FFS 一體化包裝機電氣控制設計與實現

鄭圓成

（陜西延長中煤榆林能源化工有限公司，榆林 718500）

FFS 一體化包裝機是應用聚乙烯（Polyethylene，PE）膜包材對粉料、顆粒料等進行全自動制袋灌裝、封口的包裝裝置，包裝過程干凈高效，已被廣泛應用于各產品加工領域。與傳統包裝裝置相比，PE 膜包材成本更低，防潮性能更好，可以有效減輕物料的運輸存儲負擔。通過分析該一體化包裝機的機械構成，研究利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術實現包裝機的電氣系統控制功能。

1 一體化包裝機機械結構設計

自動包裝機基本構成包括機架、供料機構、供膜機構、封裝機構、輸送機構及PLC 電控箱等。其中，封裝機構多為雙曲柄機械結構，通過彈簧相連做圓周運動，兩封裝器在回轉中心的垂直平分線上相互擠壓一段垂直軌跡實現包裝袋封裝剪切過程；供料機構包括固定在機架上的支座、進料倉及儲料機構等，其中儲料機構通過容積法計量；供膜機構由固定在機架上的平行立柱、轉軸、摩擦盤、傳動桿、光電傳感器及供膜電機等構成；封裝機構安裝于供膜機構下側封口支座處，包括橫封、縱封兩種方式，并安裝有切刀裝置[1]。

2 包裝機控制系統設計與實現

2.1 基于PLC 技術的包裝機特點

FFS 一體化包裝機主要用于對粉料、顆粒料或類型相近物料的包裝，可以有效簡化設計結構、降低成本，通過更換部分配件擴大適用范圍。包裝機設計過程中，包裝材料的選取十分關鍵。包材受牽引時速率越快，會產生越大的張力，也更容易破損，因此包材抗拉強度不符合要求會大幅降低包裝速率。動作頻繁、執行器件復雜是包裝機裝置顯著特征，以往包材傳動依靠連桿機構進行拉帶，當需要更換物料或包裝袋尺寸時需要停機調節，效率較低。現階段，引入PLC或人工操控界面實現電機拉帶，由光電傳感器檢測袋長、色標實現包材循環供送，大幅提升了效率。在系統啟動后，走袋電機驅動包材并打印日期，經過縱封裝置加熱封閉、經橫封裝置形成袋筒等待供料電機進行裝料，期間由各檢測信號控制，溢出物料由刮板刮平，并進行上橫封，完成包裝作業。可以看出，整個包裝工藝中輸入信號包括PE 膜位置、縱封橫封溫度、料滿情況等，輸出信號包括各電機轉速、加熱管溫度等。

基于PLC 技術設計控制方案時，首先確定控制系統整體方案，由各傳感器將檢測信號上傳PLC。其次，由PLC 控制各執行機構，并進行過載檢測。需要利用光電傳感器采集膜信號、動盤到位、日期標號等多個信號，利用溫度傳感器檢測橫封、縱封溫度，利用顏色傳感器檢測色標位置。最后，利用24 V 電源模塊為控制電路中傳感器、電磁閥及模數轉換模塊供電，在干加熱管熱封中熱繼電器對電機進行過載保護，具體包裝機系統循環工藝流程如圖1 所示。為不間斷持續作業工藝，供送下一個包裝袋前要確保橫封機構能夠截斷當前包裝袋[2]。

圖1 包裝機循環作業工藝流程

由圖1 可以看出，包裝機運行時需要供送薄膜，將膜卷放置在支撐機構上，在不斷供給被裝貨物后，進行高效自動的包裝并牽引到封口位置，然后進行后續縱封、橫封工序，最后在熱封截斷下形成獨立包裝，完成一個循環作業工序，將產品輸送至存儲點。

2.2 系統運行方式及控制框圖

系統運行分為手動、聯鎖自動兩種模式。其中：手動模式下，按動按鈕將手動開關閉合啟動程序，主要用于故障檢修維護作業；聯鎖自動模式下，按動按鈕后程序將自動聯鎖循環作業，各機構完成一個循環后將自動回到初始狀態進行下一循環。在實際運行過程中，需要結合實際工況考慮不同停止運行方式，包括正常停運、緊急停運及暫時停運3 種，確保包裝機不間斷作業過程中，只有當作業任務完成后或操作人員停運指令、設備運行異常情況下才會停車，此時控制系統將直接切斷電源，包裝機停止工作[3]。

控制系統總體框圖如圖2 所示，包含中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、輸入輸出（Input Output，IO）單元、檢測元件、控制元件、執行元件等。操作人員可根據觸摸屏、啟停按鈕對設備下達指令，如機器啟停、功能切換等。檢測元件將對物料位置、各機構動作信號燈進行檢測。可編程控制器自動循環掃描IO 點實時狀態，依據編寫程序中的確定控制關系不斷更新輸出點狀態，并在觸摸屏上實時顯示設備運行狀態，進行位置檢測、故障報警等。通過接通斷開交流接觸器的觸點和電磁閥來控制電機啟停，從而實現從包材運輸到物料裝入包裝的控制[4]。

圖2 系統控制

2.3 PLC 分析

2.3.1 PLC 分類

基于各行業的發展需要，PLC 各類特殊功能擴展模塊及設備型號也較多，可以結合IO 點數的差異，將PLC 分為3 類：一是256 點以下的小型機，無模擬量；二是256～2 048 點的中型機，有64～128 路的模擬量；三是2 048 點以上的大型機，有128～512 路模擬量。因此，在一體化包裝機的設計中，要關注對PLC 的設計選擇，在基于實際需要對不同模板進行配置組合后，提高PLC 應用效果。當前常見部分小型機做成配置模板固定的一體機，便于成套設備的選用。

2.3.2 PLC 結構框架

結合FFS 一體化包裝機的需要，其PLC 主要包含CPU、存儲器、IO 系統及其他可選部件4 部分，其中CPU、存儲器及IO 系統是PLC 實現基本控制功能的必需組件，其他可選部件包括編程器、外部儲存、通信組件、擴展接口、測試設備等其他功能模塊。依據實際使用工況，可自行開發其他功能模塊，如輸入輸出模塊、計數器等。

該包裝機PLC 結構框圖如圖3 所示，在結合實際應用情況后開發各特殊功能，其中包含內置24 V、400 mA 直流電源對接近開關、傳感器供電，其他執行機構需外接直流電源。

圖3 PLC 結構

2.3.3 PLC 設計流程

第一，結合控制方案需要進行硬件選型工作，然后基于容易擴充的原則，確保PLC 控制系統具有領域應用廣泛性、成熟可靠性。

第二，確保系統的軟硬件搭配與設備控制功能相協調，在工業設計中做好IO 點數估算和擴展模塊功能完善工作，進一步優化選擇高性價比的PLC 系統。

第三，在開展IO 點的估算工作時，需要留有一定的余量，在數量統計基礎上增加余量，一般將擴充15%～25%作為最后選型的依據。

第四，結合本包裝機的工藝過程及具體點數的統計，綜合設計的經濟性和控制系統PLC 的應用性能，決定本包裝機選用FX2n-32MR-E/UL 型PLC，選用交流電源，輸入輸出點各16 個，繼電器輸出。該PLC 為高性能小型PLC，附帶高速計數器，運算能力強，程序容量達到16 k 步[5]，且具有執行程序更快、通信功能更強和多功能擴展模塊等特點，利于后期優化該自動包裝系統。

3 實用性分析

完成一體化包裝機電氣控制設計后，分析其計量和走袋精度。分別選取由2 個包裝機完成包裝的青豆2 組（Ⅰ組和Ⅱ組），每組10 袋，通過標尺測算袋長、天平稱量單包質量，分析包裝機計量和走袋精確度，其中數據統計結果如表1 所示。

表1 包裝機包裝參數結果統計表

從測算結果來看，包裝粒徑較小青豆時，兩組總質量和單包質量基本相同，極差、方差差值很小，可以看出包裝機計量穩定，包裝機電氣改造效果良好。3 個月的設備試應用情況顯示，設備的穩定性較高，能夠保障自動化包裝精度和質量，能滿足企業的發展需要。此外，在應用中包裝機可視觸摸控制效果良好，不僅能實時了解包裝進度和工況，還能通過人為操作提高包裝安全性。

4 結語

文章介紹FFS 一體化包裝機機械結構，結合PLC 控制技術進行包裝機整體設計，以可靠實用為原則設計出功能齊全、易于操作的控制系統。對包裝機進行控制系統設計后，進行計量及走袋精度測試，從走袋質量、袋長統計數據來看，該包裝機控制系統設計合理，可以保障包裝走袋的精度與質量。