基于PLC的瓦楞紙箱自動化生產線控制系統設計

曹洋洋，何文雪，張凌志

(青島大學 自動化學院，山東 青島 266071)

0 引言

迄今為止，國內多數包裝企業的瓦楞紙板生產線比較先進，生產出的瓦楞紙板質量很高，但瓦楞紙箱的生產還是有一定局限性[1]。目前市面上生產外包裝紙箱主要是采用模切壓痕技術進行加工，但是無法快速、高效地滿足現在市場小批量靈活定制的需求。滯后的技術手段和設備設施已經嚴重影響瓦楞紙箱靈活定制的生產效率和生產精度[2]。

針對以上瓦楞紙箱生產行業狀況，從提高生產質量和生產效率的角度出發，設計了一種主要用于小批量靈活瓦楞紙箱尺寸的自動化生產設備。該設備主要由機械、伺服及控制系統等組成。在機械電氣控制裝置中使用可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)[3]技術可以實現自動控制功能，取消人工控制，實現對整個系統的實時監控和保護，保證生產過程能夠安全有序地運行，并且使機械響應效率和控制精度得到提高[4]。通過人機交互界面實現整個生產過程的自動控制，采用Profinet網絡通信實現實時監控，實現對整個自動化生產線控制系統安全有效的運行和管理。

1 生產線的總體設計

傳統的模切壓痕瓦楞紙箱控制系統中主要存在以下幾個缺點：以固定尺寸紙板為主進行生產加工成紙箱，不可以靈活加工不同尺寸紙箱；生產時壓力不穩定導致模切壓痕不均勻，有誤差；生產效率低等。為解決上述問題需要在生產線總體結構和控制方面進行系統地改造。

1.1 生產線總體結構

傳統的瓦楞紙箱生產線是加工非連續的瓦楞紙板，會造成不必要的材料浪費。因此本次生產線設計了6個倉，放置不同尺寸的待加工連續瓦楞紙板。不同尺寸的瓦楞紙箱選用不同尺寸的瓦楞紙板進行加工。該生產線設計為臺式結構，其總體結構示意圖如圖1所示。

1—引導皮帶；2—支架；3—升降裝置；4—傳送裝置和瓦楞紙板加工裝置。圖1 總體結構示意圖

瓦楞紙箱自動化生產過程線的基本機械結構包括：機架部分、升降機構、送料機構、瓦楞紙板切割壓痕加工機構、檢測裝置以及安全保護等。機架是生產線的承載構件，必須有良好的強度和剛性，以保證生產線的穩定性。升降機構作用是將最優先待加工的瓦楞紙板所在的層提升或下降到加工入口位置，并通過氣缸將紙板夾緊送至加工入口處。它由電機、緊湊型單作用氣缸、拉桿式型氣缸、電磁閥、行程開關等組成。送料機構作用是控制紙板沿水平方向的運行速度，由電機、壓紙棍、輸送棍、傳送皮帶等組成。瓦楞紙板加工機構是對紙板按所需的紙箱尺寸進行切割和壓痕加工，主要由電機、橫刀、縱刀、氣缸、電磁閥、接近開關、皮帶等組成。

1.2 生產線系統的設計思路

為解決加工誤差和生產效率問題，并提高生產線控制系統工作的可靠性、數據傳輸的穩定性和控制精度，實現簡單安全的操作方式，選用可靠性高、壽命長、易于維護、接線少、編程簡單、功能強大的PLC作為系統的控制器，以彌補控制手段不足問題[5]?；赑LC的瓦楞紙箱自動化生產線系統設計主要包括PLC技術、氣動技術以及傳感技術等。

瓦楞紙箱自動化生產線系統包括紙板自動提取、紙板傳送及自動加工等3個主要模塊，涉及升降功能、傳送功能和切割壓痕功能和其他輔助功能等。

1) 升降功能。升降是指將6層紙板固定機架中待加工的紙板進行提升或下降至加工入口高度的過程。具體流程為：啟動自動化生產系統，通過程序判斷最優先的紙板尺寸，PLC控制器通過伺服控制升降電機帶動6層紙板固定機架上升或下降運動使待加工紙板處于加工入口高度，延時2s。該層2個緊湊型單作用氣缸通過電磁閥控制將待加工的紙板夾緊，等待傳送至加工入口。

2) 傳送功能。傳送是在紙板到達加工入口高度后進行的。具體流程為：通過電磁閥控制拉桿式氣缸收縮將待加工層的紙板送入口處；入口處安裝傳感器以檢測紙板寬度，并反饋給PLC，通過電磁閥控制氣缸將壓紙棍按下，通過電機控制輸送棍運動帶動紙板向前運行，進入加工區。

3) 切割壓痕功能。切割壓痕是對待加工紙板進行加工，圖2為切割壓痕裝置。具體流程為：紙板進入加工區，當接收到切割信號時，PLC給電磁閥信號，以控制切割氣缸使其處于沖壓狀態，并將切割鋸齒鋼刀壓下進行切割操作[6]。當接收到壓痕信號，PLC給電磁閥控制壓痕氣缸的指令，使其處于沖壓狀態并將壓痕圓盤壓下進行壓痕操作。同一組切割壓痕裝置，切割與壓痕工作不同時進行。

1—切割氣缸；2—切割鋸齒鋼刀；3—壓痕圓盤；4—壓痕氣缸。圖2 切割壓痕裝置

4) 其他輔助功能。主要包括系統啟動、照明、停止、復位以及報警等功能。具體流程為：在工作或非工作狀態均可照明；系統啟動時，進行復位操作，目的是將所有動作恢復初始動作，便于完成新的工作；啟動后，設置相應的警示燈，保證設備正常工作，防止系統工作運行時的人為干擾；當所有工作完成后，點擊“停止”按鈕，所有部件停止運作。

2 控制系統總體設計方案

西門子PLC接收到工控機設定的待加工瓦楞紙箱尺寸，通過西門子伺服驅動控制升降機構、傳送機構和橫切機構的運轉。由電機自帶的絕對值編碼器檢測3臺電機的轉速信息和位置信息并傳送給伺服機構，通過伺服反饋給 PLC 進行處理，從而實現了整體的閉環控制。根據預定的方案和功能需求，其工作原理圖如圖3所示。通過 380V/220V 變壓為伺服機構提供工作電源和控制電源，同時配置24V DC的工作電源，為 PLC、繼電器、電磁閥等設備提供工作電源。

圖3 工作原理圖

控制單元由伺服控制系統進行精確控制。通過精確控制電機速度與位置，保證設備在工作過程中各部分機構精確定位，高效精準。電機的伺服控制選用1個西門子V90伺服驅動系統，其功率為0.75kW，2個西門子S120伺服驅動系統，其控制單元為CU310-2 PN。升降電機選用帶有絕對值編碼器的永磁同步電機，送料電機和橫切電機選用帶有絕對值編碼器的同步伺服電機。

3 控制系統設計

3.1 控制系統的硬件設計

基于PLC的瓦楞紙箱自動化生產線系統主要是完成紙板的自動提取、傳送以及加工，從硬件角度考慮，主要涉及控制器選擇和外部擴展模塊選擇。

1) 控制器的選型

觀察組、對照組ASO患者組間護理滿意度結果見表2。經統計學計算，觀察組護理工作滿意度92%，明顯高于對照組護理工作滿意度68%。

所設計的瓦楞紙箱自動化生產線系統復雜，開關量與模擬量的輸入輸出較多，系統控制精度要求高，因此選用西門子新一代PLC控制器即S7-1500作為控制核心，其處理速度更快，聯網能力更強，診斷能力和安全性更高，不僅可節省成本，提高生產效率，而且安全可靠，維護簡單方便[7]。CPU選擇CPU1515-2PN具有大容量程序及數據存儲器，主/從接口型號PROFINET PN，2個RI45連接器，其外部存儲卡為256MB。

2) 外部擴展模塊選型

以CPU1515-2PN為核心的瓦楞紙箱自動化生產系統較為復雜，為保證接線簡潔、整齊，選用IM155-5PN HF分布式I/O添加擴展模塊；輸入模塊選用1個西門子SM521系列的DI 32×24VDC BA，包括急停、氣壓監測信號、故障確認按鈕、6個倉紙板有無監測、進料入口有無紙板監測信號、送紙氣缸伸縮到位信號、升降臺上/下限位信號、出料口有無紙板監測信號等21個輸入信號；因工藝要求橫刀運行速度非常快，并保持高速輸入輸出，為達到系統等時同步的功能選用了工藝模塊TM Timer DIDQ 16x24V；輸出模塊選用2個西門子SM522系列DQ 32x24VDC/0.5A BA，包括各部分氣缸的電磁閥信號、報警燈信號輸出、伺服電機接觸器信號、照明信號等47個輸出信號。

3.2 系統軟件設計

a) 系統組態

控制系統主要包括：主控制單元、人機交互單元、輸入輸出處理單元和伺服驅動單元等4大模塊[8]?？刂葡到y由V15軟件對硬件系統進行組態，如圖4所示。

圖4 控制系統組態畫面

b) 程序流程圖

圖5 程序流程圖

該系統是以氣缸作為執行機構，采用氣動控制方式，利用PLC控制器控制電磁閥的通斷實現自動化排刀與切割、壓痕[9]。

1) 自動選紙控制原理

首先選擇紙箱箱型，輸入對應紙箱尺寸：紙箱高度H、紙箱寬度B，得到紙箱展開寬度W=2H+2B+20,其中20mm為預留尺寸。判定紙箱展開寬度接近6層紙板寬度中那一目標層，以第6層為0點，確定目標樓層位置與第6層距離，得到目標層坐標。由提升電機控制提升軸到達目標坐標位置，完成自動選紙工作。圖6 為箱型和紙箱尺寸設置界面，選擇不同箱型對應不同箱型圖片。

圖6 箱型和紙箱尺寸設置界面

2) 縱刀排刀控制原理

縱刀排刀先初始定位，再排刀。初始定位：橫切電機編碼器安裝在電機軸上，設定左側為編碼器零基礎點，從左到右編碼器數遞增。橫刀通過氣缸夾緊皮帶行走一次，其中皮帶是由橫切電機帶動運行。通過橫刀上安裝的傳感器接收到每個縱刀上傳感器的信號，判定每一個縱刀當前位置傳送給PLC。確定縱刀位置后，控制橫刀夾緊氣缸信號釋放，橫刀停止運動。排刀：縱刀是通過皮帶帶動運動的，所有縱刀在皮帶上均安裝有獨立的氣缸夾緊裝置。工作時PLC接收到紙箱尺寸后，首先系統判定需要縱刀的個數，通過控制電磁閥來控制夾緊氣缸動作，將所有縱刀夾緊在皮帶上；當第1個縱刀達到應到位置后，控制其對應的氣缸信號釋放，該縱刀不跟隨皮帶運動，其他縱刀保持夾緊狀態，再排第2個縱刀直到最后一個縱刀到達位置。將多余縱刀送至不工作區域。

3) 切割、壓痕控制原理

排刀結束后，進行切割、壓痕工作時電磁閥控制橫刀氣缸夾緊皮帶，橫刀跟隨皮帶運動。輸入尺寸后由PLC判定切割和壓痕工作狀態。切割時通過電磁閥控制壓線氣缸壓下，同時控制切割氣缸動作將切割鋸齒鋼刀壓下，進行切割工作。當壓痕時，由電磁閥控制壓線氣缸動作將壓線裝置壓下，同時如上個動作為切割時則將鋸齒鋼刀收回。

4 結語

瓦楞紙箱自動化生產線是基于西門子S7-1500系列PLC和人機交互界面技術為核心的自動化設備。該設備可生產多種尺寸紙箱，應用廣泛。設備各執行機構緊湊，自動化程度高，安全性高，經過生產運行，功能穩定。解決了靈活定制紙箱的難題，有效減少了勞動力投入，提高了生產效率。設備投入生產使用后，運行穩定，生產出的紙箱質量高。各項指標均符合生產需求，實現了靈活生產瓦楞紙箱的自動化，同時該設備可以對接后續的自動打包相關設備，其經濟效益和社會效益顯著。