基于PLC的制袋機機械手控制系統(tǒng)設計
引言
塑料包裝袋具有輕便，易于攜帶，用途廣泛的特點，給人們的生活提供了極大的方便。由于需求量非常大，對企業(yè)生產效率的要求較高。河南某公司是一家大型塑料包裝袋生產企業(yè)，曾在塑料包裝袋行業(yè)中占國內絕大部分的市場份額。近年來卻面臨種種問題的困擾，嚴重影響了企業(yè)的效益和發(fā)展。其生產設備多為七八十年代的老舊工藝設備，多為人工操作或采用傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，生產效率低、故障率較高。因生產工藝陳舊、機械設備老化、生產效率低下、產能不足，嚴重影響了訂單生產任務的交付。同時，舊設備功能單一，不能靈活調整生產工藝，不適應企業(yè)新的發(fā)展需求。為解決實際生產問題，此企業(yè)進行了生產設備的自動化改造，委托項目組進行了基于 PLC 的塑料制袋機控制系統(tǒng)的設計研發(fā)工作。
1 系統(tǒng)工藝分析
塑料制袋機用于制作各種規(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品。塑料制袋機的主要任務是將上一工序生產的塑料膜筒進行加工，完成熱切制袋、疊放、計數(shù)、機械手搬運、沖切成型、成品廢料分離、折疊、成品袋排放等工序。
塑料制袋機動作流程分析如下。
1) 熱切制袋、計數(shù)、疊放將吹膜工序生產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膜筒進行加熱完成，熱切刀的溫度需要進行控制，做到可靠粘合，溫度的控制由溫控儀來完成。熱切的送料機構和熱切刀傳動機構由位置控制儀控制伺服電機同步動作完成，在熱切刀驅動機構上設置有霍爾傳感器，對熱切完成的袋套進行計數(shù)，同時由壓縮空氣吹送完成袋套的疊放動作。
2) 物料轉移熱切袋套達到設定的計數(shù)值時，制袋機 PLC 收到脫袋信號，控制機械手完成抓取動作，抓緊到位后，移位電機通過同步帶帶動機械手移位到液壓沖切位，經過減速位置時，進行降速，氣動毛刷抹平板對袋套進行抹平。
3) 沖切成型在沖切位置，由霍爾式限位開關發(fā)送信號，PLC 停止機械手的移動，主壓板和廢料壓板在氣缸的驅動下壓緊待切袋，成型沖切刀在液壓增力氣缸驅動下完成袋耳沖切。
4) 廢料分離沖切完成后，主壓板和液壓沖刀復位，廢料壓板繼續(xù)保持作用，主壓板復位完成后，機械手夾持成品袋移位，完成成品和廢料的分離。
5) 折疊機械手移動到折袋位置時，上下折疊氣缸同時動作，夾持袋耳，機械手張開，放松夾持，前移一段設定的距離后，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，移動至換向位置后，返回，經過沖切轉盤時將廢料推入廢料回收箱，到達待機位置張開手爪，等待下一個工作循環(huán)。
正常生產狀態(tài)下，制袋機依次完成上述動作，不斷進行循環(huán)。為實現(xiàn)上述動作，制袋機系統(tǒng)配置了 5 只普通氣缸、1 只液壓增力氣缸、1 只氣動手爪。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; 氣動手爪用于對待加工包裝袋的加緊和放松。系統(tǒng)氣動原理如圖 1 所示。
圖 1 系統(tǒng)氣動原理圖
圖 1 系統(tǒng)氣動原理圖
為確保制袋機能夠高效可靠地運行，制袋機機械手控制系統(tǒng)需要具備以下功能: ① 手動運行功能，由操作員根據(jù)需要進行單步的手動運行操作; ② 自動運行功能，制袋機機構及機械手根據(jù)預先設定的工序自動連續(xù)運行; ③ 具備用戶權限設置功能，限制未授權人員對機械手的操作和對運行參數(shù)的修改; ④ 故障報警功能，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障或發(fā)生誤操作時，及時顯示報警信息，提醒操作員。
2 系統(tǒng)設計
制袋生產車間布置有數(shù)十臺制袋機組，每臺機組在 PLC 控制下單獨工作。根據(jù)廠方需求，系統(tǒng)采用單臺機組獨立控制的形式，每臺 PLC 控制一臺制袋機組，并配置人機界面，實現(xiàn)對控制單元的控制和工作狀態(tài)的實時顯示。系統(tǒng)設計考慮了日后設置生產車間監(jiān)控系統(tǒng)的需求，獨立控制單元可以通過加裝通訊模塊與監(jiān)控中心上位機聯(lián)網，實現(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
通過分析制袋機的工藝流程，可以歸納出，系統(tǒng)對信號的處理集中為數(shù)字量的處理和控制，估算系統(tǒng)需要處理的開關型輸入輸出量點數(shù)約為 30 余點。系統(tǒng)需要配置人機界面，需要占用一個 ＲS － 232 通訊口，考慮到以后聯(lián)網需求，PLC 主機單元應配置兩個以上的通訊口。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和系統(tǒng)控制信號的數(shù)量，選擇信捷 XC3 － 48Ｒ/E 型 PLC 作為控制主機，此機型配置 20 點繼電器輸出，28 點 NPN 輸入，帶有 2個通訊口，可以加裝 BD 通信擴展板實現(xiàn)聯(lián)網功能。根據(jù)系統(tǒng)對人機界面的功能要求，選擇 OP320A。此人機界面能與主控 PLC 實時通訊，顯示系統(tǒng)寄存器狀態(tài)和數(shù)值，具有豐富的功能鍵盤，和報警列表功能，實時顯示當前報警信息，并且具有很高的性價比。通過分析制袋機工藝流程，確定制袋機機械手控制系統(tǒng) I/O 分配表如表 1 所示。
表 1 制袋機機械手控制系統(tǒng) I/O 分配表
制袋機機械手控制系統(tǒng) I/O 分配表
2.2 PLC 控制程序設計
根據(jù)對制袋機機械手控制系統(tǒng)功能的分析，系統(tǒng)的動作為典型的步進動作，可以采用順序功能圖語言( SFC) 進行控制程序的設計。系統(tǒng)動作流程包括復位流程、手動控制流程和自動控制工作流程。
1) 復位流程
系統(tǒng)啟動時，操作者可通過人機界面 OP320A 的起動功能鍵或復位功能鍵對系統(tǒng)進行復位。復位過程中，機械手中速右移，至減速位置時張開機械手爪，到達待機位置停止，進入待機狀態(tài)。順序功能圖如圖 3左側 SFC 圖所示。
2) 手動控制流程
操作者將系統(tǒng)工作模式選擇到手動狀態(tài)時，可以通過 OP320A 功能鍵控制機械手工作臺的左右移動和機械手爪的張開。對應的手動控制順序功能圖如圖 3右側 SFC 圖所示。
復位與手動控制流程 SFC
圖 3 復位與手動控制流程 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、機械手工作臺左行、抹平擋板下降及復位、停機沖切、機械手工作臺左行、機械手折袋( 該功能為可選) 、機械手放料、機械手工作臺換向、高速右行、減速張開、沖切轉臺旋轉、成品袋傳送帶前移等動作。具體工作流程順序功能圖如圖 4 所示，其中右側為宏步的展開序列。系統(tǒng)順序功能圖編制完成后，可以很方便的轉換為控制梯形圖程序。
2.3 軟件界面軟件設計
系統(tǒng)的人機界面選用的是 OP320A，采用無錫信捷電氣公司的人機界面編輯軟件，進行人機界面的編程。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，設計了 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)設置界面和系統(tǒng)功能選擇界面如圖 6所示。
2.4 系統(tǒng)調試
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，首先進行了模擬調試，根據(jù)工藝要求，向控制 PLC 發(fā)送模擬動作信號，在上位機界面下觀察各個狀態(tài)的輸出動作。模擬調試正常后，進行了現(xiàn)場測試，期間發(fā)現(xiàn)了傳感器故障和錯誤操作導致的控制系統(tǒng)異常動作，通過控制程序的改進，解決了異常動作的問題，實現(xiàn)了預期控制功能。
圖 6 系統(tǒng)參數(shù)設置界面和功能選擇界面
圖 6 系統(tǒng)參數(shù)設置界面和功能選擇界面
3 結論
此塑料制袋機機械手系統(tǒng)消除了原機械設備效率低、定位精度低、自動化水平低、浪費材料、人工成本高等缺點。使控制系統(tǒng)結構簡單、功能適用、動作準確、可靠性高，在很大程度上提高了生產效率，降低了企業(yè)生產成本。經過近三個月的生產實踐驗證，此系統(tǒng)完全達到了預期性能指標，已應用于實際生產中，取得了很好的經濟效益。
