基于PLC和HMI的EPE燙貼系統(tǒng)設(shè)計

宋凱旋+魏國亮

摘要摘要：目前，在EPE材料深加工領(lǐng)域主要采用人工作業(yè)的方式，普遍存在粘合效果較差、效率低下等問題，鑒于此，設(shè)計了一種以PLC為主控制器，HMI為人機交互的EPE材料燙貼系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由送料、取料、燙料3個子系統(tǒng)組成，其中送料子系統(tǒng)由PLC通過高速脈沖方式向步進電機下達定位命令，使得EPE材料能夠精確、快速地運送至指定位置。取料子系統(tǒng)采用氣動作為動力來源，其中上下、前后以及卸料氣缸完成取料、燙料、粘料、卸料過程。燙料子系統(tǒng)主要由測量裝置和加熱裝置組成，采用PID溫度控制方式，精確控制加熱回路的溫度變化。實際使用表明，該設(shè)計方案適用于多種類型EPE材料的粘合，具有實時監(jiān)控、移動和輸送精確度高、粘合效果好、兼顧環(huán)保理念等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：EPE燙貼系統(tǒng)；PLC；HMI；實時監(jiān)控

引言

EPE（Expandable Polyethylene，即可發(fā)性聚乙烯）是一種新型的環(huán)保包裝材料，EPE具備易加工、無需開模、壓縮形變恢復(fù)性好、彈性較強、清潔衛(wèi)生、便于回收循環(huán)等優(yōu)點[1]，是傳統(tǒng)包裝材料的理想代替品。

將珍珠棉用作包裝品之前，需要根據(jù)被包裝對象的形狀將珍珠棉粘接起來。如今通常采用人工膠水粘合方式來粘接珍珠棉，存在的不足之處主要有效率低、人工成本較高、產(chǎn)品一致性差、品質(zhì)參差不齊。針對以上情況，開發(fā)了基于HMI和PLC控制的EPE燙貼系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自動化完成珍珠棉片材上料和底料的粘合，并適用于大面積多層EPE片材的粘合。1系統(tǒng)總體設(shè)計方案

該控制系統(tǒng)選用永宏FBs系列PLC，型號為FBs-32MA，具有20個24VDC數(shù)字量輸入（4點可達10KHz），12個數(shù)字量輸出（4個10KHz輸出），一個RS232或USB通訊端口（最大可擴展到3個），HMI選用昆侖通態(tài)嵌入式一體化觸摸屏，型號為TPC1061Ti[2]。其中，PLC作為系統(tǒng)控制核心，氣動元件和步進電機作為驅(qū)動模塊，HMI用于實時監(jiān)控、報警、數(shù)據(jù)查詢等。

系統(tǒng)主要由送料、取料、燙料3個子系統(tǒng)組成。其中，送料子系統(tǒng)由步進電機提供動力，主動滾筒與步進電機同軸連接并帶動傳送帶運動，PLC通過高速脈沖輸出口向步進電機驅(qū)動器發(fā)出一定頻率及數(shù)目的脈沖完成定位信息的傳遞，由步進電機驅(qū)動器控制步進電機轉(zhuǎn)動，使得傳送帶上的物料運動至指定位置[3]。取料子系統(tǒng)由取料板抓取物料，PLC控制上下、前后以及卸料氣缸完成取料、燙料、粘料、卸料過程。燙料子系統(tǒng)主要由加熱板組成，使EPE片材上料的底面受熱熔融、軟化，方便與底料粘合一起。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

2硬件設(shè)計

2.1送料子系統(tǒng)硬件設(shè)計

送料子系統(tǒng)主要完成將物料精確地傳送至指定位置，因此對于步進電機轉(zhuǎn)動位置以及速度控制有著極高的要求。本系統(tǒng)選取性價比較高的步進電機作為驅(qū)動元件，目前PLC對步進電機驅(qū)動器的控制方式主要有以下4種：①通過模擬量輸出方式進行控制，該方式控制反應(yīng)較靈敏但成本較高并且容易受外界噪聲干擾；②通過數(shù)字I/O方式下達命令，該方式使用簡單但應(yīng)用靈活度比較差；③通過通訊方式控制方式，因為通訊協(xié)議無標(biāo)準(zhǔn)并且受通訊反應(yīng)限制，因此應(yīng)用有瓶頸；④通過高速脈沖方式下達命令，該方式成本低廉容易準(zhǔn)確控制。綜合考慮，送料子系統(tǒng)選用具有4個高速脈沖輸出口的FBs-32MA型PLC，采用脈沖加方向的工作模式完成對步進電機驅(qū)動器速度及位置信息的傳送。其中，PLC的Y0輸出口為脈沖輸出口，Y1為方向輸出口[4]。FBs-32MA與步進電機驅(qū)動器端口連接原理如圖2所示。

2.2取料子系統(tǒng)硬件設(shè)計

氣缸負(fù)載大、動作反應(yīng)快、適應(yīng)性強、易于安裝維護等諸多優(yōu)點[5]，因此取料子系統(tǒng)采用氣動作為動力來源，其中上下、前后以及卸料氣缸完成取料、燙料、粘料、卸料過程。如圖3所示，為了維護以及監(jiān)控方便，上下氣缸的上端及下端分別安裝了上極限傳感器、下極限傳感器，前后氣缸的前端及后端分別安裝了前極限傳感器、后極限傳感器。通過HMI顯示檢測到的傳感器數(shù)據(jù)，可以實時獲得氣缸的運動信息以及故障信息。

2.3燙料子系統(tǒng)硬件設(shè)計

燙料子系統(tǒng)主要由測量裝置和加熱裝置組成。測量裝置包括FBs-TC2溫度模塊及J型熱電偶，其中FBs-TC2通過擴展輸入排線與FBs-32MA連接。加熱裝置包括固態(tài)繼電器以及加熱線圈，加熱線圈采用高頻加熱線圈，在加熱板底部產(chǎn)生渦流，瞬間可將燙料面板加熱至400多度，大大提高粘合速度，且受熱均勻，粘合效果較好。燙料子系統(tǒng)的溫度控制是利用溫度模塊（FBs-TC2）配合溫度規(guī)劃表格將外界當(dāng)前的溫度測量值當(dāng)作過程變量，并將所設(shè)定的溫度設(shè)定值與過程變量經(jīng)由溫控程序PID數(shù)學(xué)式運算后，得到適宜的輸出控制值以將溫度控制在所期望的溫度范圍內(nèi)。并將PID運算后的數(shù)值結(jié)果轉(zhuǎn)換為時間比例ON/OFF（PWM）輸出，經(jīng)由PLC輸出控制固態(tài)繼電器的通斷，進而控制加熱回路，即可得到相當(dāng)精確的控制結(jié)果[6]。3軟件設(shè)計

系統(tǒng)的控制軟件由PLC控制程序、HMI兩部分組成，如圖4所示，PLC控制程序主要完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的采集與處理、執(zhí)行機構(gòu)的運行控制。HMI與PLC通過RS232接口進行通信，可以直觀地顯示系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀態(tài)、記錄已設(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)、存儲系統(tǒng)歷史報警信息以及相關(guān)手動操作[7]。

3.1系統(tǒng)主程序設(shè)計

在系統(tǒng)主程序先調(diào)用初始化子程序，對系統(tǒng)中加熱板溫度、取料裝置中各氣缸狀態(tài)、送料裝置位置等參數(shù)進行檢查并初始化。如圖5所示，在執(zhí)行完初始化子程序后，選擇控制信號來源，在手動模式下，操作人員可以用HMI或者實體按鈕進行啟停、回零、點動等相關(guān)操作[8]。在自動模式下系統(tǒng)將按照既定的工作流程運行，直至設(shè)定的生產(chǎn)計劃完成，中途若出現(xiàn)氣缸不到位、加熱線圈未通電等異常狀況，系統(tǒng)將調(diào)用報警子程序進行異常情況分析并依據(jù)報警等級進行相應(yīng)的處理，而報警內(nèi)容、日期等信息將被存儲并顯示在HMI報警歷史頁面[9]。

3.2HMI監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

HMI選用昆侖通態(tài)嵌入式一體化觸摸屏，HMI監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控和操作控制兩部分組成，監(jiān)控主要指對系統(tǒng)中當(dāng)前溫度值、當(dāng)前生產(chǎn)量、設(shè)備運行狀態(tài)、報警狀態(tài)等參數(shù)進行實時顯示。在操作控制中可以人為地對系統(tǒng)中的生產(chǎn)量設(shè)定值、溫度設(shè)定值、功能按鈕、電機速度等參數(shù)進行設(shè)定。運用HMI監(jiān)控系統(tǒng)就可以及時對整個燙貼系統(tǒng)工作狀態(tài)進行實施監(jiān)控，極大地方便了現(xiàn)場人員的操作與調(diào)試[10]。

4應(yīng)用效果

本文提出了基于PLC和HMI的EPE燙貼系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有操作簡便、自動化程度高和穩(wěn)定性強等優(yōu)點，具體從以下3方面加以驗證：

（1）工作效率極大提高。在傳統(tǒng)的EPE材料深加工領(lǐng)域中，一般都是采用人工作業(yè)，通常完成兩層EPE材料的粘貼需要耗時1～1.5min（具體依據(jù)作業(yè)形式及片材面積），而且需要多人協(xié)作。應(yīng)用本系統(tǒng)則僅需20～30s便可完成兩層EPE材料燙貼，并且系統(tǒng)通常24小時工作，大大提升了加工效率，也節(jié)約了寶貴的人力資源。

（2）應(yīng)用范圍廣。傳統(tǒng)的加工方式包括有電熱風(fēng)吹方式、膠水粘合方式兩種，其中電熱風(fēng)吹方式只能加工小面積的產(chǎn)品，在加工大面積產(chǎn)品時，只能粘合產(chǎn)品的四周，中間則無法粘合；而膠水粘合方式雖能加工大面積的產(chǎn)品，但產(chǎn)品表面極易發(fā)黃，嚴(yán)重影響外觀。應(yīng)用本系統(tǒng)不僅可以適用于大面積珍珠棉片材的粘合，且取料穩(wěn)定、移動和輸送精確度高、不需使用膠水、粘合速度快、受熱均勻，因此更加環(huán)保、產(chǎn)品外觀更好。

（3）系統(tǒng)調(diào)試方便。由HMI建立起友好的人機交互，因此相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)如送料設(shè)備運動速度、燙貼時間等，皆可在HMI界面上進行輸入。并且由系統(tǒng)各處傳感器采集的信號也可以實時呈現(xiàn)在HMI顯示界面上，對于系統(tǒng)的實時狀態(tài)可充分加以監(jiān)控。

5結(jié)語

本文提出了基于PLC和HMI的EPE燙貼系統(tǒng)，該設(shè)計方案適用于多種類型EPE材料的粘合，且具有取料穩(wěn)定、移動和輸送精確度高、粘合速度快、受熱均勻、粘合效果好、兼顧環(huán)保理念等優(yōu)點。并且，系統(tǒng)在實際使用中取得了良好的經(jīng)濟效益，可進一步推廣應(yīng)用。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫娟）