基于PLC控制的包裝碼垛生產線的設計

王 平，黃玉志

（1.延長石油煉化公司項目建設指揮部 陜西 洛川 727406；2.延長石油研究院 陜西 西安 710075）

聚丙烯具有耐溫、耐油、抗沖擊等特性，有良好的加工性能。以往聚丙烯包裝主要分為人工稱量、手封口、人工堆放等。當閃蒸釜中的物料經閃蒸結束，乙烯氣檢驗合格后，打開釜底的氣動球閥和手動球閥，包裝工手拿包裝袋，撐開袋口，袋底擱在磅秤上（事先定為50 kg）讓聚丙烯物料靠重力的作用自由落料進入包裝袋。包裝工在接料的同時用眼睛盯著磅秤，當磅秤的秤砣稍稍翹起，即迅速換上另一只包裝袋進入下一袋的包裝。稱量完畢手封口，由工人搬到倉庫堆放好。這樣計量誤差大，效率低。若包裝工的動作過于迅速，包裝袋中的物料極有可能低于實際值，給用戶造成損失，引起糾紛。若動作過慢物料超出定量值，無疑會給廠方造成一定經濟損失。由于聚丙烯自身極易產生靜電，加上所需包裝的是粉狀物料，包裝現場粉塵較大，對工人的健康是有害的。整個包裝過程全靠手工來完成，勞動強度很大。所以聚丙烯包裝生產中采用PLC控制系統可以節省原料，提高包裝速度，進而提高生產效率，同時還降低工人的勞動強度[1-2]。

1 聚丙烯包裝生產線的工藝概述

聚丙烯包裝生產線具體分為稱重、封口、推倒傳輸、檢驗、碼垛等部分，相比而言稱重和碼垛是最重要、最復雜的兩個部分。圖1是包裝線的工藝流程圖。

系統的運行方式共分為手動、單步、周期及自動4種操作方式。

圖1 包裝生產的工藝框圖Fig.1 Diagram of packaging production processes

1）手動 各工步都可單獨點動，按鈕釋放即停止運行；

2）單步 按下啟動按鈕，運行一個工步，到位即停。再按啟動，則進入下一工步運行；

3）周期 從初始位置開始，按啟動按鈕，程序自動完成一個周期的動作后返回到第一步開始位置停止；

4）自動 按啟動按鈕，程序完成一個周期的動作后又接著從第一步開始運行，自動循環。在自動方式下，中途若按下復位按鈕，則系統要繼續運行到第一步開始位置才停止；若按下停止按鈕，則運行立即停止，此時若再按啟動，系統即從該位置運行到第一步開始處停止。

根據聚丙烯包裝系統的實際運行情況，本系統采用自動運行和手動運行兩種方式。與運行方式的設計相對應，還必須考慮停止運行方式的設計。可編程控制器的停運方式有正常停運、暫時停運和緊急停運3種。根據控制系統要求，由于包裝系統運行期間采用循環工作方式，只有在工作結束或接收到操作人員的停止運行指令或設備出現故障或異常情況時才停止，因此本系統采用硬件切斷電源，使系統立即停車[3-4]。

2 控制系統硬件總體設計

控制系統硬件框圖如圖2所示。

圖2 控制系統硬件組圖Fig.2 Structure diagram of hardware system

2.1 電子稱量部分的組成

電子秤主要由秤體和電子稱量控制系統兩個部分組成。其秤體部分又是由貯料倉、給料裝量、稱量斗、夾袋器等組成。電子秤量控制系統則是由稱量傳感器、稱重控制儀表和控制執行元件組成，如圖3所示，其中稱重傳感器是很重要的組成部件。

圖3 稱量器件圖Fig.3 Diagram of weigh device

包裝秤給料裝置以大小兩種流量向稱量斗供給物料。稱重傳感器將重量信號轉換為電信號，并傳送給稱重控制儀表。稱重控制儀表測量重量值并對整個稱量過程進行程序控制，構成一個自動稱量控制系統。

根據該過程的流程要求設計，系統中開關量輸入信號有啟動按鍵、停機鍵、斗門狀態、夾袋夾緊等檢測信號。開關量輸出有粗細進料電磁閥、放料電磁閥、夾袋器等控制信號和一些顯示、報警輸出信號。數字量通道接收傳感器重量輸入信號，其中稱重斗門關閉和夾袋夾緊檢測用接近開關，緩沖料門、稱重斗門和夾袋由電磁閥帶動氣缸來控制。稱重過程圖如圖4所示。

圖4 稱量過程圖Fig.4 Diagram of weighing process

理想狀態下，大給料、小給料共同完成額定重量值的95%給料量，且在很短時間內完成。接著大給料停止，小給料再完成額定重量值的5%～10%給料量，且占用較長時間。說明大給料用以提高包裝速度，小給料的緩慢給料可以保證稱量準確度。實際生產中這兩段的重量與時間參數要根據具體情況不斷調整才能達到最佳狀態。檢測裝置如圖5所示。

圖5 檢測裝置Fig.5 Detection device

2.2 封口機

在得到下料完畢后，封口機得到一個信號，封口機就加熱封口針，接著就開始工作封口。封口延時以便能完全封好。

2.3 推倒裝置

在封口完畢后，感應器發出信號給推倒裝置，推倒裝置推倒包裝袋使袋子平放傳輸帶上，以便傳輸帶把袋子運走。

2.4 重量檢測器

該檢測由光電開關Ⅰ、Ⅱ控制，當料袋進入該裝置時，光電開關Ⅰ被料袋遮擋；當料袋被完全載于稱體上時，光電開關Ⅱ被遮擋，系統通過壓力傳感器開始采集數據直至復檢結束；若重量合格（測量精度50 kg動態），料袋進入下道工序；重量超差的料袋，系統發出報警信號，該料袋進入揀選機時，揀選機將其剔除。

圖6是用來檢測出包裝生產線上是否有次品并將其剔除。光電開關Ⅰ的信號作為移位寄存器的數據輸入信號，當檢測到一個次品時，光電開關Ⅰ變為ON，其余時間為OFF。光電開關Ⅱ的信號作為移位脈沖輸入信號，每檢測到一個產品就產生一個脈沖，產品之間的間隔是固定的。光電開關Ⅱ檢測到一個次品，移位寄存器就開始跟蹤，直到它到達傳送帶上的一個預定位置時，電磁閥動作，控制汽缸將次品推出。而正品則繼續隨傳送帶前行。次品排出時光電開關Ⅲ檢測出，該信號作為移位脈沖和電磁閥的復位信號。

圖6 稱量數據控制圖Fig.6 Diagram of weighing data control

2.5 金屬檢測器

料袋通過金屬檢測器時，若料袋中不含金屬顆粒和金屬顆粒較小時，該檢測器不發出任何信號，料袋被送到下一道工序；當料袋含有金屬顆粒大于或等于2 mm時，該金屬器通過電控系統發出信號，該料袋在揀選機上被剔除。

圖7 稱重系統流程圖Fig.7 Flow chart of weighing system

2.6 碼垛機

碼垛機的水平皮帶機將包裝機輸送來的合格料袋通過緩沖。由壓袋機加以輥壓.使袋形平整，再由轉袋裝置使物料回轉90°或180°（目的是使包裝縫紉口全部在內側，排層后整齊）。然后由排層輸送機使料袋每層橫3豎2打層。排滿8層后，由托盤托出垛，并由儲存輥道輸送機暫存，最后山叉車運出碼垛[5-6]。

3 軟件的設計

控制系統流程圖包裝碼垛自動生產線控制系統可分為電子稱重部分、包裝機組控制部分和碼垛機組控制部分，之間通過聯鎖來進行整個系統的控制。稱重系統流程圖如圖7所示，包裝控制系統流程圖如圖8所示，碼垛控制系統流程圖如圖9所示[7]。

4 結束語

該碼垛機PLC自動控制系統集中了PLC、傳感器、電機驅動、氣動等先進技術，設備復雜，然而操作簡單，系統運行穩定可靠，碼垛速度快，垛型整齊、美觀，生產能力不低于 1 200袋/h。

在延安化工廠成品車間應用，各項指標達到了技術要求，大量減少了成品的占地面積，極大提高了生產效率，深受用戶的好評。

圖8 包裝控制系統流程圖Fig.8 Flow chart of packing system

圖9 碼垛控制系統流程圖Fig.9 Flow chart of palletizing system

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