基于PLC的绿叶菜包装袋自动贴标机设计

万均康 彭嘉庚 赵明宇 苗玉彬

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

随着我国现代农业的发展，自动化包装流水线因具有提高生产效率、减少人力劳动成本等优点，而被广泛应用在蔬菜分拣、称重和包装过程。但随着蔬菜（尤其是绿色菜）自动化包装流水线的广泛应用，对标签贴附的效率和自动化程度提出了较高要求，即要求经过预称重、精称重和包装后的绿叶菜能被传送至自动贴标机处，由自动贴标机连续不断地在包装袋表面贴上溯源码标签（消费者能通过扫描绿叶菜溯源码，追溯到绿叶菜的产地、种植、质量检测等全部信息[1]）。

目前，自动贴标机大部分是针对食品、日化和制药等行业进行专门设计的，且贴标机大多采用间歇送标签、剥离标签、扶压标签等方式来实现标签的贴附[2-5]，有的贴标机采用“推手”的贴标设计方式，此类设备虽然可以解决编织袋等非平面的贴标问题，但是此类设备的占地面积大且不轻便[6]；有的贴标机基于机器视觉，通过边缘检测和轮廓提取来实时定位包装盒，可为包装盒进行实时贴标，但此类设备仅限于包装盒体贴标，通用性不强[7]；刘锦航[8]设计了自动贴标控制系统的状态机、步进电机控制，用神经网络对自动贴标控制系统的参数进行了优化，但该系统的参数较多，且系统操作复杂。当待贴标物体接近贴标机时，贴标机带动标签纸带到达贴标位置，然后将标签直接压在待贴标物体上。但上述设备大多要求待贴标物体表面平整[9]，而绿叶菜包装袋在传送带输送时，表面柔软且凹凸不平，再加上上述设备在贴标时容易对绿叶菜造成机械损伤，故上述设备难以对绿叶菜包装袋进行贴标。在此背景下，笔者针对目前绿叶菜包装生产线对标签即称、即打、即贴的自动化需求以及绿叶菜的自身特点，设计开发了一种基于PLC（可编程逻辑控制器，Programmable Logic Controller，简称PLC）的绿叶菜包装袋自动贴标机（以下简称PLC自动贴标机）。该贴标机能自动检测包装袋是否到位，能快速准确地贴附溯源码标签，且贴标效率和自动化程度较高。为促进PLC自动贴标机的推广应用，笔者拟对该PLC自动贴标机的总体设计、硬件和控制系统设计、实际测试情况等进行总结介绍，以供参考。

1 PLC自动贴标机的总体设计

PLC自动贴标机的设计目的是实现对绿叶菜包装袋的自动化标签贴附，即在传送带输送已包装好的袋装绿叶菜时，贴标机能自动检测包装袋是否放置到位，并约束和固定包装袋的位置，然后依次完成标签打印、标签吸附、标签贴附等一系列流水式作业动作[10-11]。整个流程无需人工干预，同时能保证标签不漏贴、不重贴，且贴标作业不会对绿叶菜造成机械损伤。PLC自动贴标机控制系统的任务是要确保上述工作流程中的各种作业动作按照时序正确执行。

1.1 主要构成

PLC自动贴标机由PLC、电气控制柜、传感器和气动执行机构组成。其中，PLC作为中央控制器，其输入端子连接各种传感器信号，输出端子连接驱动电磁阀线圈，控制各执行机构的动作；电气控制柜提供合适的交流和直流电源；多种类型的传感器分别用于检测包装袋和标签是否到位、气缸是否完成动作；气动执行机构分为限位气缸、平动气缸、竖直气缸和真空吸盘，用于完成包装袋限位、标签吸附和标签贴附等动作。

1.2 工作流程

PLC自动贴标机的贴标过程分为限位、取标、回位、贴标四个阶段，其工作流程见图1。具体工作流程为：当检测到绿叶菜包装袋就位后，限位气缸将待贴标的绿叶菜包装袋限位。光电对射开关检测标签是否打印完成[12]，若标签已打印完成，平动气缸开始进行标签吸附，并由真空吸盘抽气吸附标签（其中，由称重机对传送带上的绿叶菜包装袋进行精称重，称重数据通过RS-485接口和MODBUS协议传送到上位机。上位机由此获取溯源码、本地日期和重量等内容，生成打印驱动命令。标签打印机采用热转印模式将数据按设定好的位置格式打印在标签上。标签打印完成后等待真空吸盘吸附，且标签打印过程与贴附过程两者并行处理、相对隔离）。当检测到标签吸附完成后，平动气缸复位，准备标签贴附。竖直气缸向下伸出，将标签贴附在绿叶菜包装袋上，即贴标签过程完成，整个流程动作连续流畅。然后，各缸复位等待下一次循环。

图1 PLC自动贴标机的工作流程

2 PLC自动贴标机的硬件设计

PLC自动贴标机的硬件由PLC、电源模块、传感器和气动执行机构的电磁阀驱动模块组成。其中，PLC作为中央控制器，负责接收传感器信号并据此执行相应指令，控制电磁阀线圈的通断；电源模块为系统提供所需要的交流电源和直流电源；传感器检测绿叶菜包装袋和标签是否就位、气缸是否完成动作；气动执行机构的电磁阀驱动模块分别驱动三个不同安装位置的平动气缸和真空吸盘，用于实现绿叶菜包装袋限位、标签吸附和标签贴附。

2.1 控制系统的总体架构

绿叶菜包装袋自动贴标机控制系统的总体架构见图2。具体为：PLC的输入端子连接气缸磁性开关和光电开关（气缸磁性开关检测气缸动作是否完成，光电开关检测包装袋和标签是否就位），输出端子连接继电器（继电器通过改变电磁阀两端线圈的通电，控制气缸和真空发生器的动作及方向）。称重机借助RS485接口实现与上位机之间的数据通讯。上位机通过U S B接口传输数据到标签打印机ARGOX DX-4300。PLC和上位机的通讯通过以太网接口实现。

图2 PLC自动贴标机控制系统的总体架构

PLC采用西门子S7-200 SMART，型号为CPU ST20，该PLC采用模块化结构，体积小，重量轻，具有丰富的I/O接口模块，适用于自动化生产线的顺序控制，CPU模块上集成了1个以太网接口和1个RS485接口，用普通网线即可实现程序的下载和监控[13-14]。依据总体设计方案，PLC需要5个数字量输入端口和7个输出端口，硬件连线见图3。PLC输入端口是对绿叶菜包装袋和标签是否就位、气缸是否完成动作进行判断，输出端口则是对气缸的伸出和缩回进行控制。

图3 PLC自动贴标机控制系统PLC的硬件接线

分别采用光电对射开关和光电发射开关对绿叶菜包装袋和标签进行检测。具体为：光电对射开关安装在传送带两侧（选用欧姆龙光电对射开关E3ZT61），绿叶菜包装袋传送过来时，其对光线有遮挡作用，但光电对射开关能很好地检测到信号。标签表面为白色，对红外线的反射效果好，当标签打印完成后，光电反射开关（选用的光电反射开关型号为E3Z-D61）能快速检测到标签是否打印完成。传感器采用NPN型输出，按PLC接口要求接至输入端子。

气缸磁性开关用于检测气缸行程的位置，采用NPN三线制，接线头反应灵敏。当气缸的磁环接近磁性开关时，磁性开关能产生电信号，当磁环远离磁性开关时，电信号消失，以此来判断气缸动作是否完成。

2.2 气动回路设计

PLC自动贴标机的气动元件包括运动机构（限位机构、取标机构、贴标机构）、真空吸盘、电磁阀。气缸选用双杆气缸，接管螺纹为二位五通。气缸的电磁阀采用三位五通中封阀，真空发生器的电磁阀采用两位四通阀。气体调压阀与气源串联调节回路气压。其中，限位气缸和竖直气缸是垂直伸缩，用以实现绿叶菜包装袋的限位和标签贴附；取标气缸是水平伸缩，用以实现取标动作。真空发生器制造真空吸盘的负压，用以实现标签吸附。各气动元件的主要应用和型号见表1。PLC自动贴标机的气动回路见图4。

表1 PLC自动贴标机的气动元件清单

图4 PLC自动贴标机的气动回路

PLC自动贴标机的电磁阀动作顺序见表2。具体为：电磁阀C1控制限位气缸的动作方向，电磁阀C2控制平动气缸的动作方向，电磁阀C3控制竖直气缸的动作方向，电磁阀C4控制真空发生器的动作。PLC发送信号给继电器，控制电磁阀两侧线圈的通电，从而改变电磁阀的通向。不同气缸动作均代表贴标过程中的不同步骤，这些均由PLC输出信号决定。

表2 PLC自动贴标机的电磁阀动作顺序

3 PLC自动贴标机的控制系统设计

PLC是绿叶菜包装袋自动贴标机的核心控制部件，传感器开关和继电器与PLC的输入输出端口相连。PLC在接收各个传感器的信号后，按照梯形图程序指令，依次分别对继电器发送电信号，实现对整个贴标动作流程的可靠控制。

3.1 PLC端口分配

根据设计思路，PLC自动贴标机控制系统PLC的I/O资源分配见表3。控制系统共需5个模拟量输入和7个继电器输出，使用24V直流电源。其中，模拟量输入点DI0、DI1、DI2均为气缸磁性开关输入，分别检测限位气缸、平动气缸和竖直气缸的动作是否到位；DI3、DI4均为光电开关，用于检测标签、绿叶菜包装袋是否就位。输出点Q0.0、Q0.1控制竖直气缸的上升、下降动作；Q0.2、Q0.3控制水平气缸的缩回、伸出动作；Q0.4、Q0.5控制限位气缸的缩回、伸出动作；Q0.7控制吸盘抽真空。

表3 PLC自动贴标机控制系统PLC的I/O资源分配

3.2 主程序设计

顺序功能图是设计PLC顺序控制程序的一种工具，适用于系统规模较大、按顺序操作的控制。图5是PLC自动贴标机控制系统PLC的顺序功能图。PLC自动贴标机控制系统的主程序主要采用复位和置位指令（复位和置位指令是常用指令，用复位和置位指令编写的程序简洁，而且可读性强），并根据顺序功能图，在PLC编程软件STEP7-Micro/WIN32上编制调试梯形图。其中，置位S和复位R使输出继电器闭合或断开，T37和T38均为定时器。在程序初始化完成后，安装在传送带两侧的光电对射开关PS1检测到绿叶菜包装袋，限位气缸导杆向下伸出，将绿叶菜包装袋固定于传送带上。当限位气缸动作完成后，气缸磁性开关检测到信号。同时，判断标签是否打印完成，若标签未打印完成，则等待，若标签打印完成，则会触发光电反射开关PS0，然后平动气缸水平伸出，安装在末端的真空吸盘送至标签上方，真空吸盘抽气形成负压，计时器延时1 s，将标签吸附住。完成上述一系列动作后，平动气缸复位，竖直气缸的导杆向下伸出，将标签贴附至绿叶菜包装袋表面，整个标签贴附过程完成。各缸复位等待下一次循环。

图5 PLC自动贴标机控制系统PLC的顺序功能图

4 PLC自动贴标机的实际测试

笔者对设计开发的PLC自动贴标机进行了在线贴标测试，采用的热敏标签尺寸为60 mm×40 mm，共测试100包绿叶菜包装袋，其中96包绿叶菜包装袋的位置和贴标效果符合预期要求，剩余4包绿叶菜包装袋由于包装内的叶菜形状过于不规则，影响了标签贴附的平整性，但标签仍能贴附在绿叶菜包装袋上，即标签位置合格率为96%，精度稳定在±5 mm，达到了预期效果。同时，经测试可知，PLC自动贴标机的真空吸盘吸附标签正常，出标速度约为15个/min，贴标效率约为14次/min。

5 结 语

针对目前绿叶菜包装生产线对标签即称、即打、即贴的自动化需求以及绿叶菜的自身特点，笔者采用西门子S7-200 SMART PLC，设计开发了一种基于PLC的绿叶菜包装袋自动贴标机。具体设计过程为：通过分析自动贴标机控制系统的工作流程，进行了总体设计；完成了PLC、传感器和气缸等系统硬件的选型，并进行了气动回路设计和PLC I/O资源分配和顺序功能图编制；编写了PLC主程序，形成了PLC控制系统设计。设计开发的自动贴标机经实际测试表明，贴标过程准确高效，自动化程度较高，能够满足生产要求。