淺析基于S7-1200PLC 的M 邊全自動套袋機控制系統(tǒng)設(shè)計

謝國強，任雷，張寶進，劉洪霞

（1.寶佳那智機器人研究院，山東 青島 266112；2.安徽科技學(xué)院，安徽 蚌埠 233000）

套袋機也叫包裝機，是一種代替人工往物料灌裝機械上套裝包裝袋的機械。自動套袋機代替了手工套袋，為企業(yè)實現(xiàn)了包裝自動化，操作員只要一次性將幾百個包裝袋，放在設(shè)備的袋庫，設(shè)備機械會自動取袋、送袋、開袋、套袋，然后灌裝物流，并封口、輸出。包裝全過程無須人工作業(yè)，有效率地提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了人工費用及管理費用，大幅度降低了成本，大大節(jié)約物料的儲存時間，減少了人力、物力，提高物料周轉(zhuǎn)速度，保證了工藝和市場訂單的需求速度，滿足客戶要求。套袋機的適用范圍極其廣泛，可用于化工行業(yè)、食品行業(yè)、飼料行業(yè)等。可以根據(jù)不同的物流配套不同的下料計量裝置實現(xiàn)顆粒、粉末、塊狀等產(chǎn)品的全自動化包裝。

1 主要的技術(shù)參數(shù)與性能規(guī)格

（1）最大包裝能力：600 袋/h，重量25～40kg/袋。

（2）包裝袋材料：紙塑復(fù)合袋、覆膜塑料編制袋、鋁塑復(fù)合袋。

（3）袋口型式：M 型袋口或一字型袋口。

（4）包裝袋尺寸：高800～1000mm，寬420～500mm（M邊未展開尺寸）。

（5）袋庫容量：最多可儲存500 個空袋。

（6）封口形式：縫邊、包邊、熱合等。

（7）設(shè)備外形尺寸（長×寬×高）：4400mm×2350mm×2150mm。

（8）設(shè)備重量：約2T。

（9）額定功率：7.5kW，AC 380V±10%，50Hz。

（10）耗氣量：約600NL/min，氣壓：0.6MPa。

2 系統(tǒng)組成

2.1 工藝流程

M 邊全自動套袋機主要包括供袋、取袋、送袋和上袋，然后灌裝物料，抱袋移包，最后折邊縫合。

2.2 系統(tǒng)組成

（1）推袋機構(gòu)。推袋機構(gòu)主要由推袋氣缸、推袋桿、導(dǎo)向輪及各固定板組成。主要功能是袋庫工作位的袋子用完后，自動把袋庫等待位的袋子推倒袋庫工作位。

（2）取袋機構(gòu)。取袋機構(gòu)主要由伺服電缸、取袋氣缸、真空方管、吸盤及各連接板組成。其功能是將在工作位的包裝袋，每次拾取一個包裝袋放到送袋平臺上，等待送袋平臺上的包裝袋送走后，可以繼續(xù)放下一個包裝袋。

（3）對中送袋機構(gòu)。對中送袋機構(gòu)由對中裝置、送袋輪和送袋壓輪組成，包括對中氣缸、驅(qū)動電機、送袋輪、送袋壓輪、壓輪氣缸等。其功能是將取袋機構(gòu)送過的包裝袋對準(zhǔn)中心線后，繼續(xù)向上袋位置輸送。

（4）上袋機構(gòu)。上袋機構(gòu)用來將包裝袋袋口撐平后，通過回轉(zhuǎn)運動將包裝袋轉(zhuǎn)接到夾袋開口機構(gòu)的過渡機構(gòu)。包括上袋伺服電機、上袋回轉(zhuǎn)軸、上袋手臂、夾袋氣缸、夾袋爪等。

（5）夾袋開口機構(gòu)。夾袋開口機構(gòu)包括下料斗、料門開閉裝置、夾鉗擺動裝置、料袋開口裝置，用來實現(xiàn)包裝袋的夾持、開口、物料填充及袋口平整保持工作。

（6）夾口導(dǎo)引機構(gòu)。夾口導(dǎo)引機構(gòu)包括驅(qū)動部分、動力傳動部分、袋口導(dǎo)引部分。夾口導(dǎo)引機構(gòu)下方有皮帶輸送機，與皮帶輸送機配套使用。滿物料袋子由前端夾口移包機構(gòu)整體輸送過來后，通過袋口導(dǎo)引部分，將袋子送到后端封包機進行封包。袋口導(dǎo)引機構(gòu)通過變頻器控制來調(diào)整速度，方便調(diào)節(jié)與后端縫包機或者熱縫合機匹配速度。導(dǎo)引機構(gòu)提高了包裝袋袋口整形的效率與美觀度。

（7）夾口移包機構(gòu)。夾口移包機構(gòu)包括袋口夾口部分、抱袋部分以及伺服運動部分。滿物料的袋子在夾口撐袋機構(gòu)將袋子落下后，夾口部分與抱袋部分同時迅速夾緊袋口以及抱緊袋子，通過伺服電機將袋子送到后端夾口導(dǎo)引機構(gòu)中。

（8）立袋輸送機構(gòu)。立袋輸送機由動力部分、架體、顛袋機構(gòu)以及支撐部分組成。立袋輸送機采用變頻器控制速度，與夾口移包機構(gòu)部分、夾口導(dǎo)引機構(gòu)部分匹配使用，保證其速度匹配。其中，掂袋機構(gòu)經(jīng)過多次掂袋動作后，可以保證物料在袋子中比較厚實。

3 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

由于包裝自動生產(chǎn)線的控制信號都為開關(guān)量，而且目前PLC 具有運行速度快、結(jié)構(gòu)小巧、可靠性高和通用性好等特點，非常適合惡劣環(huán)境（高溫、粉料等）下工業(yè)現(xiàn)場的控制。由于本自動化套袋機生產(chǎn)線的動作流程比較復(fù)雜，I/O 點數(shù)比較多，因此選用西門子公司的S7-1200 系列的PLC 作為主控制部件。

3.1 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

PLC 控制系統(tǒng)作為整個生產(chǎn)線的核心部分，而在套袋包裝生產(chǎn)線中，設(shè)備動作多，運動比較復(fù)雜，因此需要控制系統(tǒng)具有良好的節(jié)能措施、較高的可靠性和較強的故障診斷能力，從而確保整個生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行。由于包裝生產(chǎn)線中的大多數(shù)控制為開關(guān)量，動作關(guān)系復(fù)雜。I/O 點數(shù)也比較多，因此本文選用西門子公司的S7-1215C。該PLC 為模塊式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)控制系統(tǒng)的需求進行靈活的組合以到達最佳的配置。

（1）系統(tǒng)硬件配置：系統(tǒng)硬件配置包含S7-1215C 基本控制單元、SM1213 的IO 擴展單元、控制元件（交流接觸器、電磁閥、變頻器、伺服驅(qū)動器等）、檢查元件（真空開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)等）、人機操作界面（按鈕、指示燈等）和執(zhí)行元件（氣缸和電機等）。

（2）S7-1200 系列PLC 是包含電源、CPU、程序存儲器和輸入輸出模塊組成的單元型的可編程控制器。其主機稱作基本控制單元，主機備用可進行擴充的輸入輸出點數(shù)的擴展單元，另外，還可以根據(jù)需求連接一些特殊的擴展設(shè)備，進行特殊的控制。

（3）在進行S7-1200 系列選型時，應(yīng)考慮如下問題：輸入輸出點的總量是多少，控制元件的電流是多大，來選擇輸出模塊使用晶體管還是繼電器，供電電壓使用直流24V,還是用交流220V。因此，特殊模塊和擴展模塊的總耗電量應(yīng)控制在擴展單元和基本單元的電壓范圍內(nèi)。

3.2 I/O 變量定義

由于輸入輸出點數(shù)比較多，如表1 所示，顯示部分輸入輸出點。

表1 輸入輸出點

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 功能設(shè)計

M 邊全自動套袋機控制系統(tǒng)有3 種工作模式，分為清料模式、自動模式和手動模式。清理模式是自動操作清除最后一車物料。自動模式是進行自動取袋、送袋、對中、套袋、灌裝、抱袋移動、縫合等一系列的動作，完全不需要人參與。出現(xiàn)小故障，可暫停處理，處理完畢后繼續(xù)運行。手動模式是可以手動操作每個氣缸或電機單獨動作。當(dāng)在自動模式無法進行簡單處理的故障時，需要轉(zhuǎn)到手動模式進行處理，然后，重新運行設(shè)備。

4.2 工藝自動化流程

M 邊全自動套袋機控制系統(tǒng)的主程序流程如圖1 所示。包括自動模式子程序、手動模式子程序、清料子程序、故障處理子程序、伺服電機控制子程序等。其中，自動模式程序流程采用結(jié)構(gòu)化順控編程。如圖2 所示，顯示了詳細(xì)的每步動作。由于篇幅所限，其余程序流程不做詳細(xì)介紹。

圖1 M 邊全自動套袋機主程序流程圖

圖2 自動控制模式主程序流程圖

5 結(jié)語

全自動套袋機生產(chǎn)線包含電控、機械和氣動等控制系統(tǒng)，雖然設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但操作卻非常簡單。整個生產(chǎn)線上設(shè)置了多個操作盤和觸摸屏，并可進行自動和手動操作的選擇切換，在進行手動操作時，可對某個單元的一部分機器或動作進行控制操作。操作盤上有故障運行指示燈，觸摸屏上有詳細(xì)的報警信息、生產(chǎn)物料的數(shù)量等，以便操作人員及時了解所有設(shè)備的運行狀態(tài)。