定量包装在各行各业应用已经非常广泛，包括食品、化工等不同的领域，因此定量包装设备的种类也很多，包括气动式、振动式、螺旋式等。在整个定量包装生产过程中，定量包装控制是非常重要的一个环节[1]。前期开发的自动定量包装机，集机、电、仪、气、光等多种学科于一体，能够最大限度地提高包装的质量与精度，有效地克服包装的速度慢、精度不稳定的缺陷，同时兼顾了生产效率和降低成本两方面，提高了市场竞争力。
定量精度是非常重要的指标，为了满足客户的要求，必须提高定量包装的精度[2—5]。在定量包装行业大体经历了手工称重、继电器控制、称重仪表控制、PLC控制等几个过程。目前公司采用的是称重仪表控制的方式，但是这种控制系统不能满足部分客户提出的精度要求，因此，定量包装机的优化设计对提高定量精度有很大作用。

1定量包装机的结构
定量包装机的结构见图1。包装机包括缓冲料仓、下料装置、称重装置、夹袋机构和自动控制系统等组成。在最上方设计了缓冲料仓，防止物料直接堵住下料装置。通过对伺服装置的控制，来控制下料的精度。下料口截断门来控制剩余物料下落，从而提高控制精度。

2定量包装控制原理
定量下料装置控制系统框图如图2所示。下料控制系统由PLC控制器、伺服装置、精密螺杆、触摸屏等工艺设备组成。该系统工作时，装置的称重传感器实时采集物料质量，把它转变成相应的电信号，经EM235模块转化为数字量后，送达PLC与设定的质量值进行比较，定量控制系统采用快加料的方式，来满足速度的要求；当到达设定的快加料质量时，改成模糊PID控制的加料方式来提高定量下料的精度。

3控制系统硬件设计
3.1硬件基本配置
根据自动定量包装机的基本控制与设计工艺要求，硬件的主要配置见表1。为了使包装机能够可靠、稳定地工作，电机、电磁阀、称重传感器都采用进口设备。
3.2控制系统结构设计
控制系统由上位机、PLC控制器、伺服装置和其他现场设备构成。控制系统总体架构见图3。

3.3控制柜面板
控制系统控制柜的面板见图4。具体的功能和使用方法如下。
1）SA21自动/手动：右旋进入手动操作，左旋进入自动操作。
2）SB22包装急停：当遇到紧急情况，按下按钮，处理情况。顺时针旋转才可松开此按钮。
3）SB21启动：自动模式下按下此按钮，包装装机进行自动包装。
4）SB23手动快加：在手动模式下，按此按钮，包装机进行手动快加料。
5）SB24手动慢加：在手动模式下，按此按钮，包装机进行手动慢加料。
6）SB25手动松袋：在调试阶段，按下此按钮，实现手动松袋。
7）H21超差指示：称重结束时仪表判定误差超出设定范围，指示灯亮一下。
8）F701称重控制仪表：实时显示物料质量并且进行自动加料控制。
9）触摸屏：用来显示和控制整个包装过程。
4软件实现
根据自动包装机工艺要求和控制需求进行控制流程的设计，见图5。然后编写控制程序，保证PLC能够完成设定的各种动作，从而达到精确、自动包装的功能。
4.1模糊PID控制的实现
为了方便说明，设该自动定量包装系统中物料的设定质量值为r*，实时测量的物料质量为c*。偏差为e*=r*-c*，偏差变化率为ec*。本次定量包装系统中使用直接查表法来实现模糊PID控制，具体实现步骤主要有5步：
1）确定质量偏差e*、质量偏差变化率为ec*和PID三个参数的修正量∆Kp,∆Ki,∆Kd的论域。
根据各论域所分的等级，结合尺度变换比例因子，将e*和ec*的实际变化范围平均分为n档，使每一档和论域中一一对应，这样对某时刻实测e*和ec*都可以转换成E和EC论域中相对应的Xi和Yj。
3）用模糊工具箱中设计定量包装系统中的模糊控制器，在离线的条件下可以通过计算得到∆Kp,∆Ki,∆Kd三个变量的模糊控制查询表。根据Xi和Yj查模糊控制表，得出PID参数的修正量∆Kp,∆Ki,∆Kd。
4））经过反模糊化处理，计算出∆Kp*,∆Ki*,∆Kd*，与PID参数的原本设定参数相加。
5）进行PID计算，将控制变量传送给PLC模拟量输出模块。
4.1.1输入量的模糊化及程序的设计
将其中的变量E和EC和∆Kp,∆Ki,∆Kd的论域范围划分如下所示。
E:X={-3,-2,-1,0,1,2,3}    7档
EC:Y={-3,-2,-1,0,1,2,3}    7档
∆Kp:A={-3,-2,-1,0,1,2,3}7档
∆Ki:B={-3,-2,-1,0,1,2,3}7档
∆Kd:C={-3,-2,-1,0,1,2,3}7档
将质量偏差e*和偏差变化率ec*的实际范围，按照各自模糊变量的论域范围分为7档，并且将实际值与相对应的模糊论域值进行对应。以质量偏差e*进行举例，描述模糊化采用的具体方法：

模糊化具体控制流程见图6[10]。在编写质量偏差模糊化程序过程中，控制程序中的这2个值很显然是实数，那么肯定是32位浮点数，所以存在V存储器VD330中，将VD330中的数据和偏差量化因子ke相乘后得到的实数结果，应该处于偏差模糊变量的论域范围之内。由于设计过程中论域都为整数，所以将得到的数值乘以10，经过以上计算得到的数值是浮点数，并且存储在存储器VD334中。将存储在VD334中的实数值采用取整指令转化为16位的整数，并且存储在存储器VW338中。采用DIV_I指令将VW338中的数值除以10，把商存储在VW340中，余数存储在VW342中。经过上面的一系列计算，通过余数来判断此时的整数值，将其归到模糊论域上对应的论域值。以上所描述的是将质量偏差值进行了模糊化处理，并且将偏差模糊变量论域中的Xi存储在VW344中。同理可以得到质量偏差变化率的量化结果Yj，存在于VW346。

4.1.2模糊控制表的PLC实现方法及其查询
根据输入量模糊量化以后，可以将误差E和误差变化EC分别量化为Xi和Yj，可以计算出∆Kp,∆Ki,
∆Kd，根据Xi和Yj不同的组合形式，最终可以得到模糊控制表。该过程是一个离线过程，将控制表存储到PLC的V寄存器。
模糊控制表容量为7×7点，所以在程序的设计过程中使用的V寄存器为VB10—VB156，共147点。分别将模糊控制表中的各元素顺序存于相应的寄存器中，∆Kp，∆Ki，∆Kd在V存储器中地址分别为：VB10—VB58，VB59—VB107，VB108—VB156。
经过以上的计算过程，3个变量模糊控制表的7×7总共147点，将其存储到VB10—VB156寄存器中。根据质量误差E和误差变化率EC模糊化的结果Xi和Yj，找到对应的寄存器。可以得出以下关系式：

图7为查表运算的流程。用PLC很容易实现式中变量的运算，将运算结果存入AC1中。在西门子200的PLC中使用指针的形式来进行寻址。使用&来建立指针，并且使用*来读取指针。以查找∆Kp为例，在VD160建立指针，指针指向以VB10为首的地址，读取在指针VD160所指向的首地址开始的一个字节。当AC1=0时，指向控制表的首地址为VB10。根据AC1中的不同数值，控制表的地址也随之发生变化。通过传送指令MOV将其中的数值传送到VW180中，这样就完成了在线查表的过程，结果存于VW180。具体程序如图8所示。

∆Ki，∆Kd亦是如此，分别存在寄存器VW182和VW184中。
4.1.3控制量的去模糊化及输出
对模糊输出量U*去模糊化，将Xi和Yj查表得到的模糊输出量U*乘以变换比例因子ku，便可以得到精确量u*。完成运算之后，就返回到主程序中，得到实际的∆Kp，∆Ki，∆Kd，分别将3个参数存在VD192，VD196，VD200中，然后可以进行PID控制。
4.1.4参数可调整PID程序设计
采用PLC编程来实现参数可调整PID程序控制[11]。具体程序如下：
LD    SM0.1//上电第一扫描周期SM0.1=ONMOVR    1.0,VD104    //设定的数值100%
MOVR    0.1,VD116    //采样时间0.1s
MOVB    100,SMB34    //定时中断0间隔为100ms
ATCHINT_0:INT0,10//允许中断LD    SM0.0
CALLSBR_1:SBR0//调子程序1CALLSBR_2:SBR1//调子程序2CALLSBR_3:SBR2//调子程序3MOVRVD304,VD100
/R    32000.0,VD100    //将数值存入Table表
PID    VB100,0    //执行PID
MOVR    VD108,AC0    /把输出值送入累加器
AC0
*R    32000.0,AC0    //AC0为刻度值0～32000
ROUNDAC0,AC0//把实数转换为32为整数DTIAC0,AC0//把32为整数转为16为整数MOVWAC0,AQW0//送至D/A转换器输出

5监控系统设计
通过人机界面，操作人员可以与PLC进行信息、数据等的处理与交流。同时人机界面能够更直观地显示整个系统的运行状态，实时对运行状态进行监控，当出现报警故障时，故障可能原因显示在人机界面上，对操作人员解决系统故障提供了很大的帮助[12—15]。人机界面的组成见图9。
PID的初始参数Kp,Ki,Kd分别取值为30.0，5.0，1.0，控制系统最终的用户界面如图10所示。在图10a可以通过按钮切换来实现手动、自动功能。
在界面中能够显示完成包装的为53包，其中合格的包数为51包，不足包数为1包，过量包数为1包。在图10b中可以实现包装质量的实时曲线显示，也可以通过左边的表格实现质量的实时记录，将需要的数据通过USB接口导入到存储设备中。
6结语
设计了以S7-200PLC为控制核心、以触摸屏TPC7062KS为操作屏的定量包装控制系统。在分析传统方法不足的基础上，并且在现有包装设备的基础上加以改造，采用模糊PID控制算法进行闭环控制，从而提高了包装精度。

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