一種新型PLC 聯(lián)合控制包封設(shè)備的設(shè)計與應(yīng)用研究

陳 旭，Gun-hoi Kim

（全州大學(xué) 機械與汽車工程系，韓國 全州 430074）

現(xiàn)在市場上采用小型塑膜包裝的模型包封效率低下且包封精度不高，鑒于目前勞動密集型、小微產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)率不高的現(xiàn)狀，設(shè)計搭建一種包封模型。

該設(shè)計采用一種立式組合擠壓包封模式，通過PLC 自動控制系統(tǒng)使這臺機器從堆疊的面包片中把所需切片面包喂入生產(chǎn)系統(tǒng)，通過皮帶輸送機將面包片喂入奶油卸料裝置、定位裝置、包封塑模裝置下，直至完成整個成型過程。

最后評估其奶油夾心面包包封系統(tǒng)原型的效能。所考慮的預(yù)期性能是：卸下的奶油重量范圍為45±3g，奶油夾心面包的包封能力至少為每分鐘8 片。同時評估奶油的出料精度、夾心面包的包封效率及原型包封系統(tǒng)的經(jīng)濟可行性。

1 包封設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與流程

1.1 搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

夾心面包包封系統(tǒng)（H1840×L2610×W640mm）是定制設(shè)計制造的全自動順序程序系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)包括：控制單元、帶式輸送機、下切面包彈出單元、卸料單元、上切面包彈出單元、定位單元、包封單元和控制單元，通過可編程邏輯控制器（PLC 控制面板）進(jìn)行控制。

1.2 包封設(shè)備工作流程

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

下切片面包彈出裝置是由食品安全透明塑料板制成的一個方形容器（W530×D140×H535mm）、一個彈出板和四個擋板組成（圖2）向帶式輸送機的輸送方向水平移動，當(dāng)推板完全彈出時垂直安裝在每個柱子上的阻塞桿由氣缸帶動下放至凹槽處使面包片放置在帶式輸送機上，隨后彈出板回縮至原始位置。

卸料裝置由料斗、腔體、四個卸料噴嘴、電動機和旋轉(zhuǎn)連接桿組成，通過PLC 控制電動機旋轉(zhuǎn)帶動出料軸的旋轉(zhuǎn)桿運動，將奶油從料斗中拉出到腔體。腔體內(nèi)的奶油通過兩個活塞的往復(fù)運動推動，四個噴嘴將腔室中的奶油排到切片面包上，上切片面包彈出裝置的原理和結(jié)構(gòu)與下切片面包彈出裝置相似，只是比前者方形容器高67mm，允許從帶式輸送機表面垂直的空間輸送。

圖2 下切片面包彈出裝置示意圖

定位裝置由一個矩形框架和兩個氣缸組成，氣缸控制矩形框架的水平和垂直往復(fù)運動，將奶油夾心面包推送到包封裝置下。定位單元與帶式輸送機聯(lián)鎖，定位四個奶油夾心面包，定位單元的操作由帶式輸送機的開/關(guān)控制初始化（圖3）。

圖3 定位裝置示意圖

包封單元由四個氣壓缸和型腔模具組成。型腔模具的設(shè)計是一個可垂直移動的半模，而底板被替換為下半固定模架（圖4），四個夾心面包放在一個扁平的鋁床上（即下半固定模架），被四個模腔的邊緣覆蓋，同時壓力機被抽出時面包屑是通過空腔模具的外部擠壓剪切而產(chǎn)生的。

2 PLC 流程設(shè)計

設(shè)備采用西門子PLC 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是通過控制柜完成數(shù)據(jù)信息采集并處理模擬信號，通過變頻器完成電機轉(zhuǎn)速的動態(tài)調(diào)節(jié)（如圖4 所示）[1]。

根據(jù)流程圖設(shè)計電氣控制電路（圖5），其中包括開關(guān)按鈕、位移傳感器、延時繼電器等元器件，利用EPLAN軟件繪制部分電機主回路和控制回路，并進(jìn)行測試（如圖6 所示）。

3 實驗測試及分析

實驗前依據(jù)旋轉(zhuǎn)桿的旋轉(zhuǎn)周數(shù)估算從卸料裝置噴嘴排出的奶油量，用電子秤測量了紙杯中收集到的奶油重量，扣除了紙杯的自重。此試驗重復(fù)30 次，取每個噴嘴的數(shù)據(jù)，并將奶油的重量范圍進(jìn)行比較將其歸類，確定超出范圍與奶油排放總量的比率。包封率是指包封奶油夾心面包的成功次數(shù)。用型腔膜具包封的不完整性被歸為失敗包封（包括表面無法粘合）。在本實驗中，通過觀察切片面包的外觀狀態(tài)來評估包封失效。

圖4 機構(gòu)工作結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 控制順序流程圖

圖6 部分電氣控制接線圖

對于從頂部卸下的奶油可接受重量范圍為42～48g。從圖7 看出42 克以下的有7 個樣品，48 克以上樣品的有2 個，共120 個樣品，超標(biāo)率為7.5%。86.7%的樣品從噴嘴1 到噴嘴4 的重量為42 到46 克。

圖7 噴嘴卸料散點圖

從圖8 可以看出在30 次重復(fù)試驗中，噴嘴1 到噴嘴4 排出奶油重量的最小值、平均值和最大值，且最低與最高之間的范圍。平均值之間存在著顯著的統(tǒng)計學(xué)差異，從4 個噴嘴的120 個樣品中排出的奶油平均重量在43.7～44.5g 之間。

表1 噴嘴卸料可靠性指標(biāo)數(shù)據(jù)

圖8 奶油重量示意圖

依據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理計算出4 個噴嘴排出奶油的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、平均誤差，得到總體樣本統(tǒng)計參數(shù)的95%置信區(qū)間（如表1）。

實驗結(jié)果與系統(tǒng)卸料性能具有可靠性。從頂部卸下奶油的重量被認(rèn)為是穩(wěn)定可靠的，足以滿足包裹需求。在120 個樣品中包封裝置包封率為93.2%。

4 結(jié)論

依據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)計整體包封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和流程，并通過設(shè)計PLC 自動化程序控制生產(chǎn)設(shè)備，解決復(fù)雜的工控流程達(dá)到所需包封效率。

通過實驗數(shù)據(jù)分析，對PLC 全自動順序控制夾心面包的制造裝備性能進(jìn)行了評估，并通過統(tǒng)計學(xué)的可靠性研究，結(jié)果表明：PLC 順序包封系統(tǒng)完全達(dá)到了生產(chǎn)剛需，提高了生產(chǎn)率、降低了生產(chǎn)成本。