基于PLC的制袋機(jī)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　塑料包裝袋具有輕便，易于攜帶，用途廣泛的特點(diǎn)，給人們的生活提供了極大的方便。由于需求量非常大，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)效率的要求較高。河南某公司是一家大型塑料包裝袋生產(chǎn)企業(yè)，曾在塑料包裝袋行業(yè)中占國(guó)內(nèi)絕大部分的市場(chǎng)份額。近年來卻面臨種種問題的困擾，嚴(yán)重影響了企業(yè)的效益和發(fā)展。其生產(chǎn)設(shè)備多為七八十年代的老舊工藝設(shè)備，多為人工操作或采用傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，生產(chǎn)效率低、故障率較高。因生產(chǎn)工藝陳舊、機(jī)械設(shè)備老化、生產(chǎn)效率低下、產(chǎn)能不足，嚴(yán)重影響了訂單生產(chǎn)任務(wù)的交付。同時(shí)，舊設(shè)備功能單一，不能靈活調(diào)整生產(chǎn)工藝，不適應(yīng)企業(yè)新的發(fā)展需求。為解決實(shí)際生產(chǎn)問題，此企業(yè)進(jìn)行了生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化改造，委托項(xiàng)目組進(jìn)行了基于 PLC 的塑料制袋機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

1 系統(tǒng)工藝分析

　　塑料制袋機(jī)用于制作各種規(guī)格的塑料包裝袋或其他材料包裝袋，一般來說以塑料包裝袋為主要產(chǎn)品。塑料制袋機(jī)的主要任務(wù)是將上一工序生產(chǎn)的塑料膜筒進(jìn)行加工，完成熱切制袋、疊放、計(jì)數(shù)、機(jī)械手搬運(yùn)、沖切成型、成品廢料分離、折疊、成品袋排放等工序。

　　塑料制袋機(jī)動(dòng)作流程分析如下。

　　1) 熱切制袋、計(jì)數(shù)、疊放將吹膜工序生產(chǎn)的膜筒卷由熱切刀根據(jù)尺寸規(guī)格要求切成兩端封閉的膜筒段，兩端封閉由熱切刀在切割的過程中對(duì)膜筒進(jìn)行加熱完成，熱切刀的溫度需要進(jìn)行控制，做到可靠粘合，溫度的控制由溫控儀來完成。熱切的送料機(jī)構(gòu)和熱切刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由位置控制儀控制伺服電機(jī)同步動(dòng)作完成，在熱切刀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上設(shè)置有霍爾傳感器，對(duì)熱切完成的袋套進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)由壓縮空氣吹送完成袋套的疊放動(dòng)作。

　　2) 物料轉(zhuǎn)移熱切袋套達(dá)到設(shè)定的計(jì)數(shù)值時(shí)，制袋機(jī) PLC 收到脫袋信號(hào)，控制機(jī)械手完成抓取動(dòng)作，抓緊到位后，移位電機(jī)通過同步帶帶動(dòng)機(jī)械手移位到液壓沖切位，經(jīng)過減速位置時(shí)，進(jìn)行降速，氣動(dòng)毛刷抹平板對(duì)袋套進(jìn)行抹平。

　　3) 沖切成型在沖切位置，由霍爾式限位開關(guān)發(fā)送信號(hào)，PLC 停止機(jī)械手的移動(dòng)，主壓板和廢料壓板在氣缸的驅(qū)動(dòng)下壓緊待切袋，成型沖切刀在液壓增力氣缸驅(qū)動(dòng)下完成袋耳沖切。

　　4) 廢料分離沖切完成后，主壓板和液壓沖刀復(fù)位，廢料壓板繼續(xù)保持作用，主壓板復(fù)位完成后，機(jī)械手夾持成品袋移位，完成成品和廢料的分離。

　　5) 折疊機(jī)械手移動(dòng)到折袋位置時(shí)，上下折疊氣缸同時(shí)動(dòng)作，夾持袋耳，機(jī)械手張開，放松夾持，前移一段設(shè)定的距離后，返回，從折疊板抓取折疊完成的成品袋，移送至包裝區(qū)。

　　6) 成品袋排放機(jī)械手夾持加工完成的成品袋，移送至包裝區(qū)張開，放下物料，移動(dòng)至換向位置后，返回，經(jīng)過沖切轉(zhuǎn)盤時(shí)將廢料推入廢料回收箱，到達(dá)待機(jī)位置張開手爪，等待下一個(gè)工作循環(huán)。

　　正常生產(chǎn)狀態(tài)下，制袋機(jī)依次完成上述動(dòng)作，不斷進(jìn)行循環(huán)。為實(shí)現(xiàn)上述動(dòng)作，制袋機(jī)系統(tǒng)配置了 5 只普通氣缸、1 只液壓增力氣缸、1 只氣動(dòng)手爪。普通氣缸為單作用氣缸，分別用于主壓板升降、廢料壓板升降、壓平擋板升降和折袋托板、壓板的升降; 液壓增力氣缸用于成型沖刀沖切; 氣動(dòng)手爪用于對(duì)待加工包裝袋的加緊和放松。系統(tǒng)氣動(dòng)原理如圖 1 所示。

 

圖 1 系統(tǒng)氣動(dòng)原理圖

圖 1 系統(tǒng)氣動(dòng)原理圖

　　為確保制袋機(jī)能夠高效可靠地運(yùn)行，制袋機(jī)機(jī)械手控制系統(tǒng)需要具備以下功能: ① 手動(dòng)運(yùn)行功能，由操作員根據(jù)需要進(jìn)行單步的手動(dòng)運(yùn)行操作; ② 自動(dòng)運(yùn)行功能，制袋機(jī)機(jī)構(gòu)及機(jī)械手根據(jù)預(yù)先設(shè)定的工序自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行; ③ 具備用戶權(quán)限設(shè)置功能，限制未授權(quán)人員對(duì)機(jī)械手的操作和對(duì)運(yùn)行參數(shù)的修改; ④ 故障報(bào)警功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或發(fā)生誤操作時(shí)，及時(shí)顯示報(bào)警信息，提醒操作員。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　制袋生產(chǎn)車間布置有數(shù)十臺(tái)制袋機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組在 PLC 控制下單獨(dú)工作。根據(jù)廠方需求，系統(tǒng)采用單臺(tái)機(jī)組獨(dú)立控制的形式，每臺(tái) PLC 控制一臺(tái)制袋機(jī)組，并配置人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制單元的控制和工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮了日后設(shè)置生產(chǎn)車間監(jiān)控系統(tǒng)的需求，獨(dú)立控制單元可以通過加裝通訊模塊與監(jiān)控中心上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控。PLC 控制系統(tǒng)的總體組成如圖 2 所示。

控制系統(tǒng)組成

圖 2 控制系統(tǒng)組成

　　2.1 系統(tǒng)硬件選型與 I / O 分配

　　通過分析制袋機(jī)的工藝流程，可以歸納出，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的處理集中為數(shù)字量的處理和控制，估算系統(tǒng)需要處理的開關(guān)型輸入輸出量點(diǎn)數(shù)約為 30 余點(diǎn)。系統(tǒng)需要配置人機(jī)界面，需要占用一個(gè) ＲS － 232 通訊口，考慮到以后聯(lián)網(wǎng)需求，PLC 主機(jī)單元應(yīng)配置兩個(gè)以上的通訊口。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和系統(tǒng)控制信號(hào)的數(shù)量，選擇信捷 XC3 － 48Ｒ/E 型 PLC 作為控制主機(jī)，此機(jī)型配置 20 點(diǎn)繼電器輸出，28 點(diǎn) NPN 輸入，帶有 2個(gè)通訊口，可以加裝 BD 通信擴(kuò)展板實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)人機(jī)界面的功能要求，選擇 OP320A。此人機(jī)界面能與主控 PLC 實(shí)時(shí)通訊，顯示系統(tǒng)寄存器狀態(tài)和數(shù)值，具有豐富的功能鍵盤，和報(bào)警列表功能，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前報(bào)警信息，并且具有很高的性價(jià)比。通過分析制袋機(jī)工藝流程，確定制袋機(jī)機(jī)械手控制系統(tǒng) I/O 分配表如表 1 所示。

 

表 1 制袋機(jī)機(jī)械手控制系統(tǒng) I/O 分配表

制袋機(jī)機(jī)械手控制系統(tǒng) I/O 分配表

　　2.2 PLC 控制程序設(shè)計(jì)

　　根據(jù)對(duì)制袋機(jī)機(jī)械手控制系統(tǒng)功能的分析，系統(tǒng)的動(dòng)作為典型的步進(jìn)動(dòng)作，可以采用順序功能圖語言( SFC) 進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)動(dòng)作流程包括復(fù)位流程、手動(dòng)控制流程和自動(dòng)控制工作流程。

　　1) 復(fù)位流程

　　系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，操作者可通過人機(jī)界面 OP320A 的起動(dòng)功能鍵或復(fù)位功能鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位過程中，機(jī)械手中速右移，至減速位置時(shí)張開機(jī)械手爪，到達(dá)待機(jī)位置停止，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。順序功能圖如圖 3左側(cè) SFC 圖所示。

　　2) 手動(dòng)控制流程

　　操作者將系統(tǒng)工作模式選擇到手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以通過 OP320A 功能鍵控制機(jī)械手工作臺(tái)的左右移動(dòng)和機(jī)械手爪的張開。對(duì)應(yīng)的手動(dòng)控制順序功能圖如圖 3右側(cè) SFC 圖所示。

復(fù)位與手動(dòng)控制流程 SFC

圖 3 復(fù)位與手動(dòng)控制流程 SFC

　　3) 主工作流程

　　控制系統(tǒng)在主工作流程中需要完成物料抓取、機(jī)械手工作臺(tái)左行、抹平擋板下降及復(fù)位、停機(jī)沖切、機(jī)械手工作臺(tái)左行、機(jī)械手折袋( 該功能為可選) 、機(jī)械手放料、機(jī)械手工作臺(tái)換向、高速右行、減速張開、沖切轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)、成品袋傳送帶前移等動(dòng)作。具體工作流程順序功能圖如圖 4 所示，其中右側(cè)為宏步的展開序列。系統(tǒng)順序功能圖編制完成后，可以很方便的轉(zhuǎn)換為控制梯形圖程序。

　　2.3 軟件界面軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的人機(jī)界面選用的是 OP320A，采用無錫信捷電氣公司的人機(jī)界面編輯軟件，進(jìn)行人機(jī)界面的編程。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)了 LOGO 界面、操作主菜單界面、工作參數(shù)界面、工藝選擇界面等。系統(tǒng)初始界面和系統(tǒng)主界面如圖 5 所示:

主工作流程 SFC

圖 4 主工作流程 SFC

系統(tǒng)初始界面和主界面

圖 5 系統(tǒng)初始界面和主界面

　　系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面和系統(tǒng)功能選擇界面如圖 6所示。

　　2.4 系統(tǒng)調(diào)試

　　根據(jù)系統(tǒng)順序功能圖完成了 PLC 梯形圖程序的編寫。梯形圖程序編寫完成后，首先進(jìn)行了模擬調(diào)試，根據(jù)工藝要求，向控制 PLC 發(fā)送模擬動(dòng)作信號(hào)，在上位機(jī)界面下觀察各個(gè)狀態(tài)的輸出動(dòng)作。模擬調(diào)試正常后，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，期間發(fā)現(xiàn)了傳感器故障和錯(cuò)誤操作導(dǎo)致的控制系統(tǒng)異常動(dòng)作，通過控制程序的改進(jìn)，解決了異常動(dòng)作的問題，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期控制功能。

圖 6 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面和功能選擇界面

圖 6 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面和功能選擇界面

3 結(jié)論

　　此塑料制袋機(jī)機(jī)械手系統(tǒng)消除了原機(jī)械設(shè)備效率低、定位精度低、自動(dòng)化水平低、浪費(fèi)材料、人工成本高等缺點(diǎn)。使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能適用、動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠性高，在很大程度上提高了生產(chǎn)效率，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。經(jīng)過近三個(gè)月的生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，此系統(tǒng)完全達(dá)到了預(yù)期性能指標(biāo)，已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。