陶瓷球计数装袋机控制系统及界面设计

周井玲，翟春树，杨苏云，王星星

（南通大学机械工程学院，江苏 南通226000）

随着自动化生产的发展，产品包装过程中的自动控制技术直接影响包装工作的效率，可靠性和物力消耗等，是包装的关键技术。在我国，包装产业发展迅速，技术日益成熟，企业在满足基本包装要求的同时，更加注重包装过程中高效，准确和人性化的操作［1-2］。陶瓷球计数装袋直接影响产品包装数量的准确性和包装的效率。作为包装过程中的重要一环，其智能化和人性化程度亟待提高，以降低操作的复杂性，提高计数装袋的准确度和效率。目前PLC 技术已经成为提高生产设备控制系统效率的主要方法之一［3-5］，配合触摸屏操作界面使得人机交互更加方便［6-7］。文中采用基于PLC和触摸屏的控制系统，应用于计数装袋机，并对人机界面进行研究设计，提高控制系统的可操作性，实现智能化。

1 装袋控制系统分析与设计

1.1 系统设计

根据计数装袋机的运行和功能要求，采用光纤传感器对陶瓷球进行信号采集，通过PLC对传感器信号进行处理并显示在人机界面上，依靠伺服电机带动转盘转动实现连续装袋，其中以PLC为基础的伺服控制器的作用显而易见。计数装袋机的PLC控制系统组成见图1。

图1 控制系统构成Fig.1 Control system diagram

其各部分功能介绍如下。转盘控制驱动系统功能为接收PLC 和HMI 输入的运转命令及转动角度设定，监测编码器传回的脉冲信号，获得转动角度及转动位置，控制伺服电机的运转速度及同步定位动作。光纤传感器的主要功能是信号检测，产生脉冲，获得陶瓷球的数量。人机界面（HMI）的功能为接收参数设定数据及显示设备运转状态。PLC 的功能为处理基本接口，传动，开关信号。伺服电机功能为带动转盘的转动，编码器靠轴的转动而带动编码器产生脉冲信号，辅助整个系统完成装袋功能。PLC控制系统一方面处理光纤传感器的脉冲信号实现计数，一方面控制伺服电机的转动，以达到较高的工作效率，使计数装袋顺利进行。

1.2 流程说明

计数装袋机流程设计是该控制系统的核心，同时是人机界面设计的基础。通过研究，整个工作过程主要分为送球，计数，装袋。电机转动带动传送带实现陶瓷球的送料，计数则由光纤传感器与PLC配合完成，通过电磁阀实现对挡流板的控制，从而精确控制每袋陶瓷球的数量，陶瓷球最后通过导流道顺利进入包装袋中。主要流程控制见图2。

图2 流程控制Fig.2 Process control diagram

伺服控制系统主要控制机械装置完成送球、截流和装袋转动的协调。送球速度很关键，如果速度过快就会产生陶瓷球颗粒流的瓶颈效应，造成堵塞，影响设备的工作。陶瓷球每触动光纤传感器的光轴1 次就会产生1 次脉冲，PLC 就会对此计数1 次，需要注意的是传感器与PLC 的工作频率一定要满足系统要求，否则会造成计数的不准确。当计数达到设定值时，挡流板迅速落下，延时，陶瓷球入袋，伺服控制系统最终完成转盘转动。触摸屏人机界面可随时对系统进行停机和运行的控制，同时也可设定批量计数和转动角度，系统自动进行控制。

2 PLC与触摸屏控制系统的实现

2.1 PLC与触摸屏控制系统

PLC使用方便，编程简单，可靠性高，抗干扰能力强［7-8］。PLC 已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。目前相关领域的研究着重于对控制系统的优化设计，以提高设备的整体质量和工作效率［9-11］。本文所述计数装袋机在样机设计和测试中，控制系统采用三菱FX 系列的PLC作为主控核心，与三菱GOT1000系列触摸屏连接，三菱FX系列控制主机与伺服系统通讯，直接对伺服系统输入参数，方便程序的编制与修改。三菱FX3U控制器通过扩展模块可以作为执行主机，具有多个输入输出点，可以满足4道光纤传感器信号输入、启动、停止等各种信号以满足应用需求［12］。控制系统的基本输入/输出规划如表1所示。

表1 PLC I/O点规划Tab.1 PLC I/O planning chart

整个控制系统通过PLC 的输入输出实现逻辑控制，通过信号通讯实现对伺服的控制、人机界面的执行及状态的显示等。整体设计按照设备流程要求利用PLC和触摸屏配合设计完成。

2.2 PLC高速计数器的使用

本文所述控制系统中，由传送带送球，速度较快，所以光纤传感器接收的信号频率较高，为满足信号要求，需要使用PLC 内置高速计数器。高速计数器根据特定的输入执行动作，根据中断处理进行高速动作，它与可编程控制器的扫描周期无关。需要注意的是PLC 的内置高速计数器分配在指定的输入端，输入端X0，X1，X2，X3 分别对应的内置高速计数器是C235，C236，C237，C238，不可重复使用。在计数时，三菱FX 系列PLC内置高速计数器的当前值达到设定值时，需要立即进行输出处理，需要使用高速计数器比较置位/复位指令，即HSCS/HSCR 指令。按设计要求当计数值达到设定值时，挡流板应该落下，从而保证此袋球数量正确，本文程序运行过程中总会出现挡流板不能落下的问题，这是PLC程序扫描周期造成问题，具体解释就是修改前使用的是（=）指令，在第1 个扫描周期时，计数值是设定值的前一个数，可是到下一个周期时，计数值是设定值的后一个数，这样PLC就捕捉不到设定值与计数值相等的情况，所以挡流板就不会落下。编者进行了优化设计，用（>=）指令代替了（=）指令，这样，即使程序扫描错过了这个设定值，在下一次扫描时计数值一定是大于等于设定值的，这样PLC 就会执行程序指令，很好地解决了这个问题，部分示例程序如图3所示。

图3 示例程序Fig.3 The sample program

3 控制系统人机界面设计

3.1 设计原则

根据计数装袋机的工艺需求，控制系统使用三菱GOT1000 系列触摸屏，对系统进行操作、监视控制和参数设置，主要工作包括：控制功能（运行、停止、清零）；参数的设置（每袋袋数、延时时长、转动角度等）；监控及报警讯息。在控制系统中，操作人员将控制信息通过触摸屏界面的输入模块传递给设备，设备通过界面的输出模块将反馈信息显示在人机界面上，达到人与设备的信息交流，达到控制机器的目的。因此，人机界面的设计关乎用户能否正确有效地控制机器的运行。人机界面设计的基本原则有：1）充分考虑显示与控制的逻辑关系，以提高工作效率和减少差错；2）充分考虑到实际的工作环境及使用需求，以及人的生理特点和形成的动作习惯，合理设置显示界面；3）根据显示与控制功能组的构成，考虑视觉与使用功能，可提高辨识的效率和准确度；4）考虑整体布局的美观性，电子设备的设计不仅要有其实质的功能性，还应具有良好的美观性，贴合用户的生活，以提高工作效率［13］。

3.2 人机界面设计的实现

为实现计数装袋机控制系统人机界面操作的人机互动性，对界面进行优化设计。计数装袋机运行平稳，平地摆放，工作气氛和谐，根据人机工程学理论，界面色彩不宜过于刺激与强烈，也不宜沉闷枯燥，应使使用者在工作时心情愉快。中性灰的颜色可以产生坚固有力及稳重的视觉感，达到既稳重又生动和谐的效果。所以该方案标准色为浅灰色（图4 中白色部分），见图4a。蓝色代表沉稳，在工业生产中，具有暗示、警示作用［14］，让使用者在保持工作效率的同时，提醒使用者在生产过程中要时刻保持清醒，对生产过程中的突发情况能够冷静沉着应对，所以按键基色为蓝色（图4中黑色部分）。报警显示选择橙色（图4中灰色部分）。

图4 计数装袋机界面设计Fig.4 Interface design of counting package machine

人机界面的显示信息排列以该系统的操作要求和工艺流程为基础，减少人眼的信息搜索任务。在人的感知问题上，人会扫描环境的突出点，积极地寻找出现的目标。当在搜索目标时遇到干扰，就常产生视觉误差，增加错误操作的概率，使安全性和效率降低。界面首页上触摸按键按照L型排列方式排列，显示信息集中在矩形方框内，一目了然。时间放在右上角，日期放在右下角，避免密集集中，简明清晰。黑体字没有衬线装饰，字形端庄，笔画横平竖直，所有字体选用黑体。参数设置输入界面是用户操作最频繁的界面，也是界面控制系统中最可能出现错误的部分。其设计的目标是：简化用户工作，尽可能降低误操作概率［15］。在设置参数界面，按照从左到右的顺序，设置参数集中在左半部分，确定和返回按键设置在右半部分。用户设置参数时，点击数字框，界面会弹出键盘，键盘可拖动，操作者在对某个参数进行修改时，也可查看其他参数的实时数值，见图4b。本文所述人机界面从人机工程学角度来研究界面设计，将人机工程学理论应用在人机界面的实际设计中，对计数装袋机的人机界面设计提出了具体可行的设计原则，使设计条理化，创造型设计理性化。提高了操作系统的可靠性、舒适性、高效性和识别的准确性。

4 结论

计数装袋机控制系统采用PLC、电气元件和美观的触摸屏，对计数装袋工艺流程进行简洁、智能控制，充分满足了流程及控制需求，使设备以自动化的方式运行，提高了产品的计数精度和效率。经过优化设计的人机控制界面，人机交互更加高效准确，使得控制系统的可靠性大大增强，便于操作人员的观察和对设备的维护。本文所设计的控制系统通过在计数装袋机上模拟运行调试，很好地达到了使用效果，基本实现了自动化控制，使计数装袋机的整体设计提高了一个新的层次。

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