基于PLC的自動包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計

楊順吉,于永民

(中原工學(xué)院 機電學(xué)院，河南 鄭州 450000)

0 引言

化纖產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，生產(chǎn)量巨大，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2018年我國的化纖產(chǎn)量為5 011.1萬t，僅中國大陸的化纖產(chǎn)量就已占據(jù)全球化纖產(chǎn)量的三分之二[1]。化工原料經(jīng)過一系列加工后重新作為原料封箱包裝輸送給加工鏈后端企業(yè)，而封箱包裝過程一直以來因為產(chǎn)量大、重量大、步驟多等原因耗費企業(yè)大量的人力物力。研究將PLC(可編程控制器)應(yīng)用于化纖包裝控制系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)化纖包裝生產(chǎn)線的自動化，完成集機、電、儀于一體的綜合性生產(chǎn)線。自動化包裝系統(tǒng)取代以人工為主的傳統(tǒng)包裝操作，可最大化地優(yōu)化社會資源，提高包裝效率，降低工人的勞動強度，提高產(chǎn)品包裝質(zhì)量，對企業(yè)的發(fā)展起著重要的作用。

1 化纖自動包裝生產(chǎn)線工藝流程

工業(yè)化工原料經(jīng)過一系列加工后，成卷裝進相應(yīng)規(guī)格的紙箱，成為半包裝品，并由叉車將半包裝品運送至待包裝儲存區(qū)域。圖1為化纖自動包裝生產(chǎn)線工藝流程，由工人將待包裝儲存區(qū)的半包裝品通過滾筒傳送帶推送至自動流水線，經(jīng)過第一個空白流水線到達封箱機構(gòu)，封箱機構(gòu)對箱子封箱處理，經(jīng)過下一個空白流水線進入捆綁機構(gòu)進行捆綁處理，再經(jīng)過下一個空白流水線到達稱重區(qū)域進行稱重，稱重完成后經(jīng)過下一個空白流水線進入噴碼機構(gòu)，由起升機構(gòu)將箱子起升一定高度進行噴碼處理，噴碼完成后起升裝置下降，箱子重新回到流水線，再由人工駕駛叉車碼垛處理。

圖1 化纖自動包裝生產(chǎn)線工藝流程

2 布局結(jié)構(gòu)研究

搭建待包裝產(chǎn)品暫存區(qū)域及箱體推送至第一段流水線的短橋平臺，并與滾筒式流水線齊平，方便工人將箱子推送至流水線。圖2為包裝生產(chǎn)線，圖3為生產(chǎn)線具體布局。相鄰兩個加工位置之間會夾有一段空白等待區(qū)域輸送線，且每一段輸送線尾部均裝有光電傳感器，其目的是為了避免工作中一段輸送帶上同時有兩個待包裝的箱子而導(dǎo)致箱體碰撞[2-4]。每一段輸送線有獨立的步進電機控制該段輸送線的啟停。經(jīng)過計算和試驗相結(jié)合，最后得出每段輸送帶的長度為1 m最佳，既能滿足包裝工藝要求，且能減少能源的消耗。

圖2 包裝生產(chǎn)線

圖3 包裝生產(chǎn)線布局

箱體首先進入封箱機構(gòu)，封箱完成后，箱體進入捆綁機構(gòu)，捆綁完成后，箱體進入稱重機構(gòu)[5]，稱重機構(gòu)上安裝的稱重平臺通過數(shù)據(jù)線與上位機PC相連，由PC界面可隨時觀測稱重后顯示的數(shù)據(jù)，當箱體到達稱重位置后，流水線停止運動，PC讀取稱重數(shù)值，待稱重數(shù)值穩(wěn)定后，且箱體重量在設(shè)定的范圍之內(nèi)，PC將稱重完成信號傳遞給PLC，PLC收到稱重完成信號并且噴碼位置沒有箱體后，流水線開始運動，將箱體流向噴碼工位[6]。因為PC界面隨時讀取稱重結(jié)果，當稱重結(jié)果出現(xiàn)異常后，操作工人可及時將異常剔除，從而有效地剔除出現(xiàn)少裝、多裝、空裝的箱體。然后進入噴碼機構(gòu)，噴碼工位檢測到箱體到達位置以后，PLC向PC發(fā)出請求噴碼的信號，噴碼完成后，PLC向PC發(fā)出噴碼完成信號，起升裝置下降，箱體流向下一個工位。

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)IO點及通訊模塊

通過分析包裝線的工藝流程和性能特點及控制要求[7]，選用西門子S7-300CPU 313C-2D型號的PLC，由于西門子PLC自帶端口不能進行RS485通訊，因此增加一個8路I/O通訊模塊用于通訊，該通訊模塊具有4路輸入、4路輸出，目前使用1個輸入端口用于“請求噴碼”信號，使用兩個輸出端口用于“稱重掃碼完成”和“噴碼完成”信號。該模塊通訊方式為MODBUS從站通訊，參數(shù)設(shè)置采用模塊自帶的串口調(diào)試軟件，軟件位于工控機上。該模塊位于電氣柜內(nèi)，與PLC為I/O接線，與工控機通過RS458轉(zhuǎn)RS232模塊通訊。

這里采用的是西門子 S7-300 CPU 313C-2D PLC，表1為西門子 S7-300 CPU I點分配表，主要有啟動、停止、復(fù)位、急停等安全保護按鈕以及各個工位光電信號輸入。表2為西門子 S7-300 CPU O點分配表，主要有紅、黃、綠三色報警信號燈，為各段傳送帶帶動電機輸出信號，控制電機工作啟停。

表1 西門子S7-300 CPU I點分配表

表2 西門子S7-300 CPU O點分配表

3.2 控制系統(tǒng)按鈕功能

鑰匙旋鈕：給PLC上電。

啟動按鈕：啟動設(shè)備，蜂鳴器響三聲后設(shè)備開始初始化(氣缸復(fù)位)，初始化完成后自動運行。

停止按鈕：設(shè)備停止運行。

復(fù)位按鈕：復(fù)位報警，復(fù)位后設(shè)備不會自動啟動，需按綠色啟動按鈕。

急停按鈕：急停按鈕按下時，設(shè)備完全停止動作。急停按鈕旋起瞬間，設(shè)備自動復(fù)位所有數(shù)據(jù)及輸出信號。

稱重前所有電機停止旋鈕：稱重前的所有電機停止，封箱機停止。

不稱重旋鈕：程序進入不稱重模式，稱重電機與其他普通電機實現(xiàn)相同運行邏輯。

不噴碼旋鈕：程序進入不噴碼模式，抬升氣缸不會抬升，阻擋氣缸不會抬升，噴碼電機一直運行。

3.3 人機交互界面

增加人機界面是為了后期的參數(shù)修改、系統(tǒng)檢修，本文采用編程控制終端的歐姆龍觸摸屏MPTST。觸摸屏界面主要由五個畫面組成：主界面、工作界面、參數(shù)設(shè)置界面、生產(chǎn)情況界面和設(shè)備監(jiān)控界面。這里主要對參數(shù)設(shè)置界面及設(shè)備監(jiān)控界面進行說明[8]。

參數(shù)設(shè)置界面是為后期包裝不同規(guī)格的箱體提供方便，設(shè)計得簡單易操作，相關(guān)技術(shù)人員向車間操作工人技術(shù)交底后，車間操作工人可以獨立調(diào)整參數(shù)，滿足包裝要求，大大提高了生產(chǎn)線對技術(shù)人員的依賴性。設(shè)備監(jiān)控界面主要顯示各監(jiān)控參數(shù)的數(shù)值變化，并在觸摸屏上以紅、綠兩種顏色實時顯示各設(shè)備的運行情況。

4 結(jié)論

本研究在原本手工包裝操作的基礎(chǔ)上，將機、電、氣等運用到化纖包裝生產(chǎn)中，設(shè)計完成了化纖產(chǎn)品的自動化包裝系統(tǒng)，其具有以下特點：

(1)由PC和觸摸屏等上位機進行控制，操作簡單，降低了工人的操作難度，可通過上位機調(diào)整各參數(shù)，提高了包裝生產(chǎn)線的兼容性。

(2)每段輸送帶附有的光電傳感器等可保證生產(chǎn)線的安全運行，有效避免發(fā)生箱體碰撞損壞物料，提高了生產(chǎn)安全性。

(3)各執(zhí)行機構(gòu)由電機和氣缸提供動力，結(jié)構(gòu)緊湊，大大節(jié)省了生產(chǎn)線占用空間。

(4)完善的故障檢測和報警功能提高了生產(chǎn)線的可靠性和安全性。

隨著PLC技術(shù)的不斷更新，PLC在生產(chǎn)線中的運用會更加成熟、穩(wěn)定、可靠，甚至在未來的發(fā)展中會將芯片技術(shù)運用到實際生產(chǎn)中，實現(xiàn)控制技術(shù)的突破性發(fā)展。