雙工位卸卷小車在寬幅薄膜生產(chǎn)線上的應(yīng)用

韋有共，焦文輝，馬茗茗

（桂林格萊斯科技有限公司，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提升，雙向拉伸塑料薄膜的用量也在不斷遞增，人們的日常生活與雙向拉伸薄膜密切相關(guān)，其主要應(yīng)用于食品、服裝、醫(yī)藥、日用輕工、香煙等產(chǎn)品的包裝以及印刷、粘膠帶等領(lǐng)域[1]。為了提高生產(chǎn)線的產(chǎn)能和降低生產(chǎn)成本，雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線朝著高速、寬幅、智能化的方向發(fā)展，需要一種更為先進(jìn)的裝卸卷設(shè)備。

國(guó)內(nèi)高速寬幅雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線在收卷機(jī)處卸大膜卷和裝空卷芯，通常是通過兩種方式來完成：第一種是操作工人通過行車吊裝的方式來卸卷和裝卷；第二種是用作為配套設(shè)備的單工位卸卷小車分兩個(gè)步驟來完成卸卷和裝卷[2]。前者的缺點(diǎn)是卸卷和裝卷的時(shí)間長(zhǎng)而且存在較大的安全隱患，特別是不太熟練的工人操作時(shí)尤其突出；后者的缺陷是由于只有升降臂單工位，裝卸卷必須分兩個(gè)步驟才能完成，在調(diào)試階段或生產(chǎn)線出現(xiàn)破膜時(shí)往往來不及裝卸卷，而且其電氣控制部分沒有嵌入主生產(chǎn)線的PLC 系統(tǒng)中，出現(xiàn)故障時(shí)由于沒有提示故障信息造成工作人員排查困難。

為此，我們?cè)O(shè)計(jì)的小車在具有卸大膜卷的升降臂基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)裝空卷芯的旋轉(zhuǎn)臂，這樣就可以在一個(gè)步驟內(nèi)完成裝卸卷的工作。并且將小車的控制部分設(shè)計(jì)成主線PLC 系統(tǒng)的一個(gè)從站，在中控室的上位機(jī)上就可以設(shè)置小車的控制參數(shù)，顯示小車的工作狀態(tài)、連鎖條件、故障報(bào)警信息等。

1 設(shè)計(jì)思路

卸卷小車的任務(wù)是自動(dòng)將收卷機(jī)上的大膜卷卸下并將空卷芯安裝到收卷機(jī)非工作卷芯位，大致工作流程是：小車從停靠位置啟動(dòng)前進(jìn)（向收卷機(jī)方向）→到達(dá)卸卷位置后停下，將大膜卷卸下→啟動(dòng)后退（向時(shí)效架方向）→到達(dá)升/降位置停下，將大膜卷放低并將空卷芯舉高→啟動(dòng)前進(jìn)→到達(dá)裝卷位置停下，將空卷芯安裝到收卷機(jī)上→啟動(dòng)后退→到達(dá)停靠位置停下。PLC 根據(jù)檢測(cè)反饋的信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，控制小車的每一個(gè)動(dòng)作，如果某一邏輯條件不符合，則停止執(zhí)行下一步的動(dòng)作并在上位機(jī)報(bào)警提示是哪一個(gè)條件沒有滿足，這樣就可以快速地排除故障。

小車主要由車身、行走電機(jī)、小車滾輪、軌道、防撞安全觸邊條、聲光警示器、地面感應(yīng)條、接近開關(guān)、升降臂、旋轉(zhuǎn)臂、液壓站、ET200SP 遠(yuǎn)程I/O 站、現(xiàn)場(chǎng)操作箱等組成，小車示意圖如圖1 所示。在收卷機(jī)和時(shí)效架之間的地面上預(yù)埋有兩根軌道，小車由左右兩臺(tái)行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)在軌道上往復(fù)行走，在小車行走前后的極限位置設(shè)計(jì)有機(jī)械限位擋塊，如圖2 所示。

圖1 雙工位自動(dòng)卸卷小車示意圖

圖2 卸卷小車工作區(qū)間示意圖

兩臺(tái)0.75 kW 行走電機(jī)由一臺(tái)西門子G120 變頻器控制其運(yùn)行的速度，保證兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行速度的實(shí)時(shí)同步[3]。行走電機(jī)帶有抱閘裝置，電機(jī)停止運(yùn)行時(shí)抱閘裝置自動(dòng)閉合制動(dòng)，這樣在卸卷或裝卷操作時(shí)小車就不會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)。

在兩根軌道內(nèi)側(cè)的地面上預(yù)埋有6 個(gè)位置金屬感應(yīng)條（感應(yīng)條高出地面5 mm），用于反饋不同工作位置的信號(hào)（由小車上的接近開關(guān)檢測(cè)），從左至右感應(yīng)條對(duì)應(yīng)的位置分別是：停靠位置、停靠減速位置、升/降位置、前進(jìn)減速位置、裝卷位置、卸卷位置，如圖3 所示。

圖3 感應(yīng)條預(yù)埋示意圖

在小車車身上橫向安裝有6 個(gè)小車工作位置檢測(cè)接近開關(guān)（接近開關(guān)感應(yīng)頭距地面10 mm），用于檢測(cè)地面預(yù)埋的感應(yīng)條信號(hào)，反饋給PLC 進(jìn)行邏輯控制，從左至右依次排布：停靠接近開關(guān)、停靠減速接近開關(guān)、升/降接近開關(guān)、前進(jìn)減速接近開關(guān)、裝卷接近開關(guān)、卸卷接近開關(guān)，如圖4 所示。

圖4 小車位置檢測(cè)接近開關(guān)示意圖

為了實(shí)現(xiàn)雙工位工作模式，在單工位卸卷小車一個(gè)升降臂的基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)旋轉(zhuǎn)臂，目的是升降臂只用于卸大膜卷而旋轉(zhuǎn)臂用于安裝空卷芯。小車上設(shè)計(jì)有一個(gè)液壓站，由一臺(tái)5.5 kW 的油泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生油路的工作壓力，通過油缸的伸縮帶動(dòng)升降臂和旋轉(zhuǎn)臂做上下運(yùn)動(dòng)，油缸的伸縮動(dòng)作是通過控制油路上電磁閥得電和失電來實(shí)現(xiàn)的。在升降臂和旋轉(zhuǎn)臂的上、下工作位置處安裝有接近開關(guān)，用于檢測(cè)當(dāng)前臂的位置，并且在升降臂和旋轉(zhuǎn)臂的托卷位置設(shè)計(jì)有接近開關(guān)，用于檢測(cè)升降臂和旋轉(zhuǎn)臂當(dāng)前是否裝有卷芯。

主線的控制系統(tǒng)采用西門子S7-1500 系列PLC，在不同的設(shè)備工藝段都設(shè)計(jì)有ET200SP 遠(yuǎn)程I/O 站，小車上和小車操作箱上的遠(yuǎn)程I/O 站也是其中的一個(gè)從站，從站通過PROFINET 網(wǎng)線與CPU 進(jìn)行通訊，構(gòu)成一個(gè)完整的控制體系。小車的所有輸入和輸出信號(hào)都連接到I/O 站的模板上，這樣就可以在中控室上位機(jī)設(shè)置小車的各種控制參數(shù)，顯示小車的工作狀態(tài)、連鎖條件、故障報(bào)警信息等，還可以查看有關(guān)參數(shù)的歷史歸檔，提升了控制系統(tǒng)的智能化。

在車身前后部位的橫向安裝有防撞安全觸邊條，小車在行走過程中如果碰到人體或異物則立即停止運(yùn)行并且在上位機(jī)上出現(xiàn)報(bào)警信息，增強(qiáng)了小車的安全性能。小車上安裝的聲光警示器在小車工作過程中一直發(fā)聲和閃光，目的是提醒人們小車正在工作中，注意安全。在卸卷小車的操作側(cè)地面上豎立安裝有一個(gè)操作箱用于控制小車，操作箱面板按鈕示意圖如圖5 所示。

圖5 操作箱面板按鈕示意圖

2 控制邏輯

在收卷機(jī)完成換卷以后[4]，需要卸卷小車自動(dòng)將大膜卷卸下并將空卷芯安裝到收卷機(jī)非工作卷芯位置，為下一次換卷做好準(zhǔn)備。

2.1 卸卷和裝卷的啟動(dòng)連鎖條件

只有在滿足相關(guān)的連鎖條件下，才能啟動(dòng)卸卷小車進(jìn)行裝卸卷，以下是啟動(dòng)卸卷小車的連鎖條件：

（1）PLC 檢測(cè)到收卷機(jī)換卷結(jié)束，允許卸膜小車進(jìn)入收卷機(jī)卸卷和裝卷。

（2）升降臂的“低位接近開關(guān)”檢測(cè)到升降臂處于低位。

（3）升降臂托卷的“卷芯檢測(cè)接近開關(guān)”檢測(cè)到?jīng)]有卷芯。

（4）旋轉(zhuǎn)臂的“低位接近開關(guān)”檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)臂處于低位。

（5）旋轉(zhuǎn)臂托卷的“卷芯檢測(cè)接近開關(guān)”檢測(cè)到已放置有空卷芯。

（6）“停靠接近開關(guān)”檢測(cè)到小車處于停靠位置。

PLC 檢測(cè)到以上條件都滿足后，中控室上位機(jī)界面對(duì)應(yīng)的連鎖條件顯示都呈現(xiàn)綠色，表示可以進(jìn)行卸卷和裝卷操作。如果有某個(gè)連鎖條件不滿足，則該連鎖條件顯示為紅色，無法執(zhí)行卸卷和裝卷工作，操作人員通過手動(dòng)控制排除故障后才可以繼續(xù)進(jìn)行卸卷和裝卷的操作。

2.2 自動(dòng)卸卷和裝卷的控制邏輯

在自動(dòng)裝卸卷工作模式下，PLC 根據(jù)檢測(cè)反饋的信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，控制小車的每一步動(dòng)作[5-7]，以下是自動(dòng)裝卸卷模式的操作和控制邏輯：

（1）操作人員在卸卷小車的操作箱上將“手動(dòng)/自動(dòng)”旋鈕開關(guān)旋轉(zhuǎn)至“自動(dòng)”位置，選擇自動(dòng)裝卸卷模式。

（2）按下“卡頭打開”按鈕，收卷機(jī)上的“卷芯卡頭打開到位接近開關(guān)”檢測(cè)到卡頭打開到位信號(hào)。

（3）按下“卸卷/裝卷”按鈕，PLC 控制卸卷小車按照如下順序開始自動(dòng)執(zhí)行卸卷和裝卷動(dòng)作。

（4）液壓站油泵電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，建立油循環(huán)系統(tǒng)的工作壓力；行走電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)且抱閘裝置打開，小車加速至預(yù)先設(shè)定的速度向前（往收卷機(jī)方向）移動(dòng)。

（5）移動(dòng)至“前進(jìn)減速位置”時(shí)，“前進(jìn)減速接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，小車減速到預(yù)先設(shè)定的慢速度繼續(xù)向前移動(dòng)。

（6）移動(dòng)至“裝卷位置”時(shí)，“裝卷接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，但由于此時(shí)旋轉(zhuǎn)臂處于低位所以小車沒有停下而是繼續(xù)前行。

（7）移動(dòng)至“卸卷位置”時(shí)，“卸卷接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，行走電機(jī)停止運(yùn)行且抱閘裝置閉合；升降臂油缸電磁閥得電打開，油缸伸出帶動(dòng)升降臂上升舉起大膜卷。

（8）升降臂上升到位，“升降臂高位接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，行走電機(jī)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)且抱閘裝置打開，小車低速向后（時(shí)效架方向）移動(dòng)。

（9）移動(dòng)至“升/降位置”時(shí)，“升/降接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，行走電機(jī)停止運(yùn)行且抱閘裝置閉合；升降臂油缸電磁閥失電關(guān)閉，油缸縮回帶動(dòng)升降臂下降放下大膜卷；同時(shí)，旋轉(zhuǎn)臂油缸電磁閥得電打開，油缸伸出帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂擺動(dòng)上升將待裝的空卷芯舉起。

（10）“升降臂低位接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，“旋轉(zhuǎn)臂高位接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，行走電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)且抱閘裝置打開，小車加速向前移動(dòng)。

（11）移動(dòng)至“前進(jìn)減速位置”時(shí)，“前進(jìn)減速接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，小車慢速繼續(xù)向前移動(dòng)。

（12）移動(dòng)至“裝卷位置”時(shí)，“裝卷接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，行走電機(jī)停止運(yùn)行且抱閘裝置閉合；旋轉(zhuǎn)臂油缸電磁閥失電關(guān)閉，油缸縮回帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂擺動(dòng)下降將空卷芯放置到收卷機(jī)非工作位卷芯托架上。

（13）“旋轉(zhuǎn)臂低位接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，行走電機(jī)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)且抱閘裝置打開，小車高速向后移動(dòng)。

（14）移動(dòng)至“停靠減速位置”時(shí)，“停靠減速接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，小車低速繼續(xù)向后移動(dòng)。

（15）移動(dòng)至“停靠位置”時(shí)，“停靠接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，行走電機(jī)停止運(yùn)行且抱閘裝置閉合，同時(shí)液壓站油泵電機(jī)也停止運(yùn)行。

（16）按下“卡頭關(guān)閉”按鈕，收卷機(jī)上的“卷芯卡頭關(guān)閉到位接近開關(guān)”檢測(cè)到卡頭關(guān)閉到位信號(hào)。

至此，完成了自動(dòng)卸大膜卷和裝空卷芯的一個(gè)工作流程。隨后，操作人員可以從容地用行車將升降臂上的大膜卷轉(zhuǎn)運(yùn)到時(shí)效架上，并將時(shí)效架上的空卷芯放置到旋轉(zhuǎn)臂上（空卷芯在旋轉(zhuǎn)臂上的橫向位置由地面預(yù)埋的兩側(cè)立柱擋塊來定位），為下一次的卸卷和裝卷做好準(zhǔn)備。

2.3 手動(dòng)卸卷和裝卷的控制邏輯

在調(diào)試階段或進(jìn)行維保時(shí)操作人員可以通過操作箱上的按鈕來手動(dòng)分步控制卸卷小車的各種動(dòng)作，此時(shí)PLC 是按照手動(dòng)控制模式進(jìn)行邏輯判斷，具體操作和邏輯控制如下：

（1）將“手動(dòng)/自動(dòng)”旋鈕開關(guān)旋轉(zhuǎn)至“手動(dòng)”位置，選擇手動(dòng)裝卸卷模式。

（2）按下“卡頭打開”按鈕，收卷機(jī)上的“卷芯卡頭打開到位接近開關(guān)”檢測(cè)到卡頭打開到位信號(hào)。

（3）按下“工作位置”按鈕，液壓站油泵電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，建立油循環(huán)系統(tǒng)的工作壓力，行走電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)且抱閘裝置打開，小車高速向前（往收卷機(jī)方向）移動(dòng)。

（4）移動(dòng)至“前進(jìn)減速位置”時(shí)，“前進(jìn)減速接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，小車低速繼續(xù)向前移動(dòng)。

（5）移動(dòng)至“裝卷位置”時(shí)，“裝卷接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，但由于此時(shí)旋轉(zhuǎn)臂處于低位所以小車沒有停下而是繼續(xù)前行。

（6）移動(dòng)至“卸卷位置”時(shí)，“卸卷接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，行走電機(jī)停止運(yùn)行且抱閘裝置閉合。

（7）按下“升降臂上升”按鈕，升降臂油缸電磁閥得電打開，油缸伸出帶動(dòng)升降臂上升舉起大膜卷；升降臂上升到位，“升降臂高位接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)。

（8）按下“停靠位置”按鈕，行走電機(jī)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)且抱閘裝置打開，小車低速向后（時(shí)效架方向）移動(dòng)；移動(dòng)至“升/降位置”時(shí)，行走電機(jī)停止運(yùn)行且抱閘裝置閉合。

（9）按下“升降臂下降”按鈕，升降臂油缸電磁閥失電關(guān)閉，油缸縮回帶動(dòng)升降臂下降放下大膜卷；升降臂下降到位，“升降臂低位接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)。

（10）按下“旋轉(zhuǎn)臂上升”按鈕，旋轉(zhuǎn)臂油缸電磁閥得電打開，油缸伸出帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂擺動(dòng)上升將空卷芯舉起；旋轉(zhuǎn)臂上升到位，“旋轉(zhuǎn)臂高位接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)。

（11）按下“工作位置”按鈕，行走電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)且抱閘裝置打開，小車高速向前移動(dòng)。

（12）移動(dòng)至“前進(jìn)減速位置”時(shí)，“前進(jìn)減速接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，小車低速繼續(xù)向前移動(dòng)。

（13）移動(dòng)至“裝卷位置”時(shí)，“裝卷接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，行走電機(jī)停止運(yùn)行且抱閘裝置閉合。

（14）按下“旋轉(zhuǎn)臂下降”按鈕，旋轉(zhuǎn)臂油缸電磁閥失電關(guān)閉，油缸縮回帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂擺動(dòng)下降將空卷芯放置到收卷機(jī)非工作位的卷芯托架上；旋轉(zhuǎn)臂下降到位，“旋轉(zhuǎn)臂低位接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)。

（15）按下“停靠位置”按鈕，行走電機(jī)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)且抱閘裝置打開，小車高速向后移動(dòng)。

（16）移動(dòng)至“停靠減速位置”時(shí)，“停靠減速接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，小車低速繼續(xù)向后移動(dòng)；移動(dòng)至“停靠位置”時(shí)，“停靠接近開關(guān)”檢測(cè)到信號(hào)，行走電機(jī)停止運(yùn)行且抱閘裝置閉合，同時(shí)液壓站油泵電機(jī)也停止運(yùn)行。

按下“卡頭關(guān)閉”按鈕，收卷機(jī)上的“卷芯卡頭關(guān)閉到位接近開關(guān)”檢測(cè)到卡頭關(guān)閉到位信號(hào)，至此，完成了手動(dòng)操作卸卷和裝卷的過程。

2.4 非正常情況的控制邏輯

不論是在自動(dòng)卸卷模式還是在手動(dòng)卸卷模式，如果在裝卸卷過程中有某個(gè)連鎖條件不滿足，則自動(dòng)停止執(zhí)行下一步的動(dòng)作，同時(shí)在上位機(jī)上報(bào)警提示是哪個(gè)條件沒有滿足，操作人員根據(jù)提示可以快速地進(jìn)行處理。如果遇到異常情況，可以隨時(shí)按下“停機(jī)”按鈕，則正在執(zhí)行的動(dòng)作立即停止并保持不動(dòng)。待問題處理完成后，將“手動(dòng)/自動(dòng)”旋鈕開關(guān)旋轉(zhuǎn)至“手動(dòng)”位置，通過手動(dòng)操作完成余下的動(dòng)作步驟。如果遇到可能對(duì)人身或設(shè)備造成危害的緊急情況，可以按下紅色蘑菇頭“急停”按鈕，PLC 控制整線快速停機(jī)，避免或最大限度地減小造成的傷害。

3 結(jié)語

該雙工位自動(dòng)卸卷小車在一條幅寬8.7 米雙向拉伸BOPP 薄膜生產(chǎn)線經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，與傳統(tǒng)的裝卸卷方式比較，裝卸卷過程縮短了一半的時(shí)間，安全性得到了保障，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且由于提升了設(shè)備的智能化，大大方便了設(shè)備的維護(hù)。國(guó)內(nèi)寬幅雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線眾多，舊生產(chǎn)線推廣應(yīng)用或新生產(chǎn)線配置雙工位自動(dòng)卸卷小車，具有相當(dāng)大的市場(chǎng)。當(dāng)然，隨著生產(chǎn)線智能化的不斷提升和設(shè)備制造成本的降低，將來會(huì)制造出智能型行車，通過PLC 控制可以將收卷機(jī)上的大膜卷卸下直接轉(zhuǎn)運(yùn)到時(shí)效架指定的膜卷存放位置，自動(dòng)將時(shí)效架上某一個(gè)編號(hào)的空卷芯直接放置到收卷機(jī)上。