高效全自动液体灌装机控制系统

崔 杨，柳 成，程艳明，牛 晶

(1.北华大学电气与信息工程学院，吉林 吉林 132021；2.吉林化纤集团有限责任公司，吉林 吉林 132115)

灌装机是将液态产品按工艺要求装成桶装产品的设备.灌装容器大多数为标准的200 L油桶，直径为600 mm，注入口直径一般为60 mm.灌装嘴安装在两套伺服驱动丝杠的二维平台上，直径大约50 mm左右，因灌装嘴直径与油桶口直径相对接近，因此，二维平台中灌装嘴的定位非常重要，要避免灌装嘴与灌装孔刮碰，损坏灌装嘴，或因油桶注入口识别不准，影响生产，造成浪费，危害健康.全自动液体灌装机主要由视觉、伺服控制的定位、气动灌装及传送部分组成[1].文献[2]论述了基于西门子S7-200 PLC控制伺服电机实现灌装定量的方法，但是没有设计灌装机定位控制系统，精度也不高；文献[3]设计了一种基于PLC控制的自寻口称重式灌装机，但存在一定的应用局限性，推广度不高；文献[4]介绍了PLC、触摸屏和称重仪表联网组成的计算机控制系统在全自动液体灌装机中的应用，但未涉及灌装机定位控制精度问题.本文结合文献[1]，利用线性自抗扰控制策略，进一步对液体灌装机二维灌装平台进行精确定位，实现灌装嘴与灌装桶口的精确跟随；通过MATLAB仿真验证所提出的线性自抗扰控制策略的可行性.

1 灌装机工作原理

本系统以可编程逻辑控制器(PLC)S7-300作为控制主体，在硬件连接上，以PLC作为控制系统的核心部件，实现与上位机、触摸屏及各种底层设备直接通信.PLC通过TCP/IP口与上位机、触摸屏通信，实时接收产品资料和生产参数；驱动生产传送带进入油桶，当油桶进入指定位置后，PLC通过TCP/IP口与工业相机通信，获取工业相机识别的油桶注入口位置信息；采用线性自抗扰控制算法，实现灌装二维工作台控制灌装嘴与油桶注入口位置的高速动态控制[6-8]，驱动二维工作台的X、Y轴伺服电机动作，控制灌装嘴调整，实现灌装嘴与油桶注入口的精确定位；通过RS485口与生产线中的称重仪表通信，采集油桶灌装质量，PLC依据通过上位机获取的产品资料和生产参数驱动气动元件完成相应动作.系统原理见图1.

2 灌装机设计

2.1 注入口检测视觉设计

机器视觉系统[5]是功能完善的一体式图像采集处理

系统，包括图像采集、处理、网络连接、视频输出显示、通信以及工业I/O控制功能，能快速、简便地构成在线机器视觉检测系统.本次采用200万像素机器视觉系统，8 mm镜头，检测距离约1 000 mm，检测范围为900×800视野，配选570 mm长条形光源.视觉系统原理见图2.

为准确识别油桶注入口在平面中的坐标，需进行坐标转换.首先由视觉系统采集部分识别油桶注入口坐标，得到目标后进行坐标变换，实现图像采集坐标与二维平台坐标的转换，为灌装做好准备.标定后的视觉精度可达0.01 mm，检测速度为10件/s.

2.2 滚珠丝杠二维平台设计

2.2.1 二维平台描述

灌装机平面结构见图3.工业相机检测到灌装口坐标后控制灌装嘴A(x1，y1)快速到达油桶注入口B(x2，y2)，将灌装嘴固定在二维平台上.平台由两台伺服电机及丝杠系统构成，因环境恶劣对灌装效率及定位要求更高.本设计针对伺服电机与丝杠结构的非线性以及平面中X、Y轴之间互相耦合对控制效率的影响提出了线性自抗扰控制器[6]解耦控制方法，实现在平面上由灌装嘴到灌装桶口的高效率、高精度运行.

2.2.2 滚珠丝杠二维平台建模

丝杠进给系统的结构动力学方程可写为

(1)

在式(1)中加入摩擦力和扰动，可得

(2)

滚珠丝杠进给系统的动力学方程式(2)可转换为

(3)

二维滚珠丝杠进给系统为两个输入、两个输出相互间量耦合，数学表达为

(4)

综合式(3)、(4)可得到二维平台系统方程：

2.2.3 线性自抗扰控制策略

线性自抗扰控制策略具有强鲁棒性，不依赖于模型的建立，其控制思想是单独对各轴进行控制，将各轴之间的耦合参数、建模时省略的因素以及实际运行中的扰动都统一处理为干扰，进行补偿，最终实现对二维平台的高效、精确控制.如图5所示，当工业相机采集到油桶注入口的坐标后，控制系统立刻计算灌装嘴A与油桶注入口B的距离，生成X、Y轴的运动轨迹，驱动二维滚珠丝杠进给系统快速运行，实现灌装嘴A与油桶注入口B的高速、精确定位.

2.2.4 仿真试验

仿真试验在MATLAB环境中进行.将建立好的二维滚珠丝杠进给系统模型、自抗扰控制器各部分模型均用S函数进行封装，在SIMULINK中完成.试验标称参数见表1.

表1 二维滚珠丝杠进给系统的仿真参数Tab.1 Simulation parameter of two dimensional ball screw feed system

采用线性自抗扰控制策略控制，线性扩张状态观测器参数β1=1，β2=6 000，β3=1 000，得到轨迹跟踪控制仿真曲线，见图6.

由图6 a可见：二维滚珠丝杠平台上的灌装嘴A寻找油桶注入口B的运动轨迹为直线，其波动很小.图6 b为系统运行在1 s加入幅值为75 mm的三角波扰动后的波形，图6 c、d分别为X轴和Y轴的跟踪轨迹与直线运动轨迹的对比波形.可以看出：系统加入扰动后，X轴和Y轴一直进行直线运动且跟踪误差很小，抗扰动性能较强，因此保证了系统的高效运行及精确定位.

2.3 气动灌装控制

本灌装机采用增压气缸来进行液体灌装[7-8]，工作原理见图7.当光电管检测到传送带上的油桶后，栏杆入口气缸动作，使油桶停止前进，并向PLC发出信号，PLC控制二维平台动作；当灌装嘴行进到油桶注入口后，油嘴架气缸动作，将灌装嘴深入油桶底部，此时主气缸动作，进行灌装；当称重仪表检测到相应罐装份量后，停止灌装，待灌装嘴完全从油桶中抽出后，栏杆出口气缸打开；油桶随传送带移出灌装区域.在灌装过程中，溢流阀起到过载保护作用.

3 小结与讨论

本灌装机设计采用机器视觉、线性自抗扰控制及气动灌装等技术.通过工业相机采集灌装油桶注入口平面位置坐标点，针对灌装机滚珠丝杠系统二维平台中的X轴和Y轴之间强耦合的关系，提出用线性自抗扰控制策略对其模型进行解耦控制，实现在平面上灌装嘴到灌装桶口的高效率及高精度运行；采用增压气缸进行液体灌装，最终实现有毒有害环境下化工产品的全自动灌装.本装置已应用于某化工厂，平均灌装速度由约50桶/h提高到60桶/h，提高了灌装效率，实现了灌装嘴精确定位，保障了生产安全.