卷紙包裝機控制系統的總體設計

謝秋梅

摘要：本文介紹了卷紙包裝機控制系統，包括卷紙包裝機生產工藝，卷紙包裝機速度影響因素，可編程控制系統的設計等。

關鍵詞：包裝機;控制;編程

本系統在電氣控制部分設計時，充分考慮到用戶的功能需求和與本系統機械部分的配合需求，在具體實現的過程中，又以系統的可靠性與易用性為準則，盡量把本系統設計成為一個功能齊全、可靠性高且易于使用的包裝機設備。

一、卷紙包裝機生產工藝概述

卷紙包裝機主要功能是將來自卷紙庫的卷紙以每分鐘60個的速率包裝成合格的小卷紙。包裝紙以大卷筒的形式放在原料架上，當上位機發出命令時，放卷電機動作，開始放卷。放卷到一定長度（長度由色標來檢測）時，通過色標信號向切紙機構發出指令。切紙機構采用交流變頻調速電機，帶動一個凸輪旋轉，以帶動切斷刀上下運動，在凸輪上安裝一個位置傳感器，當凸輪轉到某一位置時，切刀向上運動，二刀分離，當有色標信號時，刀又向下運動。切刀上、下的工作頻率可由變頻調速電機來調整，操作簡便。切好的紙片經整理后放入紙片庫中，等待推紙空心臺送紙片。同時卷紙庫的卷紙經過整理等待托盤推桿送卷紙筒。

包裝過程通過包裝工藝盤及其輔助機構來實現。包裝工藝盤共有八個v形槽，三個加工工位，當包裝紙和待包裝的卷筒紙放入槽中后，由工藝盤載著其轉動，依次送入各加工工位。工藝盤的轉動是由交流電機通過皮帶傳動帶動的，各加工工位的動作是通過順序邏輯控制電磁閥進而帶動執行機構動作的。工件從1號工位裝入;在2號工位由夾鉗機構完成前進，抓緊，旋轉，窩邊的動作，同時分別向托盤和推紙空心臺發出送卷紙筒和送紙片信號;在3號工位，包裝好的產品由于重力作用落入成品庫。

由于這是一個典型的順序控制，利用移位寄存器操作最為方便。設定一個8位移位寄存器，每位移位寄存器相應于一個V形槽，每120ms移位一次，控制相應的操作。當到2號工位時發出上料信號，推紙空心臺推動紙片（其總的上升時間大于490ms小于640ms），托盤推動紙筒（其總的上升時間略小于640ms）同時以相同的速度前進，當工藝盤V形槽到達第一工位時，工藝盤停止，在此延時150ms，待放紙空心臺壓到紙片到位行程開關，停止，托盤壓到托盤到位行程開關，托盤停止，完成了上料操作，當延時到，托盤和放紙空心臺后退，同時，插紙板前進，托住紙筒與工藝盤一同運動。當到達2號工位時，工藝盤停止，延時250ms，同時發出上料信號，在此時段內，插紙板在工藝盤停止后也相繼停止，但由于慣性，會使包裝紙帶著紙筒旋轉一個較小的角度，使包裝紙能完全包住紙筒，然后再后退，同時夾鉗機構軸向運動，碰到限位開關時，軸向運動停止，而三個夾桿同時徑向運動，抓緊包裝紙的兩端，當碰到抓緊限位開關時，夾鉗機構軸旋轉90度后繼續向前移動，進行窩邊。窩邊到位，該機構就后退。到達3號工位時，成品落下，完成一次包裝，這樣如此循環，直到發出停止信號。包裝一個小卷紙只需880ms，可為什么在1分鐘內卻只能包60個啦，這里還有個PLC掃描周期的問題，本包裝程序中PLC掃描周期為120 ms。

二、卷紙包裝機速度影響的分析和提高

隨著中國改革開放與WTO的加入，中國的工業正向高速化、流水化發展，而中國的傳統包裝業以手動與半自動為主，大大阻礙了高速化發展。目前國外已有卷紙包裝機，而且速度已經達到120個/分，而我們國家的卷紙包裝還是半自動甚至有的小作坊還是手動操作，平均包裝速度僅僅能達20個/分。如果引進國外產品，除了價格昂貴外而且也不利于本國的發展。因此研制高速包裝機已成為社會發展的必然。

為了滿足廠方的要求，本設計的高速卷紙包裝機包裝能力要求達到60個/Min。

我們知道包裝機速度越高，要求穩定性和可靠性愈強。這就要求包裝材料供送速度快、精度高、定位準確，包裝材料質量標準要符合規格，停機率低，以減少包裝材料損耗，且包裝材料的裝卸都要自動化等。

1.影響卷紙包裝機高速化的包裝材料的性質有：

（1）抗張（拉）強度要大

在高速包裝機中，包裝材料運動的線速度可達500m/min以上，同時包裝機都是間歇式運動，材料直徑大，材料運動慣性力大，所以應具有足夠的抗拉強度，防止被拉斷。在現行的卷紙包裝機材料供送機構中可通過增加沖擊力緩沖裝置來解決。

（2）伸縮性要小

包裝材料在運行中，由于卷筒直徑大、包裝運行速度大，使之受到很大的拉力和慣性沖擊力，易造成包裝材料拉伸，影響包裝紙定位準確性，所以材料的伸縮性要小，以保證包裝機工作的可靠性和包裝質量。

（3）靜電性要小

卷筒包裝材料在卷曲和使用過程中，易產生靜電。當包裝材料按定長切斷后，在移送過程中，一旦發生靜電粘附時;就需馬上停機，所以靜電性越小越好。

2.機械結構的影響

傳統的包裝機在包裝材料切斷后迅速離開的辦法是用不等速機構。常見的不等速機構有：偏心鏈輪機構，偏置曲柄導桿機構，凸輪、齒輪組合機構，凸輪一四連桿組合不等速轉動機構以及非圓齒輪機構等。

由于偏心鏈輪機構的變速范圍有限，結構復雜，高速時易引起鏈條的跳動，而且傳遞的力不易過大，因此它只適合于一些速度不太高、傳遞的力不太大的小袋包裝機。而凸輪齒輪組合機構，凸輪一四連桿組合機構因結構復雜，調整不方便，運動沖擊又大，因此不常用。

其中偏置曲柄導桿機構是目前高速包裝機中應用較多的一種不等速機構。它的結構比較簡單，加工方便，調節容易，成本低。但體積比較大，調整環節比較長。傳動過程中，傳動角Y不等于90度，因此傳力特性不太好。當速度超過300r/min時，整個機構的動力性能變壞，動載振動和動平衡較難解決。

在設計中我們利用控制精度高，動態響應快的6SE70系列變頻器及其配套電機來替代不等速機構，從而達到變速的目的，且使包裝機結構緊湊，慣性小。

在包裝過程中，通過嚴格的時序分析，知道要達到要求的速度，電機的啟動、停止的時間一定要快，也就是電機的響應速度要快。一般的步進電機從上升到運行平穩的時間約需200—400ms，達不到120 ms的要求。通過各種資料的查詢，發現松下MSMA 400W交流伺服電機從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒。因此，我們在要求快速啟停的控制場合，利用松下MSMA400W交流伺服電機作為執行電機。

整個控制系統以西門子S7—300系列PLC作為基礎，其掃描速度在其他工業控制系統中處于領先地位，每1000條指令約需0.3 ms。通過材料，機械，電氣的綜合考慮，我們的設計達到了預期目標，且在實驗室也調試成功。

三、可編程控制系統控制方案的設計

利用PLC可以構成多種控制系統：單機控制系統，集中控制系統，分散型控制系統和遠程I/0控制系統。由于卷紙包裝機控制對象較多，有放卷分切中的張力控制，包裝過程控制，送料過程中的同步控制，且被控對象比較集中，因此我們采取集中控制系統方案。每個被控制對象與可編程控制器指定I/0相互連接，因此各個被控對象之間的數據、狀態的變換不需要另外設置專門的信號線路。該控制系統多用于控制對象所處的地理位置比較接近，且相互之間的動作有一定聯系的場合。單主機控制方式，對主機要求較高，危險相對集中。遠程I/O控制系統的控制結構比較獨特，類似于集中控制系統，又具有分散型控制系統的特點，經常用于控制規模中等，控制對象比較分散、工程費用較低的場合。

PLC作為一種控制設備，用它單獨構成一個控制系統是有局限性的，主要是無法進行復雜運算，無法顯示各種實時圖形和保存大量歷史數據，也不能顯示漢字和打印漢字報表，沒有良好的界面。這些不足，我們選用上位機來彌補。上位機完成監測數據的存貯、處理與輸出，以圖形或表格形式對現場進行動態模擬顯示、分析限值或報警信息，驅動打印機實時打印各種圖表。

（作者單位：廈門盈趣科技股份有限公司）