定量包裝在各行各業應用已經非常廣泛，包括食品、化工等不同的領域，因此定量包裝設備的種類也很多，包括氣動式、振動式、螺旋式等。在整個定量包裝生產過程中，定量包裝控製是非常重要的一個環節[1]。前期開發的自動定量包裝機，集機、電、儀、氣、光等多種學科於一體，能夠最大限度地提高包裝的質量與精度，有效地克服包裝的速度慢、精度不穩定的缺陷，同時兼顧了生產效率和降低成本兩方麵，提高了市場競爭力。
定量精度是非常重要的指標，為了滿足客戶的要求，必須提高定量包裝的精度[2—5]。在定量包裝行業大體經曆了手工稱重、繼電器控製、稱重儀表控製、PLC控製等幾個過程。目前公司采用的是稱重儀表控製的方式，但是這種控製係統不能滿足部分客戶提出的精度要求，因此，定量包裝機的優化設計對提高定量精度有很大作用。

1定量包裝機的結構
定量包裝機的結構見圖1。包裝機包括緩衝料倉、下料裝置、稱重裝置、夾袋機構和自動控製係統等組成。在最上方設計了緩衝料倉，防止物料直接堵住下料裝置。通過對伺服裝置的控製，來控製下料的精度。下料口截斷門來控製剩餘物料下落，從而提高控製精度。

2定量包裝控製原理
定量下料裝置控製係統框圖如圖2所示。下料控製係統由PLC控製器、伺服裝置、精密螺杆、觸摸屏等工藝設備組成。該係統工作時，裝置的稱重傳感器實時采集物料質量，把它轉變成相應的電信號，經EM235模塊轉化為數字量後，送達PLC與設定的質量值進行比較，定量控製係統采用快加料的方式，來滿足速度的要求；當到達設定的快加料質量時，改成模糊PID控製的加料方式來提高定量下料的精度。

3控製係統硬件設計
3.1硬件基本配置
根據自動定量包裝機的基本控製與設計工藝要求，硬件的主要配置見表1。為了使包裝機能夠可靠、穩定地工作，電機、電磁閥、稱重傳感器都采用進口設備。
3.2控製係統結構設計
控製係統由上位機、PLC控製器、伺服裝置和其他現場設備構成。控製係統總體架構見圖3。

3.3控製櫃麵板
控製係統控製櫃的麵板見圖4。具體的功能和使用方法如下。
1）SA21自動/手動：右旋進入手動操作，左旋進入自動操作。
2）SB22包裝急停：當遇到緊急情況，按下按鈕，處理情況。順時針旋轉才可鬆開此按鈕。
3）SB21啟動：自動模式下按下此按鈕，包裝裝機進行自動包裝。
4）SB23手動快加：在手動模式下，按此按鈕，包裝機進行手動快加料。
5）SB24手動慢加：在手動模式下，按此按鈕，包裝機進行手動慢加料。
6）SB25手動鬆袋：在調試階段，按下此按鈕，實現手動鬆袋。
7）H21超差指示：稱重結束時儀表判定誤差超出設定範圍，指示燈亮一下。
8）F701稱重控製儀表：實時顯示物料質量並且進行自動加料控製。
9）觸摸屏：用來顯示和控製整個包裝過程。
4軟件實現
根據自動包裝機工藝要求和控製需求進行控製流程的設計，見圖5。然後編寫控製程序，保證PLC能夠完成設定的各種動作，從而達到精確、自動包裝的功能。
4.1模糊PID控製的實現
為了方便說明，設該自動定量包裝係統中物料的設定質量值為r*，實時測量的物料質量為c*。偏差為e*=r*-c*，偏差變化率為ec*。本次定量包裝係統中使用直接查表法來實現模糊PID控製，具體實現步驟主要有5步：
1）確定質量偏差e*、質量偏差變化率為ec*和PID三個參數的修正量∆Kp,∆Ki,∆Kd的論域。
根據各論域所分的等級，結合尺度變換比例因子，將e*和ec*的實際變化範圍平均分為n檔，使每一檔和論域中一一對應，這樣對某時刻實測e*和ec*都可以轉換成E和EC論域中相對應的Xi和Yj。
3）用模糊工具箱中設計定量包裝係統中的模糊控製器，在離線的條件下可以通過計算得到∆Kp,∆Ki,∆Kd三個變量的模糊控製查詢表。根據Xi和Yj查模糊控製表，得出PID參數的修正量∆Kp,∆Ki,∆Kd。
4））經過反模糊化處理，計算出∆Kp*,∆Ki*,∆Kd*，與PID參數的原本設定參數相加。
5）進行PID計算，將控製變量傳送給PLC模擬量輸出模塊。
4.1.1輸入量的模糊化及程序的設計
將其中的變量E和EC和∆Kp,∆Ki,∆Kd的論域範圍劃分如下所示。
E:X={-3,-2,-1,0,1,2,3}    7檔
EC:Y={-3,-2,-1,0,1,2,3}    7檔
∆Kp:A={-3,-2,-1,0,1,2,3}7檔
∆Ki:B={-3,-2,-1,0,1,2,3}7檔
∆Kd:C={-3,-2,-1,0,1,2,3}7檔
將質量偏差e*和偏差變化率ec*的實際範圍，按照各自模糊變量的論域範圍分為7檔，並且將實際值與相對應的模糊論域值進行對應。以質量偏差e*進行舉例，描述模糊化采用的具體方法：

模糊化具體控製流程見圖6[10]。在編寫質量偏差模糊化程序過程中，控製程序中的這2個值很顯然是實數，那麽肯定是32位浮點數，所以存在V存儲器VD330中，將VD330中的數據和偏差量化因子ke相乘後得到的實數結果，應該處於偏差模糊變量的論域範圍之內。由於設計過程中論域都為整數，所以將得到的數值乘以10，經過以上計算得到的數值是浮點數，並且存儲在存儲器VD334中。將存儲在VD334中的實數值采用取整指令轉化為16位的整數，並且存儲在存儲器VW338中。采用DIV_I指令將VW338中的數值除以10，把商存儲在VW340中，餘數存儲在VW342中。經過上麵的一係列計算，通過餘數來判斷此時的整數值，將其歸到模糊論域上對應的論域值。以上所描述的是將質量偏差值進行了模糊化處理，並且將偏差模糊變量論域中的Xi存儲在VW344中。同理可以得到質量偏差變化率的量化結果Yj，存在於VW346。

4.1.2模糊控製表的PLC實現方法及其查詢
根據輸入量模糊量化以後，可以將誤差E和誤差變化EC分別量化為Xi和Yj，可以計算出∆Kp,∆Ki,
∆Kd，根據Xi和Yj不同的組合形式，最終可以得到模糊控製表。該過程是一個離線過程，將控製表存儲到PLC的V寄存器。
模糊控製表容量為7×7點，所以在程序的設計過程中使用的V寄存器為VB10—VB156，共147點。分別將模糊控製表中的各元素順序存於相應的寄存器中，∆Kp，∆Ki，∆Kd在V存儲器中地址分別為：VB10—VB58，VB59—VB107，VB108—VB156。
經過以上的計算過程，3個變量模糊控製表的7×7總共147點，將其存儲到VB10—VB156寄存器中。根據質量誤差E和誤差變化率EC模糊化的結果Xi和Yj，找到對應的寄存器。可以得出以下關係式：

圖7為查表運算的流程。用PLC很容易實現式中變量的運算，將運算結果存入AC1中。在西門子200的PLC中使用指針的形式來進行尋址。使用&來建立指針，並且使用*來讀取指針。以查找∆Kp為例，在VD160建立指針，指針指向以VB10為首的地址，讀取在指針VD160所指向的首地址開始的一個字節。當AC1=0時，指向控製表的首地址為VB10。根據AC1中的不同數值，控製表的地址也隨之發生變化。通過傳送指令MOV將其中的數值傳送到VW180中，這樣就完成了在線查表的過程，結果存於VW180。具體程序如圖8所示。

∆Ki，∆Kd亦是如此，分別存在寄存器VW182和VW184中。
4.1.3控製量的去模糊化及輸出
對模糊輸出量U*去模糊化，將Xi和Yj查表得到的模糊輸出量U*乘以變換比例因子ku，便可以得到精確量u*。完成運算之後，就返回到主程序中，得到實際的∆Kp，∆Ki，∆Kd，分別將3個參數存在VD192，VD196，VD200中，然後可以進行PID控製。
4.1.4參數可調整PID程序設計
采用PLC編程來實現參數可調整PID程序控製[11]。具體程序如下：
LD    SM0.1//上電第一掃描周期SM0.1=ONMOVR    1.0,VD104    //設定的數值100%
MOVR    0.1,VD116    //采樣時間0.1s
MOVB    100,SMB34    //定時中斷0間隔為100ms
ATCHINT_0:INT0,10//允許中斷LD    SM0.0
CALLSBR_1:SBR0//調子程序1CALLSBR_2:SBR1//調子程序2CALLSBR_3:SBR2//調子程序3MOVRVD304,VD100
/R    32000.0,VD100    //將數值存入Table表
PID    VB100,0    //執行PID
MOVR    VD108,AC0    /把輸出值送入累加器
AC0
*R    32000.0,AC0    //AC0為刻度值0～32000
ROUNDAC0,AC0//把實數轉換為32為整數DTIAC0,AC0//把32為整數轉為16為整數MOVWAC0,AQW0//送至D/A轉換器輸出

5監控係統設計
通過人機界麵，操作人員可以與PLC進行信息、數據等的處理與交流。同時人機界麵能夠更直觀地顯示整個係統的運行狀態，實時對運行狀態進行監控，當出現報警故障時，故障可能原因顯示在人機界麵上，對操作人員解決係統故障提供了很大的幫助[12—15]。人機界麵的組成見圖9。
PID的初始參數Kp,Ki,Kd分別取值為30.0，5.0，1.0，控製係統最終的用戶界麵如圖10所示。在圖10a可以通過按鈕切換來實現手動、自動功能。
在界麵中能夠顯示完成包裝的為53包，其中合格的包數為51包，不足包數為1包，過量包數為1包。在圖10b中可以實現包裝質量的實時曲線顯示，也可以通過左邊的表格實現質量的實時記錄，將需要的數據通過USB接口導入到存儲設備中。
6結語
設計了以S7-200PLC為控製核心、以觸摸屏TPC7062KS為操作屏的定量包裝控製係統。在分析傳統方法不足的基礎上，並且在現有包裝設備的基礎上加以改造，采用模糊PID控製算法進行閉環控製，從而提高了包裝精度。

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