基于PLC的瑜伽墊卷取包裝控制系統設計

2017-05-02 23:52:40盛強

制造業自動化 2017年3期

盛強

（湖州職業技術學院機電與汽車工程學院，湖州 313000）

基于PLC的瑜伽墊卷取包裝控制系統設計

盛強

（湖州職業技術學院機電與汽車工程學院，湖州 313000）

針對現有瑜伽墊卷取包裝采用人工方式、生產效率低下的缺點，利用S7-200 S MART PLC結合步進電機設計了一種兩工位自動卷取包裝控制系統，該控制系統能完成瑜伽墊的自動卷取和包裝紙包裝工序。詳細論述了控制系統的工作原理、硬件組成和系統控制流程。運行結果表明，本瑜伽墊卷取包裝機具有結構簡單、運行成本低、卷取包裝速度快且控制系統易于操作等優點，能夠有效且可行的解決瑜伽墊生產過程中的卷取包裝問題。

PLC；步進電機；瑜伽墊；卷取；包裝

0 引言

瑜伽能夠改善神經內分泌、呼吸和運動系統，具有減緩壓力和消除精神緊張的作用，對人的心理生理都有積極的影響[1,2]，因此近些年瑜伽越來越被人們所接受，而瑜伽墊作為練習瑜伽的必備裝備，隨著瑜伽運動的迅猛發展，瑜伽墊制造等相關產業得到了快速發展。

瑜伽墊卷取包裝仍然大量采用人工卷取包裝方式，生產效率低下，且體力消耗十分巨大，因此，開發出一種全自動瑜伽墊卷取包裝機勢在必行。張愛麗等[3]人利用伺服電機對包覆紗機精密交叉卷繞自動卷繞控制系統中進行了嘗試，雖然取得了較好的控制效果，但是瑜伽墊在厚度、張力等方面與包覆紗有較大的區別；路青起等[4]人利用西門子S7-1200PLC設計了高壓膠管自動卷取機控制系統，系統中包括了排線導向器，而在瑜伽墊卷取過程中無需進行排線導向處理。鑒于此，本文利用PLC、步進電機及HMI人機界面等設計了瑜伽墊全自動卷取包裝機控制系統，實現了瑜伽墊卷取包裝的自動化，節省了人工，提高了瑜伽墊卷取包裝的效率，有效保證了瑜伽墊的大批量生產。

1 系統組成及工作原理

瑜伽墊卷取包裝機由主軸、轉盤、卷取包裝工位、內外套管、包裝紙送紙機、傳送帶等組成，示意圖如圖1所示。

主要部件及工作原理：

主軸：由主軸步進電機帶動，實現轉盤整體旋轉，實現工位1、工位2的翻轉。主軸為空心管，裝有接氣嘴為滑臺氣缸工作提供氣源。

伸縮輥：指滑臺氣缸上所安裝的內外套管及所安裝的夾持裝置，內外套管上均有開槽，利用內外套管相對旋轉來實現瑜伽墊的夾緊與松開。

喂入板：傳送帶與伸縮輥之間有一小段距離，容易造成瑜伽墊頭部下垂，通過喂入板伸出輔助把瑜伽墊喂入到內外套管的開槽內。

移動輥：主要作用用于接送喂入板，實現喂入板與內外套管的開槽保持平行狀態，方便喂入瑜伽墊。

接送板：在包裝紙傳送帶下方，用于準確輸送包裝紙到壓實輥與瑜伽墊之間，再利用氣嘴吹氣實現包裝紙與瑜伽墊同步旋轉完成包裝工序。

外套管步進電機為卷取電機，帶動外管實現瑜伽墊的卷取工作，內套管步進電機為隨動電機，帶動內套管旋轉一定角度來實現瑜伽墊的夾緊與松開工作。

2 控制系統硬件設計

瑜伽墊卷取包裝控制系統中共有5個步進電機，分別是轉盤步進電機、工位1伸縮輥外套管卷取步進電機、工位1伸縮輥內套管隨動步進電機和工位2伸縮輥外套管卷取步進電機、工位2伸縮輥內套管隨動步進電機。

通過分析工作流程可知，伸縮輥內外套管在夾緊、松開工序時，內套管隨動步進電機處于單電機旋轉狀態，外套管卷取步進電機不工作，而在卷取和包裝過程中，內套管隨動步進電機和外套管卷取步進電機為同步工作狀態，只是其旋轉方向不同，所以可以利用1路高速脈沖控制內外套管步進電機的旋轉速度，再結合兩個輸出信號分別控制內外套管步進電機的旋轉方向。控制系統硬件框圖如圖2所示。

圖1 瑜伽墊卷取包裝機示意圖

控制系統硬件選型如下：

1）PLC控制器：采用西門子S7-200 SMART系列CPU ST60，PLC本機自帶三軸獨立高速脈沖輸出[5]，可用于控制步進電機，其中：Q0.0轉盤步進電機，Q0.1控制工位1內外管步進電機，Q0.3控制控制工位2內外管步進電機，并帶有1個工業以太網口。

2）觸摸屏：采用MCGS TPC1062Ti 10寸觸摸屏，可以實現與PLC之間10/100Mbps自適應以太網通信，實現步進電機速度調節及內外套管夾緊角度設置，實現針對不同厚度瑜伽墊的夾緊角度控制。

圖2 瑜伽墊卷取包裝控制系統硬件框圖

圖3 步進電機控制原理圖

3）步進電機：轉盤步進電機采用110系列步進電機及配套減速機，轉距12NM，減速比1:5；外套管步進電機采用86系列步進電機，轉距4.5NM；內套管步進電機采用57系列步進電機，轉距1.3NM。

步進電機控制相關信號電氣原理圖如圖3所示。

Q0.0、Q0.2為轉盤步進驅動器的脈沖信號和方向信號；Q0.1、Q0.3分別分工位1、工位2內外套管步進電機驅動器的共用脈沖信號；Q0.4、Q0.5和Q0.6、Q0.7分別分工位1、工位2內外套管步進電機驅動器的的方向信號；KA1、KA2和KA3、KA4為工位1、工位2內外套管步進電機驅動器脈沖信號分配繼電器，相應的常開觸點用來分配脈沖線路及脈沖線路準備就緒信號。

3 卷取包裝控制策略設計

瑜伽墊卷取包裝工序主要包括卷取工序和包裝工序[6]，實現瑜伽墊繞卷和包裝紙包裝工序，其具體工作過程如下：

卷取工序：當工位工作模式為卷取模式時，瑜伽墊上料，傳送帶輸送瑜伽墊并插入內外套管的開槽口，此時應盡量保證內外套管上的槽口與喂入板保持相對平行，方便瑜伽墊插入，接著內套管步進電機轉動一定角度，夾緊瑜伽墊，夾緊后內外套管步進電機同時運轉，彎卷瑜伽墊實現瑜伽墊的卷取工序。

包裝工序：彎卷完成后，轉盤翻轉180度，工位工作模式切換成包裝模式，翻轉到位后，送紙機送紙，接送板伸出，包裝紙傳送帶輸送包裝紙至包裝工位，包裝工位帶動包裝紙一起旋轉，完成包裝紙上紙工序，內套管反轉相同角度，松開瑜伽墊，接著滑臺氣缸帶動內外套管縮回，并松開移動輥，瑜伽墊掉下，完成包裝工序。

瑜伽墊卷取包裝控制流程圖如圖4所示。

傳送帶電機速度為手動設置且速度恒定，帶動瑜伽墊進入卷取工位完成卷取工作。當卷取工位步進電機每旋轉一周時，瑜伽墊卷取外徑為外套管外徑與兩倍瑜伽墊厚度之和，隨著卷取的進行，外徑逐漸增加，所以可以通過計算得出卷取速度[7]，并得出相應的脈沖輸出頻率，再利用S7-200 SMART PLC的高速脈沖輸出對步進電機驅動器進行卷取速度控制。

4 上位機界面設計

為了使卷取包裝機的操作更為方便、直觀，控制系統采用昆侖通態（MCGS） TPC1062Ti觸摸屏，其采用主頻600MHz的ARM CPU，并帶有10/100Mbps工業以太網接口，能夠滿足控制系統數據數理及參數設置要求。觸摸屏參數設置仿真界面如圖5所示。

觸摸屏操作界面主要功能如下：

1）卷取/包裝工位工作速度設置及夾緊角度設置；

2）實時顯示各步進電機的旋轉速度及故障報警顯示。

5 結論

本系統以MCGS觸摸屏為上位機，西門子S7-200 SMART PLC（ST60）為下位機，利用PLC的3軸獨立高速脈沖輸出，配合步進電機、各傳送帶交流電機及送紙機，設計瑜伽墊卷取包裝機控制系統。實際應用證明，本系統卷取包裝速度可達550卷/小時，各工位在不同工作模式時卷取和包裝速度、轉盤翻轉速度、瑜伽墊夾緊角度等參數均可獨立設定，適應不同厚度瑜伽墊的夾緊松開及快速卷取包裝功能。整個卷取包裝過程中，瑜伽墊側面卷取面整齊，包裝紙包裝過程包裝位置精確，無折疊現象，具有非常優良的卷取包裝特性。