基于PLC的紙板自動(dòng)折盒機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 京,徐滕崗,朱建軍

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 201620)

基于PLC的紙板自動(dòng)折盒機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 京,徐滕崗,朱建軍

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 201620)

介紹了一種基于可編程控制器(PLC)的紙板自動(dòng)折盒機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),通過觸摸屏與PLC、觸摸屏與現(xiàn)場(chǎng)各種傳感器的通信實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制. 該系統(tǒng)采用SIMATIC S7-200PLC控制器作為控制核心,由數(shù)字量輸入/輸出(I/O)擴(kuò)展模塊EM223進(jìn)行I/O設(shè)備擴(kuò)充,通過SIMATIC的TP270-10彩顯觸摸屏進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和運(yùn)行監(jiān)控,同時(shí)系統(tǒng)通過傳感器進(jìn)行信號(hào)的檢測(cè),確保系統(tǒng)正常運(yùn)行. 本系統(tǒng)運(yùn)行可靠,能自動(dòng)控制折盒機(jī)進(jìn)行調(diào)整、補(bǔ)料、運(yùn)料和折疊等工序,完成紙盒的尺寸參數(shù)化設(shè)置和全自動(dòng)折疊.

折盒機(jī);自動(dòng)化;可編程控制器(PLC);控制系統(tǒng)

國(guó)外折盒機(jī)械行業(yè)根據(jù)產(chǎn)品多樣性的需求,利用計(jì)算機(jī)和仿真技術(shù)提供集生產(chǎn)、監(jiān)督、調(diào)整、檢驗(yàn)于一體的成套設(shè)備,設(shè)備工藝流程的自動(dòng)化、柔性化、靈活性相當(dāng)高,但是價(jià)格過于昂貴. 與國(guó)外同類產(chǎn)品相比,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的紙板折盒機(jī)大多數(shù)還停留在半自動(dòng)水平,且折疊尺寸固定,紙盒生產(chǎn)品種單一,不適合紙盒多品種生產(chǎn),適應(yīng)性較差. PLC (programmable logic controller)作為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域重要的控制設(shè)備,具有功能性強(qiáng)、集成度高、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)[1-2],在工業(yè)控制領(lǐng)域已有長(zhǎng)期的使用[3-4]. 本文將SIMATIC公司的S7-200系列PLC應(yīng)用于折盒機(jī)控制系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造和創(chuàng)新,采用觸摸屏設(shè)置紙盒參數(shù),控制紙盒折疊,從而實(shí)現(xiàn)紙盒尺寸控制參數(shù)化和折疊自動(dòng)化.

1 紙板自動(dòng)折盒機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 紙板自動(dòng)折盒機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)及功能

本文中的紙板自動(dòng)折盒機(jī)由6部分組成， 其結(jié)構(gòu)組成及工位俯視圖如圖1所示.

(a) 折盒機(jī)總體布局

(b)工位俯視圖圖1 折盒機(jī)總體布局及工位俯視圖Fig.1 Folding box machine overall layout and planform of workstation situation

機(jī)架部分: 分為下機(jī)架和上機(jī)架兩部分. 下機(jī)架采用50X50-5碳鋼焊接而成,上機(jī)架為5050鋁材組裝而成. 機(jī)架調(diào)整方便,變形量小,外圍采用有機(jī)玻璃防護(hù).

頂料機(jī)構(gòu): 分為紙盒手動(dòng)調(diào)整裝置和定高送料裝置. 手動(dòng)調(diào)整裝置是在更換不同型號(hào)紙板時(shí),通過人工手動(dòng)調(diào)整來定位紙板位置;定高送料裝置為自動(dòng)等距提料,實(shí)現(xiàn)少料補(bǔ)料功能.

調(diào)整機(jī)構(gòu): 在更換紙板后,人工輸入?yún)?shù),機(jī)構(gòu)會(huì)通過電缸自動(dòng)調(diào)整折疊尺寸大小(150～290 mm). 其主要由電缸、直線導(dǎo)軌、同步帶輪等組成.

運(yùn)料機(jī)構(gòu): 主要由吸盤和水平送料導(dǎo)桿氣缸構(gòu)成. 吸盤下移抓料,水平送料導(dǎo)桿氣缸將其輸送到指定的折疊位置,并且在移動(dòng)過程中,將折疊成型的紙盒推送到輸送線上.

折疊機(jī)構(gòu): 主要是將紙板沿固定的折線位置進(jìn)行折疊,機(jī)構(gòu)執(zhí)行的所有動(dòng)作主要由氣缸來完成.

電氣部分: 主要由觸摸屏和PLC構(gòu)成,用來設(shè)置系統(tǒng)控制參數(shù)和控制折盒機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn).

1.2 紙板自動(dòng)折盒機(jī)的工作原理

紙盒折疊工藝流程如圖2所示. 更換不同型號(hào)紙板后,手動(dòng)調(diào)整絲桿手輪,定位紙板位置,然后根據(jù)紙板規(guī)格通過觸摸屏設(shè)置紙盒參數(shù),并進(jìn)行相應(yīng)部位的調(diào)試. 折盒機(jī)啟動(dòng)后,紙板由頂料機(jī)構(gòu)送到指定位置,運(yùn)料機(jī)構(gòu)的吸盤下移抓料,水平送料導(dǎo)桿氣缸將紙板送到指定的折疊位置,折疊機(jī)構(gòu)將紙板沿固定的折線位置進(jìn)行折疊,從而完成自動(dòng)折盒流程.

圖2 紙盒折疊工藝流程圖Fig.2 Flow chart of bandbox folding process

2 系統(tǒng)控制要求

為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行,有如下控制要求:

(1) 手動(dòng)調(diào)節(jié). 當(dāng)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)操作時(shí),須將面板“手動(dòng)/自動(dòng)”轉(zhuǎn)換按鈕旋轉(zhuǎn)到手動(dòng)檔位,在沒有任何異常報(bào)警的情況進(jìn)行手動(dòng)操作,合理調(diào)節(jié)手動(dòng)調(diào)整裝置,正確定位紙板位置.

(2) 異常報(bào)警. 在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,若出現(xiàn)錯(cuò)誤(紙板定位錯(cuò)誤、紙盒料倉缺料、吸盤吸料不牢固等),傳感器檢測(cè)到異常后,蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警,排除異常后,點(diǎn)擊復(fù)位按鈕可使系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行.

(3) 保證人員安全. 設(shè)備出現(xiàn)緊急情況時(shí),需要同時(shí)點(diǎn)擊緊急停止按鈕和系統(tǒng)停機(jī)按鈕實(shí)現(xiàn)安全互鎖,確保相關(guān)工作區(qū)域內(nèi)維修和操作人員安全. 緊急情況處理完畢后,點(diǎn)擊復(fù)位按鈕可使折盒機(jī)各機(jī)構(gòu)部分回歸原位.

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的組成

本控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)紙板的折疊工藝流程控制各機(jī)構(gòu)的執(zhí)行,其主要包括: 紙板補(bǔ)充、紙板調(diào)整、紙板輸送、紙板折疊等. 根據(jù)以上各控制要求,本折盒機(jī)控制系統(tǒng)主要由PLC、觸摸屏、各種按鈕(啟動(dòng)按鈕、停機(jī)按鈕、復(fù)位按鈕、急停按鈕)、光電傳感器、壓力傳感器、接近開關(guān)、交流伺服電機(jī)及其控制器、變頻器、電缸及其控制器、氣缸、開關(guān)等部分組成,其控制原理如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)控制原理圖Fig.3 Principle of the control system

(a) PLC外部接線

(b) 擴(kuò)展模塊EM223外部接線

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 PLC及其擴(kuò)展模塊的選型

根據(jù)本系統(tǒng)需要的數(shù)字量輸入/輸出(I/O)接口為36DI/27DO,以及經(jīng)濟(jì)性、可靠性的要求,本系統(tǒng)控制器選用SIMATIC公司生產(chǎn)的S7-200系列PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)折疊過程的自動(dòng)化控制,其具有多種擴(kuò)展功能模塊可供選擇,完全滿足紙板自動(dòng)折盒機(jī)控制各項(xiàng)任務(wù)的需求.

PLC主機(jī)單元采用CPU 226CN,它擁有24DI/16DO,最大可擴(kuò)展128DI/128DO,具有多點(diǎn)接口(MPI)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(PPI)主站模式和2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS-485通信/編程端口,2路20 kHz的高速脈沖輸出[5],可用于伺服控制系統(tǒng)來精確控制伺服電機(jī). 為彌補(bǔ)本機(jī)數(shù)字量I/O的不足,本文選擇了SIMATIC S7-200數(shù)字量I/O擴(kuò)展模塊EM223,其為16DI/16DO,以擴(kuò)展PLC的I/O點(diǎn)數(shù)和功能[6]. 在滿足該機(jī)36DI/27DO需求的同時(shí),還有部分I/O余量,可為以后生產(chǎn)工藝的變化和I/O設(shè)備擴(kuò)充做準(zhǔn)備[7].

3.2.2 觸摸屏的選型

PLC控制器與觸摸屏的接口技術(shù)越來越成熟[8],本系統(tǒng)采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、控制方式及監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì),綜合考慮選用SIMATIC的TP270-10彩顯觸摸屏. 可以通過PPI與PLC相連,以及可通過編程口MPI,進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)或備份[9]. 通過TP270-10觸摸屏可改變PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)參數(shù)以及監(jiān)控PLC的運(yùn)行.

3.3 PLC和擴(kuò)展模塊外部接線示意圖

根據(jù)紙板自動(dòng)折盒機(jī)的控制要求及輸入、輸出點(diǎn)數(shù),其外部接線示意圖如圖4所示.

3.4 系統(tǒng)輸入、輸出地址的分配

根據(jù)紙板自動(dòng)折盒機(jī)的控制要求,確定控制系統(tǒng)需要配置36個(gè)輸入端口和27個(gè)輸出端口. 輸入、輸出地址的分配表如表1和2所示.

表1 輸入地址分配表Table 1 Input address table

表2 輸出地址分配表Table 2 Output address table

(續(xù) 表)

3.5 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

采用西門子WinCC flexible 2008型觸摸屏編程軟件,其具有多種功能塊庫,且可記錄和跟蹤操作員動(dòng)作和組態(tài). 觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)步驟如下:

(1) 設(shè)置通信參數(shù)通過PPI實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC之間的通信連接[10].

(2) 根據(jù)實(shí)際控制要求,創(chuàng)建可視化的控制界面.

(3) 設(shè)置控制參數(shù). 通過控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)PLC和現(xiàn)場(chǎng)傳感器與觸摸屏功能模塊之間的連接,實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)PLC參數(shù)的控制,PLC參數(shù)和傳感器信息向觸摸屏的反饋.

觸摸屏窗口的折盒機(jī)啟動(dòng)界面如圖5所示,氣缸位置監(jiān)控界面如圖6所示. 自動(dòng)啟動(dòng)時(shí),將控制面板上“手動(dòng)/自動(dòng)”轉(zhuǎn)換按鈕旋轉(zhuǎn)到自動(dòng)狀態(tài),在折盒機(jī)氣缸位置頁面查看每個(gè)氣缸是否都在原位,通過相關(guān)信號(hào)判斷每個(gè)氣缸的運(yùn)行狀況.

設(shè)置參數(shù)時(shí),將系統(tǒng)設(shè)為手動(dòng)狀態(tài),點(diǎn)擊觸摸屏的“紙盒規(guī)格參數(shù)”按鈕,在該頁面下進(jìn)行紙盒尺寸大小(長(zhǎng)度、寬度、高度)的設(shè)置、紙盒尺寸補(bǔ)償值微調(diào)以及電缸的監(jiān)控,如圖7所示. 根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況,在產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)頁面進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)、生產(chǎn)總數(shù)的統(tǒng)計(jì)和生產(chǎn)速度的設(shè)置等,可在調(diào)試設(shè)備時(shí)按照實(shí)際生產(chǎn)要求合理設(shè)置紙盒折疊的節(jié)拍,如圖8所示.

圖5 啟動(dòng)條件界面Fig.5 Starting condition interface

圖6 氣缸位置監(jiān)控界面Fig.6 Cylinder position monitoring interface

圖7 紙盒規(guī)格參數(shù)界面Fig.7 Bandbox specification parameters interface

圖8 產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)界面Fig.8 Product data statistics interface

3.6 控制系統(tǒng)軟件編程

根據(jù)系統(tǒng)控制要求,設(shè)計(jì)本系統(tǒng)控制流程圖如圖9所示,從而可采用順序控制設(shè)計(jì)法進(jìn)行直觀梯形圖的程序編程. 系統(tǒng)可根據(jù)其內(nèi)部狀態(tài),在輸入信號(hào)的作用下,使各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照動(dòng)作執(zhí)行的先后次序自動(dòng)地依次進(jìn)行操作[11].

本系統(tǒng)的PLC軟件設(shè)計(jì)采用SIMATIC公司的STEP7-Micro/WIN編程軟件,在分配好各個(gè)I/O設(shè)備的地址后,在進(jìn)行PLC程序編程時(shí),需考慮紙板的輸送和折疊與各個(gè)工序之間的銜接. 根據(jù)控制要求,程序設(shè)定當(dāng)料倉中的光電傳感器未檢測(cè)到紙盒時(shí),系統(tǒng)進(jìn)行缺料報(bào)警,上料接近開關(guān)檢測(cè)到補(bǔ)充的紙盒到達(dá)取料位后,頂料機(jī)構(gòu)進(jìn)行提料補(bǔ)料. 而后導(dǎo)桿氣缸動(dòng)作,吸盤吸取紙板原料,若未吸緊則重新吸取,而后送達(dá)指定折疊位置放料,若未送達(dá)指定位置,重新放置. 而后折邊氣缸動(dòng)作,吸盤吸取紙板折疊邊,并沿折線位置折疊成型. 下壓氣缸將紙盒壓出. 每折疊完成一個(gè)紙盒,光電傳感器會(huì)檢測(cè)到,并將結(jié)果送入計(jì)數(shù)器,該過程依次循環(huán)進(jìn)行. 當(dāng)系統(tǒng)急停時(shí),各個(gè)輸出位均復(fù)位.

圖9 系統(tǒng)控制流程圖Fig.9 Flow chart of system control

4 結(jié) 語

紙板折盒機(jī)控制系統(tǒng)可以通過手動(dòng)觸摸屏設(shè)置紙盒參數(shù),并通過PLC完成紙盒的參數(shù)化和自動(dòng)化一體折疊控制,減少了繁瑣的操作工序,生產(chǎn)效率高,折疊質(zhì)量好,實(shí)現(xiàn)了紙盒生產(chǎn)過程的自動(dòng)化.

限于目前的技術(shù)水平,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮到折盒機(jī)硬件結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制模塊的模塊化設(shè)計(jì),若采用模塊化設(shè)計(jì)可通過更換運(yùn)動(dòng)控制模塊零部件,設(shè)置觸摸屏中紙盒參數(shù),即可實(shí)現(xiàn)不同款式紙盒的生產(chǎn)要求,這也是該系統(tǒng)將來需要改進(jìn)的地方,以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)要求.

[1] 王少華,唐進(jìn),劉曉魁. 電氣控制與PLC應(yīng)用[M]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué)出版社,2008: 159-160.

[2] 海心,馬銀忠,劉樹青. 西門子PLC開發(fā)入門與典型事例[M]. 北京: 人民郵電出版社,2010.

[3] 申鳳琴,江劍. 基于PLC的車載破碎機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電器傳動(dòng),2015,45(7): 74-76,80.

[4] ZHU S,LI Y X,WANG Y,et al. Design of the control system of adaptive balancing device based on PLC[J]. Intelligent Control and Automation,2015,6(3): 200-204.

[5] 廖常初. S7-200PLC編程及應(yīng)用[M].2版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2013: 4-5.

[6] 吉順平,孫承志,路明,等. 西門子PLC與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2008: 20-21.

[7] 康思聞,荊學(xué)東,魏鼎. 基于PLC的硬幣包卷機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013(5): 167-169.

[8] 梁明亮,張惠敏,徐冰. 基于ARM微處理器的液晶觸摸屏的接口設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2011,19(3): 691-693,718.

[9] 宋輝,王洋,徐卿華. 觸摸屏技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2008: 79-80.

[10] 劉其洪,郭建. 基于觸摸屏與PLC的腳輪支架沖壓自動(dòng)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 儀器儀表與傳感器,2014(11): 82-84.

[11] 張文建,李文彬,郭小行. PLC流程圖法編程及實(shí)例[J]. 中國(guó)電力教育,2008(2): 331-333.

Control System Design of Cardboard Automatic Folding Box Machine Based on PLC

LIJing,XUTeng-gang,ZHUJian-jun

(College of Mechanical Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

The design of a control system of cardboard automatic folding box machine is introduced based on programmable logic controller(PLC). The real-time control of the system is realized through the communication of touch screen and PLC,touch screen and various kinds of sensors. The SIMATIC S7-200 PLC controller is choosen as the system control core,the digital input/output expansion module EM223 is used to expand I/O equipments,as well the parameters of the system are set and its operation is monitored through the SIMATIC TP270-10 touchscreen,at the same time,the signal of controller is detected by the sensors to ensure the normal operation of the system. The system has reliable operation,and can automatically control the folding box machine for adjustment,supplying material,transportation and folding processes,completes bandbox parameters setting and automatic folding.

folding box machine;automation;programmable logic controller(PLC);control system

1671-0444 (2016)05-0738-07

2016-01-09

李 京(1991—)，男，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化. E-mail:1540797687@qq.com 徐滕崗(聯(lián)系人)，男，副教授， E-mail: xutg@sues.edu.cn

TB 486.3

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