紙紗復合制袋機控制系統設計

殷 紅 董海棠 汪 諍 祁文哲 彭珍瑞 李文生

(蘭州交通大學機電工程學院1，甘肅 蘭州 730070;蘭州金安新包裝有限公司2，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

紙紗復合包裝袋是采用紙紗復合制袋機技術生產的緯紗連續環繞無中縫的新型包裝袋。紙紗復合包裝袋既解決了傳統紙袋強度低、易破損等問題，又解決了塑料袋廢棄后的“白色污染”問題，屬于綠色包裝，符合可持續發展戰略［1］。近年來研制的紙紗制袋機，較好地解決了紙紗袋的生產和企業的效率問題，但制袋機的自動化、制袋精度和可靠性仍有待于進一步提高。

本文根據新型環保紙紗復合制袋機的工藝要求和控制性能指標，開發了紙紗復合制袋機控制系統，以提高制袋機的自動化水平、工作的穩定性和可靠性，并盡可能地解決目前紙紗復合制袋機存在的經緯紗密度不均勻、切刀動作丟失、亂刀和切不斷等問題。

1 系統結構和工藝要求

1.1 工藝流程

自動紙紗復合制袋機主要由上紙機構、折疊機構、布紗機構、上膠機構、牽引機構、切斷機構、擠壓定型機構、報警機構以及其他功能擴展機構(如印色、扎微孔等機構)組成［1］，其平面圖如圖1所示。

圖1 紙紗復合制袋機平面圖Fig.1 Plan figure of the bag-making compound machine

紙紗復合制袋機的工藝流程為:紙紗制袋機將來自牛皮紙卷的內層紙折疊成矩形紙筒，并在袋長牽引機構的牽引下運動;經紗通過經線布線架上的布線器，再通過上膠盒完成上膠和布線;然后將布好經線的紙筒穿過緯線布線機構的芯部，緯線機構由2個盤形線架組成，2個盤形線架轉動的方向相反，把緯線纏繞在走過的紙筒圓周上，并經外層紙折疊裝置折疊，使外層紙包裹在繞好線的紙筒上;通過5級擠壓定型輥使紙筒內外層及經緯線粘接在一起，在扎微孔機構處使紙袋扎微孔完成放氣;最后由小芯胎折邊機構將紙袋兩側折成M形;再通過定型機構定型后，用切刀切成所需要的長度并下線［2］。

1.2 工藝控制要求

通過研究定長、定位剪切的控制方法以及紙袋線速度與袋長、緯紗密度之間的協調關系，設計了一種基于PLC的制袋控制過程系統方案。該方案實現了紙紗復合制袋機的自動化功能［3－6］。

該方案的主要控制參數具體設置如下。

①主要控制參數

袋速(主機速度):1～20 m/min;切袋長度:600～1200 mm;切袋誤差:±3 mm;溫度范圍:20～85℃;溫度誤差:±3 K;緯紗密度:30根/100 mm～60根/100 mm。

②對整機系統的可靠性和穩定性要求

在連續制袋5萬條的過程中，系統不應出現死機、亂刀、失控等現象。

制袋機工作在1～20 m/min的袋速范圍內，并在加速或減速過程中系統應平穩過渡，運行可靠，且能確保紙袋加工誤差在±3 mm之內。

通過生產實踐證明，目前的制袋機控制系統存在自動化程度低、電器故障率高、整機系統可靠性低和穩定性欠佳等問題。因此，保證定長、定位和裁切的準確性是控制系統需解決的關鍵技術問題。

圖2 控制系統結構框圖Fig.2 Structural block diagram of the control system

2 紙紗復合控制系統設計

根據開發委托單位提出的“突出控制的可靠性、穩定性”要求，實施控制系統設計和選型。在單片機、工控機和PLC等控制器中，選用便于與接觸器等傳統元器件集成、性價比較高的PLC為控制核心。基于觸摸屏技術的制袋機控制系統，可以更好地滿足生產要求、提高生產效率。

人機界面(HMI)是操作人員和機器設備之間進行雙向溝通的橋梁，用戶可以通過HMI多功能顯示屏幕，組合文字、按鈕、圖形和數字等來處理或監管實時變化的信息。

2.1 控制系統結構

紙紗復合制袋機以PLC為控制中心，通過工業觸摸屏向PLC發送操作指令并顯示系統的運行狀態，采用變頻器對袋長牽引電機和緯紗電機進行變頻調速控制［7］。

在紙袋牽引傳動鏈系統中，設置有編碼器，從而對實際的袋速進行測量;采用色標傳感器檢測有色袋的切斷標志，觸摸屏將溫度、壓輥壓力等信息傳輸給PLC，由PLC進行反饋控制。此外，系統還能檢測各子系統故障現象，并將具體的故障信息送往觸摸屏進行實時顯示。

控制系統結構如圖2所示。

2.2 人機界面設計

人機界面的選型綜合考慮了產品品牌、處理器的速度、內存大小、屏的尺寸、顯示方式、接口類型、顯示分辨率、可靠性、穩定性、使用壽命和價格等因素，以及工程的現場條件和控制要求，最后選用基于12.1英寸(1英寸=25.4 mm)TFT液晶顯示屏的TPC1262H嵌入式一體化工控機。該一體化工控機還預裝了MCGS嵌入式組態軟件(運行版)［8］。

人機界面的主要功能是用觸摸屏控制下位機(PLC)，以達到控制機器各部件的目的。其控制量有現場各設備(如電機等)的開閉、牽引速度和緯紗密度(即控制主機變頻器和緯紗變頻器，以實現速度變化)以及上下膠槽溫度等。顯示對象有上下膠槽溫度、袋速、緯紗密度、切袋計數和旋編脈沖等實時數據和機器動畫的動態顯示，可實時監控各種變量的變化。控制系統主要由開始畫面、系統監控、操作畫面和報警畫面等組成。通過組態形成的控制系統畫面，可使工作人員通過觸摸屏進行數據的輸入、啟動或停止整個機器，以及監控整個系統和系統各個關鍵部件的運行狀況。

2.3 控制系統設計

自動紙紗復合制袋機主要由5個控制子系統組成，即袋長牽引子系統、切刀子系統、緯紗繞線子系統、溫度控制子系統和壓輥控制子系統。其中，袋長牽引子系統是確保控制系統穩定、可靠工作的關鍵，本文將對該系統進行重點介紹，并簡要說明其他子系統。

2.3.1 PLC 的選型

根據工廠生產工藝流程、生產過程特點及I/O點數規模等需求，結合工廠現有設備和控制要求，選用歐姆龍繼電器輸出型的CP1H-XA40DR-A作為本系統的PLC。它集成了24點輸入、16點輸出共40個數字量I/O點，并內置4點模擬量輸入、2點模擬量輸出。CP1H-XA40DR-A是具有較強控制能力的控制器［9］，它共有4個獨立的100 kHz高速計數器、2路獨立的100 kHz高速脈沖輸出、2個RS-485/RS-232C通信/編程口。

2.3.2 袋長牽引子系統

袋長牽引子系統由變頻器對主機(牽引電機)速度進行控制，它是解決袋長精度的關鍵。編碼器檢測走袋速度并送入PLC，PLC控制變頻器，進而控制電機速度。對未印刷的紙袋，PLC根據人機界面觸摸屏傳送的袋長指令計算切刀周期;對印刷有色標的紙袋，其切刀周期直接由色標確定。

① 變頻器的選型［10］

為實現三相異步電動機速度的調整和運轉的穩定，本系統采用2臺變頻器分別對牽引電機和緯紗繞線電機進行頻率調節控制。變頻器的容量選定過程實際上是變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見也較安全的選擇依據是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率。本系統選用歐姆龍3G3MV型變頻器，輸入為380 V三相交流電源、輸出功率為3 kW、額定電流為6.8 A。在變頻調速的幾種控制方式中，PWM模式的V/F變頻器控制相對簡單，機械特性硬度也相對較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求。因此，系統采用PWM-V/F變頻器方式。

②色標傳感器的選型

色標傳感器的選擇主要考慮傳感器的截面形狀、截面面積、檢測距離、開關頻率、光斑大小、響應時間、穩定性和自學習能力等指標。由于本系統中色標傳感器用于控制切刀的動作，故選擇的傳感器必須滿足響應時間短、穩定性好以及自學習能力強的要求。所以，本系統選擇SICK KT1M-P1色標傳感器。

③旋轉編碼器的選型

在本系統中，旋轉編碼器的作用是實時采集袋長牽引過程中的紙袋長度，為此，選用增量式旋轉編碼器。考慮到系統對紙袋的精度要求較高，本系統選用DRS60旋轉編碼器。為提高袋長精度，每次切袋后編碼器都需清零。

2.3.3 切刀子系統

PLC產生切刀信號控制切刀電磁閥，進而控制切刀。控制的關鍵在于提刀時間。提刀時間太長，會造成紙袋堆積，容易產生斜角;提刀時間太短，則切不斷紙袋，容易產生廢品。經過反復試驗，確定本系統的切刀時間為5～10 ms，以適應不同的袋長和袋速。

2.3.4 緯紗繞線子系統

緯紗繞線子系統采用變頻器聯動調速。根據主機線速度(袋速)、主機傳動比、牽引輥直徑、緯紗傳動比和緯紗盤定子數等參數，由PLC程序自動計算出緯紗電機的轉速，從而確保整機的平穩運行以及緯紗密度的精確穩定。

2.3.5 溫控子系統

溫控子系統用來控制上下膠槽溫度，以便能夠讓經緯紗可靠地粘合在上下層牛皮紙上。本系統溫控范圍為20～85℃，控制精度保持在±3 K。系統控制對精度要求不高，但要求穩定。所以選用性價比較高的Pt100溫度傳感器，再經由溫度變送器送入PLC，實現對溫度的控制。

2.3.6 壓輥控制子系統

壓輥控制子系統對各個壓輥進行加壓和減壓操作。當壓力達到一定值后，通過PLC控制電磁閥的斷電和通電。

系統控制流程圖如圖3所示。

圖3 系統控制流程圖Fig.3 Flowchart of system control

3 應用情況

本文設計的整機系統一直在蘭州金安新包裝有限公司進行試生產。該自動控制系統能夠實現紙紗復合制袋機生產過程的上紙、布紗、上膠、控溫、折邊、翻邊、扎孔、剪切、復合、折邊、切袋計數和輸送等各個環節的自動化。主機速度(袋速)在1～20 m/min范圍內能夠確保系統在加速、減速過程中穩定可靠。剪切袋長在600～1200 mm范圍內設定生產時，切袋誤差不超過±3 mm。觸摸屏人機界面操作簡單，可實時顯示設備的工作狀態。當發生小芯胎錯位等嚴重故障時，觸摸屏能實時顯示其故障，同時控制系統能夠緊急停止主機、緯機，既不浪費紙張，又保證設備和人身安全。

與原有的控制系統相比，該系統的可靠性、準確性和穩定性都有大幅度的提高，迄今已生產15萬條紙袋(驗收指標為5萬條紙袋)，氣動切刀工作正常，未出現不切、亂切、切不斷、失控等情況，整機系統也未出現其他故障。

4 結束語

針對現有紙紗復合制袋機的精度和自動化程度等問題，在分析制袋工藝和加工過程的基礎上，對制袋機的控制系統進行了全新的設計，研究并開發了基于PLC的綠色環保型紙紗復合制袋機的控制系統。該控制系統綜合運用人機界面組態軟件、觸摸屏、PLC、變頻器、編碼器和色標傳感器等技術，實現了主電機和緯紗電機速度的匹配調節和平滑過渡，自動化程度和可靠性得到了明顯提高，廢品率大大降低;從而提高了紙袋的加工精度和產品質量，提升了企業的市場競爭力，滿足了不同層次客戶的需求。

此外，由于采用以PLC為核心的控制，故控制系統具備體積小、可靠性高、性價比高等顯著優點。根據不同的生產工藝流程，該控制系統可以在不改變硬件接線或對硬件接線略作改動的情況下，通過適當修改程序來實現用戶的需求;同時，還預留了一定的輸入輸出點數，使得系統的柔性大大提高。

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