紙紗復合袋糊底機控制系統設計

王義兵，彭珍瑞，殷 紅，董海棠，祁文哲

(蘭州交通大學 機電工程學院，蘭州 730070)

0 引言

目前，紙紗復合袋的糊底主要采用人工操作，存在糊底效率低、廢品率高、勞動力短缺等問題。由于糊底過程工藝復雜性等因素限制，目前國內還沒有專門針對紙紗復合袋的糊底設備。國外雖已有自動化糊底設備，但由于技術和產品引進的成本較高，維修不便，生產規格不同，因此，研究紙紗袋自動糊底機，開發符合我國生產需求的自動化糊底設備，具有重要的現實意義。

本文采用光、機、電一體化集合和先進的工藝流程，以S7-200 PLC控制器為控制核心，運用光電、溫度和壓力等傳感器檢測紙袋位置、膠槽液位、膠槽溫度、閥口紙條、壓輥壓力等控制信息，然后將控制信息傳輸到PLC進行反饋調節。通過變頻器調節機構轉速，實現同步運行，精確定位，完成各個工序；并能依據客戶需求調整糊底袋寬，操作調整簡單方便[1]。

1 系統的組成和技術要求

1.1 工藝流程

紙袋糊底機主要由給料機構、傳送機構、壓痕機構、袋口吸開器、羊角展開器、貼閥機構、涂膠機構、折邊機構、加壓定型機構、報警機構等組成。

糊底機工藝流程為：由給料機構（或人工）將紙袋定位嵌入到傳送帶卡槽內，經壓痕機構，袋底成形的折痕被壓出，為后續袋底展開和變形做好工藝必要的準備；再經過吸開器、羊角展開器將袋底按折痕定型為六邊形狀，紙袋到達貼閥機構、自動涂膠機構時，托輥機構動作進行涂膠，貼閥機構粘貼閥口條；再經過折邊機構將紙袋合底并成形粘底，最后加壓定型并計數堆放[2]。完成紙袋的另一端糊底只需閥口機構不工作即可，其余流程與上述相同。糊底機平面圖如圖1所示。

圖1 糊底機平面圖

1.2 技術要求

通過對糊底機工藝流程和控制方法的研究，該方案的主要技術要求如下：

1）生產能力為20～25條/min；

2）上機袋寬：420～600mm；

3）上機袋筒長度：600～1100mm；

4）袋底寬度：90～130mm；

5）膠槽溫度：60℃，誤差±2℃；

6）閥口貼片類型：筒型閥片；

7）采用分工序、多工位自動化生產方式；

8）通過簡單調節，即可實現不同規格紙袋的糊底工藝。

2 糊底機控制系統設計

2.1 控制系統硬件結構

為保證糊底質量和產品合格率，各機構的同步運行尤為關鍵。本系統以PLC為控制中心，通過人機界面監視系統的運行狀態，設置變頻器的運行方式和給定頻率，監控系統各個參數。觸摸屏將溫度、壓力、液位等信息送至PLC，進行PID調節后將控制信息分別傳輸給加熱器、壓力調整裝置和報警裝置。PLC從變頻器、傳感器采集有關數據，通過上位機進行顯示、數據記錄和修改相關參數等工作，采用變頻器對各機構進行變頻調速[3,4]。

系統控制結構如圖2所示。

圖2 系統控制結構圖

2.2 控制系統設計

2.2.1 PLC的選型

根據控制系統的要求，本系統選擇德國西門子公司的S7-200系列的PLC。本機自帶RS-485通信接口、內置電源和I/O接口，功能強大、可靠性高、性價比高、使用方便、應用廣泛。CPU224XP有數字量14點輸入，10點輸出；模擬量2點輸入，1點輸出，擴展EM231溫度模塊。

2.2.2 涂膠子系統

涂膠子系統采用四級膠水傳遞方式，由粘膠輥、勻膠輥、印膠輥和托輥機構四級輥筒組成。裝在工作臺下方的光電傳感器感知紙袋位置，當有紙袋經過時，控制氣缸動作使托輥機構配合印膠輥進行涂膠。

本系統要求響應時間短，穩定性好，開關頻率高，在此選用SICK V180-2圓柱形漫反射式光電傳感器，該光電傳感器的響應時間≦0.5ms，最大開關頻率1000/s，滿足精度要求。

2.2.3 加熱子系統

膠槽溫度的過高和過低都會影響黏貼質量，加熱子系統主要對膠槽溫度進行控制，對精度要求不高，但要求穩定。在加熱子系統中，選用Pt100溫度傳感器檢測溫度信號，并將此信號轉換成過程變量，此過程變量與實際溫度是10倍的關系，很容易得到實際溫度值。經溫度模塊EM231送入PLC，通過S7-200 PLC控制器的PID指令向導生成PID控制子程序；輸出Q0.0對應的是固態繼電器的通斷來調節加熱器的有效加熱功率，從而實現對膠槽溫度的控制。經實踐表明，使用的膠水在60oC時對袋底和閥口條粘貼性能最好，因此溫控目標為60oC。

PID子程序如圖3所示。

圖3 PID子程序

為了使水溫迅速、精準達到預設溫度，加熱分兩個階段。第一個階段為全功率加熱階段，水溫低于55oC時，全功率快速加熱，加熱到55oC，第一階段加熱結束。第二階段為半功率加熱階段，電流經整流硅堆半波整流后功率減半，PLC輸出占空比控制固態繼電器SSR的通斷，小功率精確實時調節膠槽溫度，使膠槽溫度保持在給定值。

經過PID調節控制面板整定，當Kc=8，Ti=0.9，Td=0時，系統穩態誤差最小，輸出平穩，基本無震蕩，且滿足精度±2oC的要求[5]，如圖4所示。

圖4 PID參數整定曲線

2.2.4 壓力子系統

壓力子系統分為壓輥部分和托輥部分。氣路圖如圖5所示。

當紙袋經過壓痕輥時，袋底成形的折痕被壓出，壓痕輥所施加的壓力過小或過大都將會影響紙袋的工藝要求和品質。壓力傳感器檢測到壓輥壓力信號，送進PLC進行處理，PLC控制壓力調整裝置調節壓輥壓力。

當紙袋到達抹膠輥時，光電傳感器檢測到紙袋信號，通過PLC控制電磁閥的通電和斷電，使托輥機構的氣缸能迅速上下動作，頂住紙袋配合抹膠輥進行涂膠。通過計算氣缸與托輥的配合關系，以及袋速綜合得出，托輥機構的氣缸壓強需要保持在0.5MPa～0.6MPa。壓力子系統中通過壓力控制器控制空氣壓縮機的啟停，使壓力始終保持在0.5MPa～0.6MPa之間。本系統選擇YWK-50-C型，壓力設定范圍為0～0.8MPa的壓力控制器。

圖5 氣路圖

2.2.5 調速子系統

本系統是基于PLC的多電動機同步控制系統，同步調速是紙袋糊底機生產過程控制的關鍵問題，要求定位精度高，設備各部分配合進行。傳送帶、吸開器、羊角展開器、貼閥機構等必須按一定的速度匹配運行。為滿足控制精度，選用增量型旋轉編碼器將檢測電機的速度信號反饋給變頻器，變頻器對目標速度的響應由其自身的PID調節器來實現閉環控制。變頻器驅動電動機變頻調速，使設備達到一種動態平衡狀態。

本系統選用西門子MM440變頻器，內置標準RS-485通信口。可連接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，機械特性好，可以通過基本操作面板（BOP）設置相關參數。MM440內部有自帶的PID調節器，很方便構成PID閉環控制。在輸入端，給定信號與反饋信號相比較，存在的偏差進行PID調節，變頻器改變輸出頻率，從而迅速、準確地消除偏差，恢復到給定值，以調整電動機速度使其同步。當實際負載變化較大時，可通過PLC修改變頻器內部PID參數[6～8]。

3 控制流程與人機界面的設計

系統的控制流程如圖6所示。利用STEP 7 Micro/WlN編程軟件，設置各電機正常運行所需的參數，將程序下載到PLC中，傳感器檢測所需信號參數傳送給PLC，由PLC進行反饋控制。PLC和變頻器根據一定的控制規律和控制算法來控制執行單元，執行單元進行輸出控制，使各機構之間匹配運行。

圖6 系統的控制流程圖

人機界面是系統與用戶溝通的橋梁，由WINCC flexible繪制畫面信息。畫面信息主要包括監控畫面、操作畫面、報警畫面等。用戶可通過上位機實時監控設備的執行情況，修改相關參數，將相應指令送至PLC進行處理，再將指令傳送到執行機構，當超過設定值時系統進行報警并記錄保存。經過上、下位機進行聯調，實現S7-200 PLC與人機界面之間的實時通訊，信息得到及時反饋[9]。用戶不需要了解具體的PLC指令程序，就可到達控制要求，操作十分方便。

監控系統畫面如圖7所示。

圖7 系統監控界面

4 結論

自動糊底是包裝行業的發展趨勢，本文以PLC為控制核心，氣壓傳動、傳感技術和組態等多種先進控制技術，設計紙紗袋自動糊底機控制系統。系統充分考慮糊底工藝要求，實現糊底工藝中給料、傳送、壓痕、袋口吸開、羊角展開、自動噴膠、貼閥、折邊、加壓、控制、成型，完成糊底過程流水作業，一次成型。糊底尺寸規格的可調節性以提高糊底自動化操作的柔性，可解決傳統紙紗復合袋糊底過程生產工藝復雜、自動化程度低、勞動力短缺等問題。

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