高速全自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究范文

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【摘要】70年代初，可編程控制器被認(rèn)為是控制系統(tǒng)的核心設(shè)備部件。它具有的優(yōu)點(diǎn)是能夠完成各種各樣的目的功能，兼具性能穩(wěn)定，同時(shí)它的可靠性相對(duì)其他裝置來(lái)講比較高。基于這些優(yōu)點(diǎn)，它被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上。隨著人們對(duì)裝置自動(dòng)化程度的要求增加，再加上科技的發(fā)展，可編程控制器能完成的功能越來(lái)越多。因此該技術(shù)所對(duì)應(yīng)成品越來(lái)越多樣化和復(fù)雜化。本文根據(jù)卷紙包裝機(jī)的工作原理，結(jié)合PLC技術(shù)與生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)高速全自動(dòng)卷紙包裝機(jī)控制系統(tǒng)，該研究成果為相關(guān)的工程設(shè)計(jì)提供了理論參考。

【關(guān)鍵詞】PLC控制；卷紙包裝機(jī)；生產(chǎn)工藝；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1卷紙包裝機(jī)工作原理

卷紙包裝機(jī)，顧名思義，是將卷紙庫(kù)的卷紙按照的速率完成合格衛(wèi)生卷包裝成卷筒紙的目的。卷紙包裝機(jī)具體的工藝過(guò)程，主要有4步完成。具體為第1步為放料，卷筒式包裝紙放在原料架上。第2步，指令發(fā)送，該步驟主要是放卷電機(jī)投入卷棒，長(zhǎng)度用色標(biāo)值來(lái)記錄衡量。當(dāng)卷棒長(zhǎng)度到長(zhǎng)度L時(shí)，放卷電機(jī)進(jìn)行指令操作，也就是說(shuō)根據(jù)色標(biāo)值的信號(hào)向切紙裝置機(jī)構(gòu)發(fā)送指令。該切紙裝置機(jī)構(gòu)采用的是調(diào)速方式是交流變頻。其工作原理是，凸輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)切斷刀，通過(guò)凸輪上的位置傳感器判斷凸輪位置在那里，接著所進(jìn)行的動(dòng)作便是切斷指令的產(chǎn)生，切刀的動(dòng)作是向上進(jìn)行操作，目的是為了切斷卷紙成為一個(gè)個(gè)的單元。當(dāng)進(jìn)行到一定程度時(shí)有色標(biāo)信號(hào)會(huì)再次出現(xiàn)，切刀此時(shí)便重新又開(kāi)始朝下運(yùn)動(dòng)。變頻的特性能夠調(diào)節(jié)電機(jī)的頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)切刀向上和向下的工作頻率，該特點(diǎn)使切刀操作簡(jiǎn)單。第3步，整理，當(dāng)紙片切好整理入庫(kù)，放入紙片庫(kù)中，借助推紙空心臺(tái)送到操作臺(tái)上。最后，送出，整齊有序的卷紙庫(kù)的卷紙通過(guò)托盤(pán)的運(yùn)動(dòng)來(lái)推動(dòng)卷紙球。工藝盤(pán)和輔助機(jī)構(gòu)合在一起才能完成包裝一系列的動(dòng)作。該結(jié)構(gòu)V形槽口的數(shù)目是8個(gè)，同時(shí)還有3個(gè)加工工位單元。紙放入槽中，卷筒紙轉(zhuǎn)動(dòng)整理待包裝的卷紙，放入工藝盤(pán)中然后依次送入到各加工位的位置。皮帶傳動(dòng)依靠交流電機(jī)帶動(dòng)工藝盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)。接著依靠邏輯控制電磁閥來(lái)決定各加工工位的動(dòng)作，從而按照機(jī)構(gòu)單元的信號(hào)動(dòng)作進(jìn)行操作。具體的流程如下：1號(hào)工位的目的是工位裝入完成。2號(hào)工位借助夾鉗機(jī)構(gòu)單元可以完成一系列單元?jiǎng)幼鳎纾蝗缓笏图埱蚝退图埰盘?hào)分別由托盤(pán)和推紙空心臺(tái)發(fā)出。最后，在3號(hào)工位，依靠重力的特性包裝好的產(chǎn)品落入成品庫(kù)。移位寄存器操作是最典型最方便的順序控制方式。具體方式為：設(shè)定一個(gè)8位移位寄存器，移位寄存器的移位時(shí)間為120ms，對(duì)應(yīng)一個(gè)V型槽，進(jìn)而控制相應(yīng)的操作。

移位寄存器的上料信號(hào)由2號(hào)工位發(fā)出，所產(chǎn)生的動(dòng)作是推紙空心臺(tái)推動(dòng)紙片向上移動(dòng)，所需時(shí)間為490ms～640ms，托盤(pán)推動(dòng)紙球向上移動(dòng)所花費(fèi)時(shí)間不大于640ms。同時(shí)，工藝盤(pán)V形槽移動(dòng)速度是相同的，假設(shè)工藝盤(pán)的位置是在第一工位的時(shí)刻，停止前進(jìn)的動(dòng)作將是工藝盤(pán)此刻的狀態(tài)。然后，延后時(shí)間為150ms，空心臺(tái)狀態(tài)為無(wú)紙張時(shí)刻當(dāng)慢慢移動(dòng)壓到行程開(kāi)關(guān)時(shí)刻，此時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)作指令狀態(tài)為停止。同時(shí)，托盤(pán)狀態(tài)位置是行程開(kāi)關(guān)時(shí)刻，托盤(pán)將停止工作，因此上料的操作動(dòng)作就結(jié)束了。當(dāng)延時(shí)時(shí)間到達(dá)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)相同的動(dòng)作，即托盤(pán)和放紙的空心臺(tái)。也就是說(shuō)它們同進(jìn)同退步調(diào)一致。但插紙板此時(shí)出現(xiàn)相反的動(dòng)作。拖之球和工藝盤(pán)的動(dòng)作也是相同的。當(dāng)其位置是2號(hào)工位時(shí)，工藝盤(pán)此時(shí)的動(dòng)作狀態(tài)是停止，即向后拖延250ms。上料信號(hào)的動(dòng)作也發(fā)生，在250ms內(nèi)，工藝盤(pán)和插紙板的動(dòng)作順序一個(gè)接著一個(gè)停止。考慮到自然狀態(tài)慣性的存在，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較小的角度θ，也就是紙球和插紙板的夾角大小。這個(gè)時(shí)候包裝紙的狀態(tài)是全部裹住紙球。假設(shè)插紙板再后退將會(huì)碰到限位開(kāi)關(guān)，此時(shí)的動(dòng)作是夾鉗機(jī)構(gòu)的軸向運(yùn)動(dòng)停止。三個(gè)夾桿會(huì)促使包裝紙抓緊兩端，同時(shí)發(fā)出徑向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作；夾桿和限位開(kāi)關(guān)閉合碰撞的時(shí)候，夾鉗機(jī)構(gòu)軸產(chǎn)生一個(gè)角度90°，然后所產(chǎn)生的動(dòng)作是向前，另一個(gè)動(dòng)作開(kāi)始也就是窩邊的指令。當(dāng)窩邊到達(dá)要求的位置時(shí)，機(jī)構(gòu)部件的狀態(tài)是慢慢向后移動(dòng)。另外一個(gè)部件夾鉗機(jī)構(gòu)到達(dá)3號(hào)工位狀態(tài)時(shí)，此時(shí)整個(gè)一次包裝過(guò)程完成，出現(xiàn)包裝好的樣品脫落的現(xiàn)象，這里包裝一個(gè)衛(wèi)生卷紙所需的總時(shí)間為880ms。因?yàn)楸景b程序中PLC掃描周期T為120ms，所以1分鐘內(nèi)只能包60個(gè)。

2可編程控制系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)

西門(mén)子S7-300系列的PLC相比其他的工業(yè)控制系統(tǒng)掃描速度最好。PLC是選擇控制系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的部件，每1000條指令約需0.3ms。考慮綜合因素，如材料、機(jī)械和電氣等，本文的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)先設(shè)定要完成的功能，而且在在實(shí)驗(yàn)室成功調(diào)試。PLC的分類多樣：卷紙包裝機(jī)服務(wù)的對(duì)象可以是多個(gè)，如張力控制可以依賴放卷分切過(guò)程實(shí)現(xiàn)、雙向控制過(guò)程包括包裝和送料。同時(shí)它們還有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是被控對(duì)象相對(duì)密集。所以系統(tǒng)集中方案控制被本文設(shè)計(jì)中所采用。在集中控制系統(tǒng)中的部件被控對(duì)象和可編程控制器可以連接起來(lái)，他們依靠I/O實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)過(guò)程中還采用了一個(gè)方法就是在被控對(duì)象數(shù)據(jù)和狀態(tài)變換連通過(guò)程中不增加額外的專門(mén)信號(hào)線路。這種控制方式有一個(gè)特點(diǎn)就是他們之間的距離不是很遠(yuǎn)，同時(shí)可以聯(lián)系場(chǎng)合。單主機(jī)控制方式也提出了更高的要求，因此，相對(duì)其他方式來(lái)講，不足之處在于危險(xiǎn)度比較高。遠(yuǎn)程I/O控制和集中控制有一個(gè)相似的地方就是控制結(jié)構(gòu)單元獨(dú)特。同時(shí)還有另外一個(gè)特點(diǎn)就是具有分散型控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。它的應(yīng)用場(chǎng)合是中等規(guī)模、分散對(duì)象工程費(fèi)用低的場(chǎng)合。

3系統(tǒng)的運(yùn)行方式

本文中考慮到紙包裝機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況，自動(dòng)和手動(dòng)運(yùn)行相互結(jié)合的方法被采用。考慮到運(yùn)行方式的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中還采用了一個(gè)特殊的方法即停止運(yùn)行。PLC控制器的采用的停運(yùn)方式有三種，分別為正常、暫時(shí)和緊急。考慮到控制系統(tǒng)工作時(shí)候的要求以及包裝機(jī)運(yùn)行過(guò)程中依據(jù)的循環(huán)工作方式，所以在兩種情況下才停止，即，第一種情況是工作結(jié)束；第二種情況是當(dāng)停止運(yùn)行指令發(fā)生或者設(shè)備不能正常工作出現(xiàn)異常故障。因此本系統(tǒng)中采用硬件切斷電源的方式，該方式可以使系統(tǒng)立即停車。

4結(jié)語(yǔ)

本文主要闡述了卷紙機(jī)的過(guò)程，詳細(xì)論述了工藝流程，同時(shí)包含每個(gè)操作動(dòng)作。詳細(xì)論述了包裝機(jī)的影響速度因子和改進(jìn)的措施方法。最終提出包裝機(jī)的控制設(shè)計(jì)方案，控制系統(tǒng)的選擇、操作模式和硬件的選擇以及配置。該研究成果為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供了理論參考價(jià)值。

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作者：司孝明 單位：鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校