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高速全自动包装机控制系统设计研究

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【摘要】70年代初,可编程控制器被认为是控制系统的核心设备部件。它具有的优点是能够完成各种各样的目的功能,兼具性能稳定,同时它的可靠性相对其他装置来讲比较高。基于这些优点,它被广泛应用于现代工业自动化生产线上。随着人们对装置自动化程度的要求增加,再加上科技的发展,可编程控制器能完成的功能越来越多。因此该技术所对应成品越来越多样化和复杂化。本文根据卷纸包装机的工作原理,结合PLC技术与生产工艺,设计高速全自动卷纸包装机控制系统,该研究成果为相关的工程设计提供了理论参考。

【关键词】PLC控制;卷纸包装机;生产工艺;系统设计

1卷纸包装机工作原理

卷纸包装机,顾名思义,是将卷纸库的卷纸按照的速率完成合格卫生卷包装成卷筒纸的目的。卷纸包装机具体的工艺过程,主要有4步完成。具体为第1步为放料,卷筒式包装纸放在原料架上。第2步,指令发送,该步骤主要是放卷电机投入卷棒,长度用色标值来记录衡量。当卷棒长度到长度L时,放卷电机进行指令操作,也就是说根据色标值的信号向切纸装置机构发送指令。该切纸装置机构采用的是调速方式是交流变频。其工作原理是,凸轮旋转带动切断刀,通过凸轮上的位置传感器判断凸轮位置在那里,接着所进行的动作便是切断指令的产生,切刀的动作是向上进行操作,目的是为了切断卷纸成为一个个的单元。当进行到一定程度时有色标信号会再次出现,切刀此时便重新又开始朝下运动。变频的特性能够调节电机的频率,进而调节切刀向上和向下的工作频率,该特点使切刀操作简单。第3步,整理,当纸片切好整理入库,放入纸片库中,借助推纸空心台送到操作台上。最后,送出,整齐有序的卷纸库的卷纸通过托盘的运动来推动卷纸球。工艺盘和辅助机构合在一起才能完成包装一系列的动作。该结构V形槽口的数目是8个,同时还有3个加工工位单元。纸放入槽中,卷筒纸转动整理待包装的卷纸,放入工艺盘中然后依次送入到各加工位的位置。皮带传动依靠交流电机带动工艺盘的转动。接着依靠逻辑控制电磁阀来决定各加工工位的动作,从而按照机构单元的信号动作进行操作。具体的流程如下:1号工位的目的是工位装入完成。2号工位借助夹钳机构单元可以完成一系列单元动作,如;然后送纸球和送纸片信号分别由托盘和推纸空心台发出。最后,在3号工位,依靠重力的特性包装好的产品落入成品库。移位寄存器操作是最典型最方便的顺序控制方式。具体方式为:设定一个8位移位寄存器,移位寄存器的移位时间为120ms,对应一个V型槽,进而控制相应的操作。

移位寄存器的上料信号由2号工位发出,所产生的动作是推纸空心台推动纸片向上移动,所需时间为490ms~640ms,托盘推动纸球向上移动所花费时间不大于640ms。同时,工艺盘V形槽移动速度是相同的,假设工艺盘的位置是在第一工位的时刻,停止前进的动作将是工艺盘此刻的状态。然后,延后时间为150ms,空心台状态为无纸张时刻当慢慢移动压到行程开关时刻,此时产生的动作指令状态为停止。同时,托盘状态位置是行程开关时刻,托盘将停止工作,因此上料的操作动作就结束了。当延时时间到达,此时会出现相同的动作,即托盘和放纸的空心台。也就是说它们同进同退步调一致。但插纸板此时出现相反的动作。拖之球和工艺盘的动作也是相同的。当其位置是2号工位时,工艺盘此时的动作状态是停止,即向后拖延250ms。上料信号的动作也发生,在250ms内,工艺盘和插纸板的动作顺序一个接着一个停止。考虑到自然状态惯性的存在,此时会产生一个较小的角度θ,也就是纸球和插纸板的夹角大小。这个时候包装纸的状态是全部裹住纸球。假设插纸板再后退将会碰到限位开关,此时的动作是夹钳机构的轴向运动停止。三个夹杆会促使包装纸抓紧两端,同时发出径向运动的动作;夹杆和限位开关闭合碰撞的时候,夹钳机构轴产生一个角度90°,然后所产生的动作是向前,另一个动作开始也就是窝边的指令。当窝边到达要求的位置时,机构部件的状态是慢慢向后移动。另外一个部件夹钳机构到达3号工位状态时,此时整个一次包装过程完成,出现包装好的样品脱落的现象,这里包装一个卫生卷纸所需的总时间为880ms。因为本包装程序中PLC扫描周期T为120ms,所以1分钟内只能包60个。

2可编程控制系统控制方案的设计

西门子S7-300系列的PLC相比其他的工业控制系统扫描速度最好。PLC是选择控制系统中最基础的部件,每1000条指令约需0.3ms。考虑综合因素,如材料、机械和电气等,本文的设计实现了预先设定要完成的功能,而且在在实验室成功调试。PLC的分类多样:卷纸包装机服务的对象可以是多个,如张力控制可以依赖放卷分切过程实现、双向控制过程包括包装和送料。同时它们还有一个共同的特点就是被控对象相对密集。所以系统集中方案控制被本文设计中所采用。在集中控制系统中的部件被控对象和可编程控制器可以连接起来,他们依靠I/O实现。本文设计过程中还采用了一个方法就是在被控对象数据和状态变换连通过程中不增加额外的专门信号线路。这种控制方式有一个特点就是他们之间的距离不是很远,同时可以联系场合。单主机控制方式也提出了更高的要求,因此,相对其他方式来讲,不足之处在于危险度比较高。远程I/O控制和集中控制有一个相似的地方就是控制结构单元独特。同时还有另外一个特点就是具有分散型控制系统的特点。它的应用场合是中等规模、分散对象工程费用低的场合。

3系统的运行方式

本文中考虑到纸包装机实际运行状况,自动和手动运行相互结合的方法被采用。考虑到运行方式的设计特点,本设计中还采用了一个特殊的方法即停止运行。PLC控制器的采用的停运方式有三种,分别为正常、暂时和紧急。考虑到控制系统工作时候的要求以及包装机运行过程中依据的循环工作方式,所以在两种情况下才停止,即,第一种情况是工作结束;第二种情况是当停止运行指令发生或者设备不能正常工作出现异常故障。因此本系统中采用硬件切断电源的方式,该方式可以使系统立即停车。

4结语

本文主要阐述了卷纸机的过程,详细论述了工艺流程,同时包含每个操作动作。详细论述了包装机的影响速度因子和改进的措施方法。最终提出包装机的控制设计方案,控制系统的选择、操作模式和硬件的选择以及配置。该研究成果为相关工程设计提供了理论参考价值。

【参考文献】

[1]贺素良,陈兴国,张昌凡.包装设备数字控制技术[J].国防科技大学出版社,2012,6.

[2]张从力,李新.一种采用单片机实现自适应控制的方法[J].矿业安全与环保,2012,29(1).

[3]赵德安,刘星桥,王大承,等.基于PLC的聚醋薄膜分切机放卷机张力自适应控制系统[J].电气传动,2011(1):30-32.

[4]张从力,李新.一种采用单片机实现自适应控制的方法[J].矿业安全与环保,2012,29(1).

[5]史国生.电气控制与可编程控制器技术[M].北京:化学工业出版社,2013.

[6]张鹤鸣.可编程控制器原理与应用技术教程[M].北京:北京大学出版社,2012.

作者:司孝明 单位:盐城生物工程高等职业技术学校

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