作环境恶劣，人力人本高，跟不上现代化大生产的需要，迫切需要一种高速连续工作的全自动注肩机。针对目前国内包装行业的应用现状和市场需求，我们根据实际工作要求，运用先进控制理论，自主研发了一套新的高速全自动注肩机控制系统并得到了实际应用，运行情况可靠，效果良好。本...

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