一种砖茶包装线控制系统及参数化控制方法与流程

本发明涉及工业自动化控制领域，特别是一种砖茶包装线控制系统及参数化控制方法。

背景技术：

砖茶，即将茶叶压制成和砖一样的形状；目前类似于砖茶包装技术已经成熟，如对a4纸的包装和小型盒体的包装技术，但由于砖茶的包装工艺的不同，并不能将这些技术直接应用于砖茶的包装，大部分砖茶企业仍采用人工方式进行包装。

砖茶的大小是多样化的，这就对砖茶包装设备的适应性提出了更高的要求，目前市场上缺乏能适应不同大小砖茶的包装设备以及相应的控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够对不同尺寸的砖茶进行包装与装箱，适应性强、安全性高、自动化程度高的砖茶包装线控制系统及参数化控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种砖茶包装线控制系统，包括电源电路、主控制系统、从控制系统、进料运输与装箱控制系统、第一传感器系统、第二传感器系统；

所述电源电路包括控制电路、空气开关和漏电保护器件、滤波器、开关电源，用于为整个控制系统进行供电；

所述主控制系统包括第一hmi、主plc控制器、通信扩展模块、报警装置、第一伺服驱动器组、第一伺服电机组、第一伺服电动缸组和第一电磁阀；

所述从控制系统包括从plc控制器、通信扩展模块、步进驱动器组、步进电机组、伺服第三电动缸、第二伺服驱动器组和伺服第五电机；

所述进料输送与装箱控制系统包括第三plc控制器、报警装置、第二hmi、第三伺服驱动器组、三自由度机械手、电磁阀组、变频器和变频电机；

所述第一传感器系统包括丝杆位置感应器、物料感应器、气缸位置感应器、滚珠接触式感应器和伺服电动缸位置感应器，用于进行主控制系统和从控制系统的逻辑控制；

所述第二传感器系统包括丝杆位置感应器、物料感应器和气缸位置感应器，用于进行进料输送与装箱控制系统的逻辑控制；

所述主plc控制器内设有主控制系统程序；

所述从plc控制器内设有从控制系统程序；

所述第三plc控制器内设有进料输送与装箱控制程序。

进一步地，所述主控制系统包括第一hmi、主plc控制器、通信扩展模块、报警装置、第一伺服驱动器组、第一伺服电机组、第一伺服电动缸组和第一电磁阀，具体如下：

所述第一hmi，用于主控制系统和从控制系统控制参数的设定、报警信息和包装数据的显示、控制模式的切换以及主、从控制系统的调试；

所述主plc控制器，为主控制系统、从控制系统的控制核心；

所述通信扩展模块，用于和从控制器进行通信；

所述第一伺服驱动器组，接收主plc的控制信号，实现对第一伺服电机组和第一伺服电动缸组的控制，并向主plc反馈伺服报警信息；

所述第一伺服电机组，包括伺服第一电机、伺服第二电机、伺服第三电机和伺服第四电机；所述伺服第一电机用于控制取纸横移丝杆组件的横移运动，取纸横移丝杆组件带动取纸升降丝杆组件横向移动；所述伺服第二电机用于控制取纸升降丝杆组件的升降运动；所述伺服第三电机用于控制取砖横移丝杆组件的横移运动，取砖横移丝杆组件带动取砖升降丝杆组件横向移动；所述伺服第四电机用于控制取砖升降丝杆组件的升降运动；

所述第一伺服电动缸组，包括伺服第一电动缸和伺服第二电动缸，用于控制左右折纸机构；

所述第一电磁阀，采用三位五通阀，用于控制第一气缸的行程，进而控制第一取料机械手的开度，实现对不同尺寸的砖茶的抓取。

进一步地，所述从控制系统包括从plc控制器、通信扩展模块、步进驱动器组、步进电机组、伺服第三电动缸、第二伺服驱动器组和伺服第五电机，具体如下：

所述第二伺服驱动器组，接收从plc的控制信号，实现对伺服第五电机和伺服第三电动缸的控制，并向从plc反馈伺服报警信息；

所述步进电机组，包括步进第一电机和步进第二电机，所述步进第一电机控制第一升降台的升降，所述步进第二电机用于控制第二升降台的升降；

所述伺服第五电机，用于控制纸张短边点胶丝杆组件的升降；

所述伺服第三电动缸，用于将包装好的砖茶从包装工位上推出。

进一步地，所述进料输送与装箱控制系统包括第三plc控制器、报警装置、第二hmi、第三伺服驱动器组、三自由度机械手、电磁阀组、变频器和变频电机，具体如下：

所述第三plc控制器，采用独立控制器，与整个控制系统中的其它plc控制器之间无联系，作为进料输送与装箱控制系统的控制核心；

所述第二hmi，用于进料输送与装箱控制系统控制参数的设定、报警信息和装箱数据的显示、控制模式的切换以及进料输送与装箱控制系统的调试；

所述第三伺服驱动器组，接收第三plc控制器的控制信号，实现对第三伺服电机组的控制，并向第三plc反馈报警信息；

所述三自由度机械手，包括第三伺服电机组、x轴丝杆组件、y轴丝杆组件、z轴丝杆组件、第二气缸和第二取料机械手，其中第三伺服电机组包括伺服第六电机、伺服第七电机和伺服第八电机；所述伺服第六电机用于控制x轴丝杆组件的运动，进而控制y轴丝杆组件在x轴上的运动；所述伺服第七电机用于控制y轴丝杆组件的运动，进而控制z轴丝杆组件在y轴上的运动；所述伺服第八电机用于控制z轴丝杆组件的运动，进而控制第二取料机械手在z轴上的运动；

所述变频器，用于驱动变频电机，进而控制进料传送带，并配合物料感应器实现对物料的定点控制；

所述电磁阀组，包括第二电磁阀和第三电磁阀；所述第二电磁阀采用三位五通阀，用于控制第二气缸的行程，进而控制第二取料机械手的开度，从而实现对不同尺寸砖茶的抓取；第三电磁阀采用二位五通阀，用于控制第三气缸的推砖动作，将传送带上指定位置的砖茶推送到第一取料机械手的取料工位；

所述报警装置，包括警示灯和蜂鸣器；所述警示灯具有红、黄、绿三种颜色，通过控制不同颜色的警示灯以及蜂鸣器对不同程度的故障进行报警。

进一步地，所述系统控制程序包括主控制系统程序、从控制系统程序和进料输送与装箱控制系统程序，具体如下：

所述主控制系统程序，包括参数初始化程序、自检测程序、模式选择程序、复位程序、多电机协同控制程序、故障诊断与故障处理程序；

所述参数初始化程序，用于进行各个伺服电机速度和位置的初始化，在第一hmi上输入丝杆导程、丝杆需要运动的距离、伺服电机每转所需脉冲数、脉冲频率，参数初始化程序，计算出伺服电机的运动脉冲量和运动速度；

所述自检测程序，用于进行开机自动检测，检测各个控制器的所有控制对象是否在原点，若存在控制对象不在原点的问题，则自动调用复位程序对所有控制对象进行复位，若复位程序执行后仍有控制对象未回到原点则报警；

所述复位程序，用于进行各个控制器所有控制对象有序地复位；

所述模式选择程序，包括自动控制程序、点动控制程序和手动控制程序；控制系统调试时，先调用点动控制程序对各个控制对象进行试运行与传感器定位，若所有控制对象都能正常运转，则调用复位程序将各个控制对象复位到原点；使用手动控制程序检验自动控制程序是否正确，是将自动控制程序分解，然后单步执行，若能达到预期效果则说明自动控制程序正确，复位后即可切换到自动程序运行模式；

所述多电机协同控制程序，用于进行各控制器控制的多个电机的协同控制；

所述故障诊断与故障处理程序，用于检测和处理控制系统所产生的故障，故障处理程序根据检测到的不同的故障类型进行不同的处理，在通过第一hmi进行显示的同时启动报警装置进行报警；

所述从控制系统程序与所述主控制系统程序的程序架构相同，从控制系统所需的控制参数、控制系统的调试都通过主控制系统的第一hmi来操作，且从控制系统的报警信息在主控制系统的第一hmi上进行显示；

所述进料输送与装箱控制系统程序与所述主控制系统的程序架构相同，所述进料输送与装箱控制系统程序包含进料输送程序和装箱算法程序；

所述进料输送程序，用于对砖茶的定点输送，通过改变频器的频率实现对运料传送带的不同的速度控制；

所述装箱算法程序，用于规划砖茶的装箱路径，在第二hmi上输入砖茶的长、宽、高以及箱子的长、宽和高，装箱算法程序计算出当前的箱子能够存放砖茶的块数、当前砖茶的块数、应存放的位置信息，然后将计算得到的信息反馈至多电机协同控制程序，从而实现对砖茶的定点存放。

进一步地，进料输送与装箱控制系统中的三自由度机械手采用冗余控制，通过改变参数能够将三自由度机械手降成两自由度或一自由度机械手使用。

一种砖茶包装线控制系统的参数化控制方法，包括以下步骤：

步骤1、主控制系统进行参数化控制；

步骤2、从控制系统进行参数化控制；

步骤3、进料运输与装箱控制系统进行参数化控制。

进一步地，步骤1所述的主控制系统进行参数化控制，具体如下：

步骤1.1、整个控制系统上电，主控制器进行参数初始化；

步骤1.2、主制系统的控制器执行自检程序，若存在执行机构不在原点，则自动执行复位程序进行复位；若复位后仍存在执行机构不在原点，则切换到点动模式进行回原点；

步骤1.3、主控制系统都复位完成后，若不需更新参数，则直接选择控制模式，然后系统等待上料物料传感器的信号；若需更新参数，则从第一hmi上对主控制系统的参数进行更新，然后切换到手动模式单步调试一遍，若能达到预期结果，说明参数计算正确，可切换到自动控制模式；否则重新计算参数直至结果正确；

步骤1.4、当主控制系统处于自动模式时，上料物料传感器有信号，则主控制系统进行自动包装过程，同时并进行报警检测，若有报警产生，则主控制系统自动停机，并根据报警类型进行报警；在自动控制模式下，能够进行复位或停止操作；

步骤1.5、重复步骤1.4直至参数化控制结束。

进一步地，步骤2所述的从控制系统进行参数化控制，具体如下：

步骤2.1、整个控制系统上电，从控制器进行参数初始化；

步骤2.2、从制系统的控制器执行自检程序，若存在执行机构不在原点，则自动执行复位程序进行复位；若复位后仍存在执行机构不在原点，则切换到点动模式进行回原点；

步骤2.3、从控制系统都复位完成后，若不需更新参数，则直接选择控制模式，然后系统等待上料物料传感器的信号；若需更新参数，则从第一hmi上对从控制系统的参数进行更新，然后切换到手动模式单步调试一遍，若能达到预期结果，说明参数计算正确，可切换到自动控制模式；否则重新计算参数直至结果正确；

步骤2.4、当从控制系统处于自动模式时，上料物料传感器有信号，则从控制系统进行自动包装过程，同时并进行报警检测，若有报警产生，则从控制系统自动停机，并根据报警类型进行报警；在自动控制模式下，可进行复位或停止操作；

步骤2.5、重复步骤2.4直至参数化控制结束。

进一步地，步骤3所述的进料运输与装箱控制系统进行参数化控制，具体如下：

步骤3.1、整个控制系统上电，第三plc制器进行参数初始化；

步骤3.2、第三plc控制器、执行自检程序，若存在执行机构不在原点，则自动执行复位程序进行复位；若复位后仍存在执行机构不在原点，则切换到点动模式进行回原点；

步骤3.3、复位完成后，若不需更新参数，则直接选择控制模式，然后系统等待上料物料传感器的信号；若需更新参数，则从第二hmi上对进料输送与装箱控制系统的参数进行更新，然后切换到手动模式单步调试一遍，若能达到预期结果，说明参数计算正确，可切换到自动控制模式，否则重新计算参数直至结果正确；

步骤3.4、当进料输送与装箱控制系统处于自动模式时，上料物料传感器有信号，则控制系统进行自动装箱过程，同时并进行报警检测，若有报警产生，则进料输送与装箱控制系统自动停机，并根据报警类型进行报警；自动控制模式下，可进行复位或停止操作；

步骤3.5、重复步骤3.4直至参数化控制结束。

本发明与现有的技术相比，其显著优点在于：(1)实现了对不同大小砖茶的包装与装箱；(2)控制系统的调试方便，使用参数化控制方法，增强了控制系统的适应性，提高了砖茶包装线的自动化程度和安全性，提高了工作效率；(3)节省了人力，降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明砖茶包装线控制系统的结构示意图。

图2是本发明的整体程序架构图。

图3是本发明砖茶包装线控制系统的参数化控制方法中控制系统之主、从控制系统的程序控制流程图。

图4是本发明方法中进料运输与装箱控制系统的程序控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明一种砖茶包装线控制系统，包括电源电路、主控制系统、从控制系统、进料运输与装箱控制系统、第一传感器系统和第二传感器系统；

所述电源电路包括控制电路、空气开关和漏电保护器件、滤波器、开关电源，用于为整个控制系统进行供电。

所述主控制系统包括第一hmi、主plc控制器、通信扩展模块、报警装置、第一伺服驱动器组、第一伺服电机组、第一伺服电动缸组和第一电磁阀：

所述第一hmi，用于主控制系统和从控制系统控制参数的设定、报警信息和包装数据的显示、控制模式的切换以及主、从控制系统的调试；

所述主plc控制器，为主控制系统、从控制系统的控制核心；

所述通信扩展模块，用于和从控制器进行通信；

所述第一伺服驱动器组，接收主plc的控制信号，实现对第一伺服电机组和第一伺服电动缸组的控制，并向主plc反馈伺服报警信息；

所述第一伺服电机组，包括伺服第一电机、伺服第二电机、伺服第三电机和伺服第四电机；所述伺服第一电机用于控制取纸横移丝杆组件的横移运动，取纸横移丝杆组件带动取纸升降丝杆组件横向移动；所述伺服第二电机用于控制取纸升降丝杆组件的升降运动；所述伺服第三电机用于控制取砖横移丝杆组件的横移运动，取砖横移丝杆组件带动取砖升降丝杆组件横向移动；所述伺服第四电机用于控制取砖升降丝杆组件的升降运动；

所述第一伺服电动缸组，包括伺服第一电动缸和伺服第二电动缸，用于控制左右折纸机构；

所述第一电磁阀，采用三位五通阀，用于控制第一气缸的行程，进而控制第一取料机械手的开度，实现对不同尺寸的砖茶的抓取。

所述从控制系统包括从plc控制器、通信扩展模块、步进驱动器组、步进电机组、伺服第三电动缸、第二伺服驱动器组和伺服第五电机：

所述第二伺服驱动器组，接收从plc的控制信号，实现对伺服第五电机和伺服第三电动缸的控制，并向从plc反馈伺服报警信息；

所述步进电机组，包括步进第一电机和步进第二电机，所述步进第一电机控制第一升降台的升降，所述步进第二电机用于控制第二升降台的升降；

所述伺服第五电机，用于控制纸张短边点胶丝杆组件的升降；

所述伺服第三电动缸，用于将包装好的砖茶从包装工位上推出。

所述进料输送与装箱控制系统包括第三plc控制器、报警装置、第二hmi、第三伺服驱动器组、三自由度机械手、电磁阀组、变频器和变频电机：

所述第三plc控制器，采用独立控制器，与整个控制系统中的其它plc控制器之间无联系，作为进料输送与装箱控制系统的控制核心；

所述第二hmi，用于进料输送与装箱控制系统控制参数的设定、报警信息和装箱数据的显示、控制模式的切换以及进料输送与装箱控制系统的调试；

所述第三伺服驱动器组，接收第三plc控制器的控制信号，实现对第三伺服电机组的控制，并向第三plc反馈报警信息；

所述三自由度机械手，包括第三伺服电机组、x轴丝杆组件、y轴丝杆组件、z轴丝杆组件、第二气缸和第二取料机械手，其中第三伺服电机组包括伺服第六电机、伺服第七电机和伺服第八电机；所述伺服第六电机用于控制x轴丝杆组件的运动，进而控制y轴丝杆组件在x轴上的运动；所述伺服第七电机用于控制y轴丝杆组件的运动，进而控制z轴丝杆组件在y轴上的运动；所述伺服第八电机用于控制z轴丝杆组件的运动，进而控制第二取料机械手在z轴上的运动；

所述变频器，用于驱动变频电机，进而控制进料传送带，并配合物料感应器实现对物料的定点控制；

所述电磁阀组，包括第二电磁阀和第三电磁阀；所述第二电磁阀采用三位五通阀，用于控制第二气缸的行程，进而控制第二取料机械手的开度，从而实现对不同尺寸砖茶的抓取；第三电磁阀采用二位五通阀，用于控制第三气缸的推砖动作，将传送带上指定位置的砖茶推送到第一取料机械手的取料工位；

所述报警装置，包括警示灯和蜂鸣器；所述警示灯具有红、黄、绿三种颜色，通过控制不同颜色的警示灯以及蜂鸣器对不同程度的故障进行报警。

所述第一传感器系统包括丝杆位置感应器、物料感应器、气缸位置感应器、滚珠接触式感应器和伺服电动缸位置感应器，用于进行主控制系统和从控制系统的逻辑控制。

所述第二传感器系统包括丝杆位置感应器、物料感应器和气缸位置感应器，用于进行进料输送与装箱控制系统的逻辑控制。

结合图2，所述主plc控制器内设有主控制系统程序，所述从plc控制器内设有从控制系统程序，所述第三plc控制器内设有进料输送与装箱控制程序：

所述主控制系统程序，包括参数初始化程序、自检测程序、模式选择程序、复位程序、多电机协同控制程序、故障诊断与故障处理程序；

所述参数初始化程序，用于进行各个伺服电机速度和位置的初始化，在第一hmi上输入丝杆导程、丝杆需要运动的距离、伺服电机每转所需脉冲数、脉冲频率，参数初始化程序，计算出伺服电机的运动脉冲量和运动速度；

所述自检测程序，用于进行开机自动检测，检测各个控制器的所有控制对象是否在原点，若存在控制对象不在原点的问题，则自动调用复位程序对所有控制对象进行复位，若复位程序执行后仍有控制对象未回到原点则报警；

所述复位程序，用于进行各个控制器所有控制对象精确且有序地复位；

所述模式选择程序，包括自动控制程序、点动控制程序和手动控制程序；控制系统调试时，先调用点动控制程序对各个控制对象进行试运行与传感器定位，若所有控制对象都能正常运转，则调用复位程序将各个控制对象复位到原点；使用手动控制程序检验自动控制程序是否正确，是将自动控制程序分解，然后单步执行，若能达到预期效果则说明自动控制程序正确，复位后即可切换到自动程序运行模式；

所述多电机协同控制程序，用于进行各控制器控制的多个电机的协同控制；

所述故障诊断与故障处理程序，用于检测和处理控制系统所产生的故障，故障处理程序根据检测到的不同的故障类型进行不同的处理，在通过第一hmi进行显示的同时启动报警装置进行报警；

所述从控制系统程序与所述主控制系统程序的程序架构相同，从控制系统所需的控制参数、控制系统的调试都通过主控制系统的第一hmi来操作，且从控制系统的报警信息在主控制系统的第一hmi上进行显示；

所述进料输送与装箱控制系统程序与所述主控制系统的程序架构相同，所述进料输送与装箱控制系统程序包含进料输送程序和装箱算法程序；

所述进料输送程序，用于对砖茶的定点输送，通过改变频器的频率实现对运料传送带的不同的速度控制；

所述装箱算法程序，用于规划砖茶的装箱路径，在第二hmi上输入砖茶的长、宽、高以及箱子的长、宽和高，装箱算法程序计算出当前的箱子可以存放砖茶的块数、当前砖茶的块数、应存放的位置信息，然后将计算得到的信息反馈至多电机协同控制程序，从而实现对砖茶的定点存放。

进一步地，所述第一hmi与所述主plc控制器采用rs232通信，主plc控制器与从plc控制器通过通信扩展模块相连；所述主控制系统、从控制系统通过共享plc内部的链接继电器和链接数据寄存器进行间接通信。

进一步地，所述主plc控制器、从plc控制和第三plc控制器，均采用松下plc控制器。

进一步地，所述取纸横移丝杆组件、取纸升降丝杆组件、取砖横移丝杆组件、取砖升降丝杆组件和伺服第一电动缸、伺服第二电动缸、伺服第三电动缸均设置有两个限位感应器和一个原点感应器，所述第一升降台和第二升降台均设置有一个原点感应器和一个上限位感应器；所述限位感应器用于安全保护，所述原点感应器用于在自动控制模式下进行逻辑控制。

进一步地，所述取纸升降丝杆组件的下降位移量根据滚珠接触式感应器数据确定，其它丝杆组件和电动缸的位置控制根据于参数确定。

进一步地，所述进料输送与装箱控制系统中的三自由度机械手采用冗余控制，通过改变参数可以将三自由度机械手降成两自由度或一自由度机械手使用。

结合图3、图4，一种砖茶包装线控制系统的参数化控制方法，包括以下步骤：

步骤1、主控制系统进行参数化控制：

步骤1.1、整个控制系统上电，主控制器进行参数初始化；

步骤1.2、主制系统的控制器执行自检程序，若存在执行机构不在原点，则自动执行复位程序进行复位；若复位后仍存在执行机构不在原点，则切换到点动模式进行回原点；

步骤1.3、主控制系统都复位完成后，若不需更新参数，则直接选择控制模式，然后系统等待上料物料传感器的信号；若需更新参数，则从第一hmi上对主控制系统的参数进行更新，然后切换到手动模式单步调试一遍，若能达到预期结果，说明参数计算正确，可切换到自动控制模式；否则重新计算参数直至结果正确；

步骤1.4、当主控制系统处于自动模式时，上料物料传感器有信号，则主控制系统进行自动包装过程，同时并进行报警检测，若有报警产生，则主控制系统自动停机，并根据报警类型进行报警；在自动控制模式下，可进行复位或停止操作；

步骤1.5、重复步骤1.4直至参数化控制结束。

步骤2、从控制系统进行参数化控制：

步骤2.1、整个控制系统上电，从控制器进行参数初始化；

步骤2.2、从制系统的控制器执行自检程序，若存在执行机构不在原点，则自动执行复位程序进行复位；若复位后仍存在执行机构不在原点，则切换到点动模式进行回原点；

步骤2.3、从控制系统都复位完成后，若不需更新参数，则直接选择控制模式，然后系统等待上料物料传感器的信号；若需更新参数，则从第一hmi上对从控制系统的参数进行更新，然后切换到手动模式单步调试一遍，若能达到预期结果，说明参数计算正确，可切换到自动控制模式；否则重新计算参数直至结果正确；

步骤2.4、当从控制系统处于自动模式时，上料物料传感器有信号，则从控制系统进行自动包装过程，同时并进行报警检测，若有报警产生，则从控制系统自动停机，并根据报警类型进行报警；在自动控制模式下，可进行复位或停止操作；

步骤2.5、重复步骤2.4直至参数化控制结束。

步骤3、进料运输与装箱控制系统进行参数化控制：

步骤3.1、整个控制系统上电，第三plc制器进行参数初始化；

步骤3.2、第三plc控制器、执行自检程序，若存在执行机构不在原点，则自动执行复位程序进行复位；若复位后仍存在执行机构不在原点，则切换到点动模式进行回原点；

步骤3.3、复位完成后，若不需更新参数，则直接选择控制模式，然后系统等待上料物料传感器的信号；若需更新参数，则从第二hmi上对进料输送与装箱控制系统的参数进行更新，然后切换到手动模式单步调试一遍，若能达到预期结果，说明参数计算正确，可切换到自动控制模式，否则重新计算参数直至结果正确；

步骤3.4、当进料输送与装箱控制系统处于自动模式时，上料物料传感器有信号，则控制系统进行自动装箱过程，同时并进行报警检测，若有报警产生，则进料输送与装箱控制系统自动停机，并根据报警类型进行报警；自动控制模式下，可进行复位或停止操作；

步骤3.5、重复步骤3.4直至参数化控制结束。

综上所述，本发明实现了对不同大小砖茶的包装与装箱；并且控制系统调试方便，使用参数化控制方法，增强了控制系统的适应性，提高了砖茶包装线的自动化程度和安全性，节省了人力，降低了生产成本，提高了工作效率。