基于PLC 的醫(yī)用口罩機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張俊鵬，王 勇，張愛國，黃俊清，周佳慧，石硯東，胡東陽，高 峰

（內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)瑞特精密工模具有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014000）

0 引言

醫(yī)用口罩能過濾空氣中微粒物，阻隔飛沫、血液、體液、分泌物等，對一些病毒氣溶膠、含病毒液體等具有隔離作用。2020年初新型冠狀病毒肺炎的突然爆發(fā)，導(dǎo)致醫(yī)用口罩的需求量劇增，隨即對生產(chǎn)口罩及口罩機(jī)相關(guān)相關(guān)企業(yè)提出了更高、更嚴(yán)格的要求[1]。改進(jìn)后的口罩機(jī)采用一拖二、一拖三的生產(chǎn)模式，由傳送設(shè)備連接各工序，協(xié)調(diào)作業(yè)。主要功能包括送料、塑料條式鋁條插入、截?cái)唷⒊暡ㄈ酆稀⑶衅热瞥套詣?dòng)化完成。主動(dòng)變頻調(diào)速，可快可慢，使用不同材料可生產(chǎn)不同的口罩，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、操作方便、噪聲低、占地面積小。

PLC 由最初的順序控制而不斷發(fā)展，通過組合不同的模塊，完成各種各樣的功能，如模擬量輸入輸出，伺服控制，上位機(jī)通信等[2]。針對這一特點(diǎn)，結(jié)合其功能以PC 作為上位機(jī)，以PLC 作為基本控制單元的集控制和管理于一身的口罩生產(chǎn)控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化生產(chǎn)及管理中越來越顯示出高效性和優(yōu)越性，用于口罩機(jī)控制系統(tǒng)能夠加速口罩生產(chǎn)，解決市場需求不足的問題，因此研究基于PLC 的口罩生產(chǎn)控制設(shè)計(jì)具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。

1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

醫(yī)用外科全自動(dòng)平面口罩機(jī)主要包括PLC、HMI（Human Machine Interface，人機(jī)界面）、變頻器、驅(qū)動(dòng)器、繼電器、超聲波、傳感器、電磁閥、氣缸等，系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

PLC 主要完成對整個(gè)系統(tǒng)DI（Digital-Input，數(shù)字輸入信號）的采集和DO（Digital-Onput，數(shù)字輸出信號）的輸出控制。DI 用于連接系統(tǒng)的各個(gè)傳感器、按鈕、開關(guān)等輸入信號，將采集到的信息傳送給PLC；DO 連接電磁閥、氣缸等輸出信號，完成對超聲波、電磁閥、氣缸等的控制。HMI 主要用于醫(yī)用外科全自動(dòng)平面口罩機(jī)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置和手動(dòng)操作等功能。驅(qū)動(dòng)器用于本體機(jī)中的主電機(jī)和外耳帶焊接機(jī)的托料盤輸送電機(jī)。傳感器用于位置信號檢測[3]。口罩半自動(dòng)生產(chǎn)線如圖2 所示。

圖2 醫(yī)用外科口罩半自動(dòng)生產(chǎn)線

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序運(yùn)行流程如圖3 所示。

圖3 程序運(yùn)行流程

程序設(shè)計(jì)使用PLC 梯形圖程序編程軟件進(jìn)行編寫。系統(tǒng)開機(jī)后，開啟電箱內(nèi)部電源熱保護(hù)開關(guān)，外耳帶焊接機(jī)與本體機(jī)啟動(dòng)，外耳帶焊接機(jī)進(jìn)料口傳感器檢測到托料盤有料，則氣缸帶動(dòng)剪刀與送料電機(jī)同時(shí)動(dòng)作，機(jī)械手夾持耳帶，超聲波焊接口罩本體與耳帶后，送料電機(jī)帶動(dòng)托料盤將成品口罩送入料框；若外耳帶焊接機(jī)進(jìn)料口傳感器檢測到托料盤無料，則本體機(jī)主電機(jī)工作，將口罩機(jī)本體輸送到外耳帶焊接機(jī)托料盤，觸發(fā)外耳帶焊接機(jī)進(jìn)料口傳感器。口罩機(jī)物料盤控制程序如圖4 所示。

圖4 口罩機(jī)物料盤控制程序

耳帶焊接的具體流程是外耳帶焊接機(jī)進(jìn)料口傳感器檢測到有料進(jìn)入，托料盤便正向移動(dòng)一個(gè)工位→機(jī)械手進(jìn)行耳帶線夾取→氣缸伸縮、剪刀動(dòng)作剪斷耳帶線→最邊緣機(jī)械手旋轉(zhuǎn)90°，將耳帶線端點(diǎn)固定于口罩的焊接點(diǎn)→氣缸下壓，進(jìn)行超聲波焊接[4]。耳帶焊接控制程序如圖5 所示，耳帶焊接結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖5 耳帶焊接控制程序片段

圖6 耳帶焊接結(jié)構(gòu)

3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

為方便口罩機(jī)生產(chǎn)節(jié)拍控制與故障排查的便捷性，在口罩機(jī)本體上設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面（圖7），使得生產(chǎn)過程可控化、可視化，并能通過人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)反饋信息，從而對生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖7 人機(jī)交互界面

口罩機(jī)主要用于口罩生產(chǎn)，它的性能參數(shù)高低決定產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，所以在生產(chǎn)過程中設(shè)計(jì)總產(chǎn)量顯示與分產(chǎn)量顯示窗口，用于監(jiān)測口罩生產(chǎn)效率。根據(jù)使用者需求、口罩耳帶焊接質(zhì)量與口罩整體美觀程度，開通外耳帶焊接機(jī)的整體參數(shù)調(diào)整窗口，可以調(diào)整左、右耳帶的延遲時(shí)間、接熔時(shí)間、固化時(shí)間、拉耳帶速度，同時(shí)還可控制料盤速度、輸送帶時(shí)間、集料時(shí)間，在使用過程中可以隨生產(chǎn)節(jié)拍控制各項(xiàng)參數(shù)，簡化梯形圖程序控制語段，改為可視化界面調(diào)節(jié)，具體功能見表1。

表1 自動(dòng)操作界面

在自動(dòng)生產(chǎn)過程中，假如出現(xiàn)生產(chǎn)流程問題，可通過手動(dòng)操作界面進(jìn)行調(diào)節(jié)（表2），可以對料盤、拉耳帶閉爪氣缸、拉耳帶機(jī)構(gòu)、耳帶剪切、接熔氣缸、出料電機(jī)、夾耳帶上下氣缸、超聲波焊接機(jī)、旋轉(zhuǎn)氣缸、集料氣缸進(jìn)行手動(dòng)操作，待故障解決，便可切換至自動(dòng)生產(chǎn)模式。

表2 手動(dòng)操作界面

4 產(chǎn)出技術(shù)指標(biāo)

全自動(dòng)平面口罩機(jī)采用一拖二生產(chǎn)模式，形成主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 主要技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)束語

采用基于PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)使控制系統(tǒng)簡潔明了、美觀大方、易于操作；采用人機(jī)交互設(shè)計(jì)語言便于管理者對口罩生產(chǎn)流程進(jìn)行有效完整的監(jiān)控；動(dòng)作機(jī)構(gòu)全為氣動(dòng)系統(tǒng)，有利于口罩生產(chǎn)的衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用梯形圖編程方式，復(fù)雜度相對來說比較低，內(nèi)含的缺陷數(shù)也比較少，降低系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)事故的概率，因此使其可靠性得到保障。基于PLC 的口罩生產(chǎn)控制系統(tǒng)能夠較好提升其生產(chǎn)效率，相對于傳統(tǒng)的控制模式來說，該控制系統(tǒng)的應(yīng)用能夠更為及時(shí)高效對具體控制目標(biāo)和任務(wù)進(jìn)行處理，能夠有效提升其整體運(yùn)行效率水平，保障生產(chǎn)流程的高效性。