基于S7-1200的布卷套袋機控制系統設計

武漢紡織大學機械工程與自動化學院 汪誠皓 馬如蛟 龔偉明 余聯慶/文

關鍵字：套袋機 PLC 控制系統包裝

包裝具有外觀識別與保護商品的功能，在智慧物流與物聯網高速發展的當下，包裝顯得愈加重要。自動化包裝機在多個包裝領域已經得到廣泛應用，但在大型柔性材質物體包裝中仍少有相關設備設計，這類包裝和被包裝物均為易變形的柔軟材質物品[1]。本文中涉及的布卷套裝就屬于這種類型：一卷布重達數十公斤，材質柔軟易彎曲，本文通過研究人工套袋流程以及其他行業套袋技術，設計出一種基于S7-1200可編程控制器（PLC）的自動化設備，以節省人力、改善負重作業環境、優化套袋工序，從而提高生產效率。

1 機械結構設計

現行人工方式如圖1 所示：將布卷從車輛上卸下，測量長度裁剪袋裝，扎好一端袋口之后對接布卷與袋，整體裝入袋中后放置于載具上，扎上另一端并整理位置。

根據人工套袋操作并考慮批量生產需求，本研究設計了一種布卷套袋包裝機，包含套袋、運輸和卸料對接，完全實現并優化了套袋過程,設備整體由圖2 所示。

設備主要有三個工位：進料翻轉機、運輸機組與包裝機組：

在第一工位上料布卷，叉車運輸載有待包裝的布卷的載具與設備對接，利用翻轉電機將布卷運送到指定高度，將布卷上料到皮帶傳送機；

第二工位處理套袋，皮帶將布卷運送2號工位開始處的V型槽，利用推送電機將布卷從夾口推入麻布袋中，工作人員使用扎帶機封住麻布袋兩端，卸料電機運送到卸料載具上；

第三工位出貨對接，載具載滿后滾筒運輸到出口與叉車對接。

其核心是安裝在一號工位的PLC及放置在二號的人機交互系統（HMI）終端觸摸屏。

圖1 人工套袋現場

圖2 套袋機整體示意圖

圖3 部分I/O圖

圖4 一號工位控制流程圖

圖5 二號工位自動控制流程圖

2 控制系統硬件設計

2.1 PLC選擇

本設計可編程控制器選用西門子 S7-1200系列，其布局緊湊且具有模塊化特性，方便進行簡單與高級邏輯控制，適合搭配HMI 和網絡通信等模塊進行任務[2]，是單機自動化系統的完美解決方案。S7-1200可以搭配多種不同用途模塊，如模擬量 I/O 模塊、SM1223/SM1221拓展模塊、脈沖輸出模塊等。由于本系統使用信號輸入點數（DI）46個，信號輸出點數(DQ) 34個，所以本系統最終選用西門子1215 DC/DC/CD 型號的 PLC。

2.2 控制硬件選擇

該套袋機選用的控制硬件包括：TK8071ip威綸觸摸屏、SM1223和SM1221模塊（數字拓展I/O）、RSP-500-24和LRS-200-36光電開關、伺服電機變頻器MS300（400W）、繼電器RXM2AB2BD(8腳12A24V)、推料伺服驅動器MCDLN35SE MINSA A6、電控箱1500＊750＊300、對射光/擴散反射/槽限位/壓力傳感器、電機（皮帶線、長滾筒線與槽輪行走電機NMRV090 、短滾筒線電機NMRV040、翻轉機電機DNMRV150）。

控制代碼設計采用S7-1200，其特色：多級嵌入式模塊化設計，這種設計方式便于設備代碼調試，更新和優化程序。由于塊結構分級，設計流程首先寫出每個工位的工位動作、HMI狀態、工位順序、工位參數等功能和數據塊，再通過實現各個功能塊的動作，數據傳輸或者設置，接著將對應的功能塊根據工序嵌入式模塊化調入主程序塊中運行。塊結構能輕易在各個層級程序中調整結構順序并行和從屬關系以可能存在的干涉，程序塊詳細劃分如下：工序塊，主要由三個工位順序工序塊組合而成，包含操作順序數據塊；報警塊：即檢測反饋塊，主要檢測設備是否異常，符合加工要求，比如操作中出現的停轉、速度異常、溫度異常、傳感器失靈、產生碰撞等，結束后是否能復位進行下一個循環操作；工位控制塊，主要處理輸出設備的控制。

3 控制系統軟件設計

3.1 一號進料運輸工位流程設計

叉車將貨架放置在進料口，1號工位人工按下對應按鈕，滾筒電機控制XY軸滾筒組啟停將載具順位至待卸貨裝態，延遲后翻轉電機翻轉，貨物落在傳送皮帶壓力上起點處的傳感器上，收到該信號且無手動和終止型號的情況下皮帶電機將帶動皮帶運動。皮帶傳送臺下有一組對射光電傳感器，推動裝置槽內設有漫反射傳感器，接收到沿信號電機暫停，可使皮帶運轉時一格一格的送料。當第一卷布落入推動裝置，推動裝置里檢測壓力的傳感器測到物料即停止傳送帶繼續傳送。

3.2 二號套袋工位流程設計

套袋工作是由三個部分組成的：取、拉及剪袋裝置、套袋夾具和推送裝置。其配合運動過程為：

工作人員預先根據布卷參數輸入配方信息，并根據計算更換所需漏斗夾口。傳送帶運輸布卷落入推動裝置槽前，拉取袋裝置夾住袋口并拉取配方長度至夾口，剪取袋裝，夾口氣缸夾住袋口，若此時同時V型槽中有布卷，推動裝置啟動，將布卷沿軌道推入夾口至袋中，氣缸松開夾口，提示進行扎袋，結束扎袋后，頂升氣缸將成品卸料進載具[3]。

3.3 三號出貨運輸工位流程設計

在待包裝布卷完全卸料后，工作人員啟動按鈕開始移動空載具，翻轉電機將載具水平，1號工位電機控制伸縮軌道伸出并升起Y軸組氣動平臺，同時X軸滾筒組電機帶動貨架向氣動平臺移動，Y軸側面的光電傳感器感應到貨架時輸出信號使X軸電機停止，并另伸縮軌道縮回。同時Y軸電機收到信號開始輸出，使貨架向卸料口移動，直到被卸料口的光電傳感器捕捉、當卸貨完畢由操作員判斷使用觸摸板或按鈕輸入指令，Y軸滾筒組將貨架運輸到出口端等待叉車對接。

4 觸摸屏設計

HMI作為工業控制系統的核心組件之一，以最直觀的方式將PLC的內部狀態和系統數據反饋給操作員并方便將命令和設置參數導入PLC。由于本設計較為復雜，配合S7-1200下位機，選擇使用TK8071ip威綸觸摸屏作為上位機，其具有高效能，兼容性強，內存大的特點。

在主界面通過給予的賬號登錄，同時獲得該賬號的權限，由權限規則限制操作員的操作權限，提高了設備運用的安全系數；交互主界面可以選擇進入的工位修改工位參數，查看現有數據；加工中觸摸屏會根據實際工作完成進行實時顯示狀態，反饋數據，并監視異常狀況，類似智能手機應用的操作界面，員工進行簡單培訓即可上手。

報表功能與預報功能。扎袋完成后卸料到載具框內，即成品數量加一，控制系。將此數據及全流程信息保存至日報表，并初始化信息執行下一個套袋流程，每日工時計數根據日表得出月表，以便計算產能預報新批次所需時間，月報表生成后，系統將日表壓縮以騰出空間，使內存保持充裕狀態，依據已經生產的報表，在下一次生產同類型時HMI將提供預計完成時間以供參考。

圖6 三號工位自動控制流程圖

圖7 觸摸屏運行界面及報表界面

圖8 工廠中使用設備加工

圖9 實驗數據統計圖

5 實驗驗證

在測試中，出現了復位過限，感應器檢測故障等問題，通過流程排查，使用邏輯順序調整，更改塊位置和添加手動的判斷條件成功解決上述問題。實際投入J市某企業生產后該工位投入人力從5人減少至2人，完全去除人工重體力勞動；生產方面，原生產方式已知純人工每工作日制作約20批次，單次約26卷布卷，現使用設備后消耗時間如圖9：

使用標準工時測定[4]：單次流程為對接-裝載-傳輸-套袋X個-傳輸-對接，已知對接等操作平均時長為186s,套袋周期平均時長為35s,設套袋X個Y批可得：

式中T為所需時長，計算得每日設備完成原作業所需時長T為6.09小時，考慮仍有人工因素加入5%寬放時間，即每日設備標準工時tm;已知白班工時為8小時，除去總寬放時間為10%，人員有效工作時間為tr。效率即為原先純人工效率的113.7%，改善后較高于人工效率，達到預期目的。

6 結束語

通過模擬人工流程和優化設計設備，利用S7-1200模塊化特性與迅捷的人機交互，使設備替代人力高效套袋，改善了高負重作業環境，初步實現了設計意義。該設備仍有許多不足，由于實際需足，扎袋和檢測由人工操作，若完成全自動化即可以實現24小時不間斷生產，大大提高整體工作效率。本研究以紡織產業常見的柔性材質套袋工作切入點，著眼于改善高壓作業環境與提升產業自動化水平，為我國紡織產業進一步實現智能織造提供助力。