殷 紅 董海棠 汪 諍 祁文哲 彭珍瑞 李文生

(蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1，甘肅 蘭州 730070;蘭州金安新包裝有限公司2，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

紙紗復(fù)合包裝袋是采用紙紗復(fù)合制袋機(jī)技術(shù)生產(chǎn)的緯紗連續(xù)環(huán)繞無(wú)中縫的新型包裝袋。紙紗復(fù)合包裝袋既解決了傳統(tǒng)紙袋強(qiáng)度低、易破損等問(wèn)題，又解決了塑料袋廢棄后的“白色污染”問(wèn)題，屬于綠色包裝，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略［1］。近年來(lái)研制的紙紗制袋機(jī)，較好地解決了紙紗袋的生產(chǎn)和企業(yè)的效率問(wèn)題，但制袋機(jī)的自動(dòng)化、制袋精度和可靠性仍有待于進(jìn)一步提高。

本文根據(jù)新型環(huán)保紙紗復(fù)合制袋機(jī)的工藝要求和控制性能指標(biāo)，開(kāi)發(fā)了紙紗復(fù)合制袋機(jī)控制系統(tǒng)，以提高制袋機(jī)的自動(dòng)化水平、工作的穩(wěn)定性和可靠性，并盡可能地解決目前紙紗復(fù)合制袋機(jī)存在的經(jīng)緯紗密度不均勻、切刀動(dòng)作丟失、亂刀和切不斷等問(wèn)題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝要求

1.1 工藝流程

自動(dòng)紙紗復(fù)合制袋機(jī)主要由上紙機(jī)構(gòu)、折疊機(jī)構(gòu)、布紗機(jī)構(gòu)、上膠機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)、切斷機(jī)構(gòu)、擠壓定型機(jī)構(gòu)、報(bào)警機(jī)構(gòu)以及其他功能擴(kuò)展機(jī)構(gòu)(如印色、扎微孔等機(jī)構(gòu))組成［1］，其平面圖如圖1所示。

圖1 紙紗復(fù)合制袋機(jī)平面圖Fig.1 Plan figure of the bag-making compound machine

紙紗復(fù)合制袋機(jī)的工藝流程為:紙紗制袋機(jī)將來(lái)自牛皮紙卷的內(nèi)層紙折疊成矩形紙筒，并在袋長(zhǎng)牽引機(jī)構(gòu)的牽引下運(yùn)動(dòng);經(jīng)紗通過(guò)經(jīng)線布線架上的布線器，再通過(guò)上膠盒完成上膠和布線;然后將布好經(jīng)線的紙筒穿過(guò)緯線布線機(jī)構(gòu)的芯部，緯線機(jī)構(gòu)由2個(gè)盤形線架組成，2個(gè)盤形線架轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相反，把緯線纏繞在走過(guò)的紙筒圓周上，并經(jīng)外層紙折疊裝置折疊，使外層紙包裹在繞好線的紙筒上;通過(guò)5級(jí)擠壓定型輥使紙筒內(nèi)外層及經(jīng)緯線粘接在一起，在扎微孔機(jī)構(gòu)處使紙袋扎微孔完成放氣;最后由小芯胎折邊機(jī)構(gòu)將紙袋兩側(cè)折成M形;再通過(guò)定型機(jī)構(gòu)定型后，用切刀切成所需要的長(zhǎng)度并下線［2］。

1.2 工藝控制要求

通過(guò)研究定長(zhǎng)、定位剪切的控制方法以及紙袋線速度與袋長(zhǎng)、緯紗密度之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的制袋控制過(guò)程系統(tǒng)方案。該方案實(shí)現(xiàn)了紙紗復(fù)合制袋機(jī)的自動(dòng)化功能［3－6］。

該方案的主要控制參數(shù)具體設(shè)置如下。

①主要控制參數(shù)

袋速(主機(jī)速度):1～20 m/min;切袋長(zhǎng)度:600～1200 mm;切袋誤差:±3 mm;溫度范圍:20～85℃;溫度誤差:±3 K;緯紗密度:30根/100 mm～60根/100 mm。

②對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性要求

在連續(xù)制袋5萬(wàn)條的過(guò)程中，系統(tǒng)不應(yīng)出現(xiàn)死機(jī)、亂刀、失控等現(xiàn)象。

制袋機(jī)工作在1～20 m/min的袋速范圍內(nèi)，并在加速或減速過(guò)程中系統(tǒng)應(yīng)平穩(wěn)過(guò)渡，運(yùn)行可靠，且能確保紙袋加工誤差在±3 mm之內(nèi)。

通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明，目前的制袋機(jī)控制系統(tǒng)存在自動(dòng)化程度低、電器故障率高、整機(jī)系統(tǒng)可靠性低和穩(wěn)定性欠佳等問(wèn)題。因此，保證定長(zhǎng)、定位和裁切的準(zhǔn)確性是控制系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structural block diagram of the control system

2 紙紗復(fù)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)開(kāi)發(fā)委托單位提出的“突出控制的可靠性、穩(wěn)定性”要求，實(shí)施控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選型。在單片機(jī)、工控機(jī)和PLC等控制器中，選用便于與接觸器等傳統(tǒng)元器件集成、性價(jià)比較高的PLC為控制核心。基于觸摸屏技術(shù)的制袋機(jī)控制系統(tǒng)，可以更好地滿足生產(chǎn)要求、提高生產(chǎn)效率。

人機(jī)界面(HMI)是操作人員和機(jī)器設(shè)備之間進(jìn)行雙向溝通的橋梁，用戶可以通過(guò)HMI多功能顯示屏幕，組合文字、按鈕、圖形和數(shù)字等來(lái)處理或監(jiān)管實(shí)時(shí)變化的信息。

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

紙紗復(fù)合制袋機(jī)以PLC為控制中心，通過(guò)工業(yè)觸摸屏向PLC發(fā)送操作指令并顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，采用變頻器對(duì)袋長(zhǎng)牽引電機(jī)和緯紗電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制［7］。

在紙袋牽引傳動(dòng)鏈系統(tǒng)中，設(shè)置有編碼器，從而對(duì)實(shí)際的袋速進(jìn)行測(cè)量;采用色標(biāo)傳感器檢測(cè)有色袋的切斷標(biāo)志，觸摸屏將溫度、壓輥壓力等信息傳輸給PLC，由PLC進(jìn)行反饋控制。此外，系統(tǒng)還能檢測(cè)各子系統(tǒng)故障現(xiàn)象，并將具體的故障信息送往觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面的選型綜合考慮了產(chǎn)品品牌、處理器的速度、內(nèi)存大小、屏的尺寸、顯示方式、接口類型、顯示分辨率、可靠性、穩(wěn)定性、使用壽命和價(jià)格等因素，以及工程的現(xiàn)場(chǎng)條件和控制要求，最后選用基于12.1英寸(1英寸=25.4 mm)TFT液晶顯示屏的TPC1262H嵌入式一體化工控機(jī)。該一體化工控機(jī)還預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件(運(yùn)行版)［8］。

人機(jī)界面的主要功能是用觸摸屏控制下位機(jī)(PLC)，以達(dá)到控制機(jī)器各部件的目的。其控制量有現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備(如電機(jī)等)的開(kāi)閉、牽引速度和緯紗密度(即控制主機(jī)變頻器和緯紗變頻器，以實(shí)現(xiàn)速度變化)以及上下膠槽溫度等。顯示對(duì)象有上下膠槽溫度、袋速、緯紗密度、切袋計(jì)數(shù)和旋編脈沖等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和機(jī)器動(dòng)畫的動(dòng)態(tài)顯示，可實(shí)時(shí)監(jiān)控各種變量的變化?？刂葡到y(tǒng)主要由開(kāi)始畫面、系統(tǒng)監(jiān)控、操作畫面和報(bào)警畫面等組成。通過(guò)組態(tài)形成的控制系統(tǒng)畫面，可使工作人員通過(guò)觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入、啟動(dòng)或停止整個(gè)機(jī)器，以及監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)和系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀況。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)紙紗復(fù)合制袋機(jī)主要由5個(gè)控制子系統(tǒng)組成，即袋長(zhǎng)牽引子系統(tǒng)、切刀子系統(tǒng)、緯紗繞線子系統(tǒng)、溫度控制子系統(tǒng)和壓輥控制子系統(tǒng)。其中，袋長(zhǎng)牽引子系統(tǒng)是確保控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作的關(guān)鍵，本文將對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)介紹，并簡(jiǎn)要說(shuō)明其他子系統(tǒng)。

2.3.1 PLC 的選型

根據(jù)工廠生產(chǎn)工藝流程、生產(chǎn)過(guò)程特點(diǎn)及I/O點(diǎn)數(shù)規(guī)模等需求，結(jié)合工廠現(xiàn)有設(shè)備和控制要求，選用歐姆龍繼電器輸出型的CP1H-XA40DR-A作為本系統(tǒng)的PLC。它集成了24點(diǎn)輸入、16點(diǎn)輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，并內(nèi)置4點(diǎn)模擬量輸入、2點(diǎn)模擬量輸出。CP1H-XA40DR-A是具有較強(qiáng)控制能力的控制器［9］，它共有4個(gè)獨(dú)立的100 kHz高速計(jì)數(shù)器、2路獨(dú)立的100 kHz高速脈沖輸出、2個(gè)RS-485/RS-232C通信/編程口。

2.3.2 袋長(zhǎng)牽引子系統(tǒng)

袋長(zhǎng)牽引子系統(tǒng)由變頻器對(duì)主機(jī)(牽引電機(jī))速度進(jìn)行控制，它是解決袋長(zhǎng)精度的關(guān)鍵。編碼器檢測(cè)走袋速度并送入PLC，PLC控制變頻器，進(jìn)而控制電機(jī)速度。對(duì)未印刷的紙袋，PLC根據(jù)人機(jī)界面觸摸屏傳送的袋長(zhǎng)指令計(jì)算切刀周期;對(duì)印刷有色標(biāo)的紙袋，其切刀周期直接由色標(biāo)確定。

① 變頻器的選型［10］

為實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)整和運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定，本系統(tǒng)采用2臺(tái)變頻器分別對(duì)牽引電機(jī)和緯紗繞線電機(jī)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)控制。變頻器的容量選定過(guò)程實(shí)際上是變頻器與電機(jī)的最佳匹配過(guò)程，最常見(jiàn)也較安全的選擇依據(jù)是使變頻器的容量大于或等于電機(jī)的額定功率。本系統(tǒng)選用歐姆龍3G3MV型變頻器，輸入為380 V三相交流電源、輸出功率為3 kW、額定電流為6.8 A。在變頻調(diào)速的幾種控制方式中，PWM模式的V/F變頻器控制相對(duì)簡(jiǎn)單，機(jī)械特性硬度也相對(duì)較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求。因此，系統(tǒng)采用PWM-V/F變頻器方式。

②色標(biāo)傳感器的選型

色標(biāo)傳感器的選擇主要考慮傳感器的截面形狀、截面面積、檢測(cè)距離、開(kāi)關(guān)頻率、光斑大小、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性和自學(xué)習(xí)能力等指標(biāo)。由于本系統(tǒng)中色標(biāo)傳感器用于控制切刀的動(dòng)作，故選擇的傳感器必須滿足響應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)定性好以及自學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的要求。所以，本系統(tǒng)選擇SICK KT1M-P1色標(biāo)傳感器。

③旋轉(zhuǎn)編碼器的選型

在本系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)編碼器的作用是實(shí)時(shí)采集袋長(zhǎng)牽引過(guò)程中的紙袋長(zhǎng)度，為此，選用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器?？紤]到系統(tǒng)對(duì)紙袋的精度要求較高，本系統(tǒng)選用DRS60旋轉(zhuǎn)編碼器。為提高袋長(zhǎng)精度，每次切袋后編碼器都需清零。

2.3.3 切刀子系統(tǒng)

PLC產(chǎn)生切刀信號(hào)控制切刀電磁閥，進(jìn)而控制切刀?？刂频年P(guān)鍵在于提刀時(shí)間。提刀時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)造成紙袋堆積，容易產(chǎn)生斜角;提刀時(shí)間太短，則切不斷紙袋，容易產(chǎn)生廢品。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，確定本系統(tǒng)的切刀時(shí)間為5～10 ms，以適應(yīng)不同的袋長(zhǎng)和袋速。

2.3.4 緯紗繞線子系統(tǒng)

緯紗繞線子系統(tǒng)采用變頻器聯(lián)動(dòng)調(diào)速。根據(jù)主機(jī)線速度(袋速)、主機(jī)傳動(dòng)比、牽引輥直徑、緯紗傳動(dòng)比和緯紗盤定子數(shù)等參數(shù)，由PLC程序自動(dòng)計(jì)算出緯紗電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而確保整機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行以及緯紗密度的精確穩(wěn)定。

2.3.5 溫控子系統(tǒng)

溫控子系統(tǒng)用來(lái)控制上下膠槽溫度，以便能夠讓經(jīng)緯紗可靠地粘合在上下層牛皮紙上。本系統(tǒng)溫控范圍為20～85℃，控制精度保持在±3 K。系統(tǒng)控制對(duì)精度要求不高，但要求穩(wěn)定。所以選用性價(jià)比較高的Pt100溫度傳感器，再經(jīng)由溫度變送器送入PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。

2.3.6 壓輥控制子系統(tǒng)

壓輥控制子系統(tǒng)對(duì)各個(gè)壓輥進(jìn)行加壓和減壓操作。當(dāng)壓力達(dá)到一定值后，通過(guò)PLC控制電磁閥的斷電和通電。

系統(tǒng)控制流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖Fig.3 Flowchart of system control

3 應(yīng)用情況

本文設(shè)計(jì)的整機(jī)系統(tǒng)一直在蘭州金安新包裝有限公司進(jìn)行試生產(chǎn)。該自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)紙紗復(fù)合制袋機(jī)生產(chǎn)過(guò)程的上紙、布紗、上膠、控溫、折邊、翻邊、扎孔、剪切、復(fù)合、折邊、切袋計(jì)數(shù)和輸送等各個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化。主機(jī)速度(袋速)在1～20 m/min范圍內(nèi)能夠確保系統(tǒng)在加速、減速過(guò)程中穩(wěn)定可靠。剪切袋長(zhǎng)在600～1200 mm范圍內(nèi)設(shè)定生產(chǎn)時(shí)，切袋誤差不超過(guò)±3 mm。觸摸屏人機(jī)界面操作簡(jiǎn)單，可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的工作狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生小芯胎錯(cuò)位等嚴(yán)重故障時(shí)，觸摸屏能實(shí)時(shí)顯示其故障，同時(shí)控制系統(tǒng)能夠緊急停止主機(jī)、緯機(jī)，既不浪費(fèi)紙張，又保證設(shè)備和人身安全。

與原有的控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性都有大幅度的提高，迄今已生產(chǎn)15萬(wàn)條紙袋(驗(yàn)收指標(biāo)為5萬(wàn)條紙袋)，氣動(dòng)切刀工作正常，未出現(xiàn)不切、亂切、切不斷、失控等情況，整機(jī)系統(tǒng)也未出現(xiàn)其他故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有紙紗復(fù)合制袋機(jī)的精度和自動(dòng)化程度等問(wèn)題，在分析制袋工藝和加工過(guò)程的基礎(chǔ)上，對(duì)制袋機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)，研究并開(kāi)發(fā)了基于PLC的綠色環(huán)保型紙紗復(fù)合制袋機(jī)的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)綜合運(yùn)用人機(jī)界面組態(tài)軟件、觸摸屏、PLC、變頻器、編碼器和色標(biāo)傳感器等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了主電機(jī)和緯紗電機(jī)速度的匹配調(diào)節(jié)和平滑過(guò)渡，自動(dòng)化程度和可靠性得到了明顯提高，廢品率大大降低;從而提高了紙袋的加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量，提升了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，滿足了不同層次客戶的需求。

此外，由于采用以PLC為核心的控制，故控制系統(tǒng)具備體積小、可靠性高、性價(jià)比高等顯著優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝流程，該控制系統(tǒng)可以在不改變硬件接線或?qū)τ布泳€略作改動(dòng)的情況下，通過(guò)適當(dāng)修改程序來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶的需求;同時(shí)，還預(yù)留了一定的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，使得系統(tǒng)的柔性大大提高。

［1］劉麗榮.基于PLC的全自動(dòng)紙紗復(fù)合制袋機(jī)生產(chǎn)線的研究與開(kāi)發(fā)［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2008.

［2］羅生梅.基于PLC的紙紗制袋機(jī)裁切的協(xié)調(diào)控制［J］.中國(guó)包裝，2007(3):65 －67.

［3］韓凌，陸榮鑑.制袋機(jī)的檢測(cè)與控制技術(shù)發(fā)展概述［J］.包裝工程，2010，31(11):135 －139.

［4］李玉軍，王明渝，劉述喜.基于組態(tài)王和PLC的主變壓器冷卻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2007，28(8):42 －44.

［5］趙顯紅，張曉紅.觸摸屏與PLC在捻線機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化儀表，2008，29(7):66 －68.

［6］胡佳麗，閆寶瑞，張安震，等.S7-200 PLC在伺服電機(jī)位置控制中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化儀表，2009，30(12):38 －41.

［7］呂品.PLC和觸摸屏組合控制系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化儀表，2010，31(8):45 －51.

［8］朱文勝.PLC結(jié)合MCGS組態(tài)軟件在稱重包裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用［J］.機(jī)床電器，2010(1):34－36.

［9］王冬青，譚春.歐姆龍CP1H原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［10］李方園.變頻器自動(dòng)化工程實(shí)踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.