徐春霞，葛躍田，王相軍，張龍音，劉　勝

(1.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程系，新疆 獨(dú)山子 833699；2.新疆獨(dú)山子石化公司 乙烯廠，新疆 獨(dú)山子 833699)

PLC控制在PVC產(chǎn)品包裝線中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

徐春霞1，葛躍田1，王相軍2，張龍音1，劉勝1

(1.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程系，新疆 獨(dú)山子 833699；2.新疆獨(dú)山子石化公司 乙烯廠，新疆 獨(dú)山子 833699)

摘要：某化工廠PVC產(chǎn)品包裝線控制系統(tǒng)技術(shù)陳舊，已無(wú)法滿足供應(yīng)需求，針對(duì)上述問題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程概況進(jìn)行了系統(tǒng)組成及功能設(shè)計(jì)，通過可編程控制器(PLC)對(duì)該產(chǎn)品包裝線的核心環(huán)節(jié)(裝料和封裝)進(jìn)行控制，并工程化實(shí)施。實(shí)踐表明新方案能夠滿足運(yùn)行系統(tǒng)高效和可靠的要求。

關(guān)鍵詞：可編程控制器；控制系統(tǒng)；包裝線

聚氯乙烯(polyvinyl chloride polymer，簡(jiǎn)稱PVC)是由氯乙烯(vinyl chloride)在引發(fā)劑作用下聚合而成的熱塑性樹脂。PVC為無(wú)定形結(jié)構(gòu)的白色粉末，支化度較小，經(jīng)過改性混配和添加相關(guān)助劑后，用途十分廣泛，是生產(chǎn)板材、管材、門窗、電線外皮、包裝盒和玩具等的原材料。面對(duì)日益增大的產(chǎn)品需求市場(chǎng)，獨(dú)山子某化工車間的4條PVC產(chǎn)品包裝線已經(jīng)無(wú)法滿足料袋的日入庫(kù)需求量。2012年底聚氯乙烯原料擴(kuò)產(chǎn)后，2013年初對(duì)該產(chǎn)品包裝線的核心環(huán)節(jié)(裝料和封裝)進(jìn)行了技術(shù)改造， 使用可編程控制器(PLC)對(duì)物料標(biāo)準(zhǔn)稱重，對(duì)料袋包裝進(jìn)行控制，并在進(jìn)料倉(cāng)前端配套了除塵裝置。

1系統(tǒng)組成及功能設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要包括下述5個(gè)模塊：進(jìn)料倉(cāng)、裝料臺(tái)、包裝機(jī)、可編程控制器(PLC)和傳感器，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)模塊圖

1.2功能設(shè)計(jì)

1.2.1進(jìn)料倉(cāng)

進(jìn)料倉(cāng)前端安裝除塵系統(tǒng)，除塵裝置包括除塵風(fēng)機(jī)、料倉(cāng)除塵閥、除塵器卸灰閥和除塵器輸灰機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　除塵裝置結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)的工作順序是除塵器輸灰機(jī)、除塵器灰斗卸灰閥和料倉(cāng)除塵閥依次起動(dòng)，停止時(shí)按逆序停止。

1.2.2裝料臺(tái)

裝料臺(tái)集成伺服電動(dòng)機(jī)型電子秤，結(jié)構(gòu)包括儲(chǔ)料斗、流量插板、弧形門、稱重料斗和過度料斗，如圖3中①所示，其功能是完成物料的標(biāo)準(zhǔn)稱重。

圖3　裝料和封裝模塊圖

1.2.3包裝機(jī)

包裝機(jī)工作臺(tái)主要包含4個(gè)環(huán)節(jié)：取送袋，抓袋，裝袋，夾口、立袋和折邊封口，工作流程如圖3中②所示。功能分析如下：1)取送袋環(huán)節(jié)包括供袋盤、取袋器、送袋器和斜板，完成從供應(yīng)盤上取料袋并送到斜板上吸住定位；2)抓袋環(huán)節(jié)包括抓袋器和舉袋器，完成將定位正確的料袋送到臺(tái)車取袋位置；3)裝袋環(huán)節(jié)包括橫進(jìn)小車和抱夾機(jī)構(gòu)等，橫進(jìn)小車配合抱夾機(jī)構(gòu)完成從臺(tái)車的取袋位前往臺(tái)車送袋位送袋的過程，并向夾口整形輸送機(jī)及立袋輸送機(jī)傳輸料袋；4)夾口、立袋和折邊封口環(huán)節(jié)包括立袋輸送機(jī)、夾口整形機(jī)、縫紉機(jī)和倒袋輸送機(jī)，完成料袋整形、折邊、封口和倒袋后送到流水線的工作。

2控制方案

2.1PLC選型

本系統(tǒng)的裝料和封裝系統(tǒng)選用SIMATIC S7-200系列產(chǎn)品，該系列是SIEMENS公司推出的一種小型PLC，是各種小型控制工程的理想選擇。

2.1.1硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇S7-200 系列的CPU226(AC/DC/繼電器)作為控制器，其能夠滿足較復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)，并有較強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力。CPU 226集成24輸入/16 輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，有2個(gè)RS-485 接口，采用交流電源220 V供電(85 ～264 VAC，47～63 Hz)，繼電器輸出(24 VDC 或250 VAC)[1]。擴(kuò)展了1塊八輸入的EM231模擬量輸入模塊，模擬輸入端口采集光電傳感器及壓力傳感器返回的位置和壓力信號(hào)，數(shù)字輸入端口采集接近開關(guān)傳回的開關(guān)信號(hào)，并且使用1臺(tái)西門子TD400C文本顯示器進(jìn)行設(shè)備實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測(cè)。TD400C采用4行中文文本顯示，通過高速PPI與S7-200PLC通信，速率可達(dá)187.5 kb/s，是S7-200專用的文本顯示器，可以用于查看、監(jiān)控和修改S7-200用戶程序中的過程變量，由S7-200CPU的DC24 V電源通過TD/CPU電纜進(jìn)行供電。系統(tǒng)硬件組件見表1。

表1　系統(tǒng)硬件組件

系統(tǒng)數(shù)字輸入量和輸出量控制信號(hào)的地址分配方式見表2和表3。

表2　數(shù)字量I/O地址分配表

表3　擴(kuò)展模塊地址表

2.1.2軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的PLC軟件編程采用 STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP3，STEP7是SIMATIC可編程邏輯控制器的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。PLC的控制內(nèi)容包括裝料臺(tái)和包裝機(jī)2個(gè)部分，主要控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，其主程序流程如圖4所示。

圖4　主程序流程圖

1)裝料臺(tái)。裝料臺(tái)工作流程如圖4a所示。起動(dòng)電子秤，稱重表頭對(duì)稱重料斗進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，并通過磁感應(yīng)接近開關(guān)檢測(cè)稱重料斗卸料門處于回位(關(guān)閉)狀態(tài)后，物料通過管線進(jìn)入儲(chǔ)料斗，再通過進(jìn)料調(diào)節(jié)器進(jìn)入進(jìn)料控制器內(nèi)。PLC控制伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)料控制器的弧形門，當(dāng)雙門全開則進(jìn)行粗投料；當(dāng)粗投料時(shí)間到達(dá)則雙門減小開度；當(dāng)雙門關(guān)到一定位置電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)則開始精投料；達(dá)到設(shè)定質(zhì)量時(shí)則伺服電動(dòng)機(jī)關(guān)畢弧形門，計(jì)量稱重結(jié)束。當(dāng)稱重結(jié)束后，稱重料斗卸料門打開，將物料排入過度料斗，完成一個(gè)稱重循環(huán)。

2)包裝機(jī)。取送袋及抓袋流程執(zhí)行過程如圖4b所示，裝袋、封口流程執(zhí)行過程如圖4c所示。

a.取送袋。

供袋盤采用A(B)雙盤冗余設(shè)計(jì)來(lái)提高設(shè)備可靠性，通過光電檢測(cè)開關(guān)檢測(cè)其是否正確到位工作位置。當(dāng)A(B)供袋盤處于工作位置并且取袋氣缸處于回位，取袋電磁閥驅(qū)動(dòng)取袋氣缸動(dòng)作，同時(shí)取袋真空閥導(dǎo)通，取袋電磁閥復(fù)位，取袋氣缸縮回，取袋吸盤將料袋吸起。送袋電磁閥驅(qū)動(dòng)送袋氣缸動(dòng)作，將料袋送到供袋滾與壓輪之間，并且送袋氣缸復(fù)位，供袋滾將料袋送到斜板上，通過斜板的上、下位光電開關(guān)檢測(cè)料袋到位后，斜板真空閥導(dǎo)通，將料袋吸住定位。

b.抓袋。料袋在斜板上定位后，抓袋電磁閥驅(qū)動(dòng)抓袋氣缸伸出，斜板真空釋放，抓袋電磁閥復(fù)位，抓袋回位后舉袋氣缸將料袋舉起，同時(shí)臺(tái)車取袋位置信號(hào)亮。

c.裝袋。橫進(jìn)小車伺服電動(dòng)機(jī)初始化。2)當(dāng)縮袋氣缸復(fù)位且抓袋氣缸回位時(shí)，抱夾關(guān)電磁閥動(dòng)作，同時(shí)抱夾氣缸驅(qū)動(dòng)抱夾閉合夾住屬于臺(tái)車取袋位的料袋。夾袋開位磁感應(yīng)接近開關(guān)檢測(cè)到信號(hào)后，夾袋氣缸復(fù)位，同時(shí)開袋真空電磁閥導(dǎo)通，使得開袋吸盤吸住屬于臺(tái)車的取袋位的料袋；然后夾袋電磁閥復(fù)位，夾緊氣缸復(fù)位。橫進(jìn)小車從臺(tái)車的取袋位起動(dòng)，向臺(tái)車送袋位送袋。橫進(jìn)小車到達(dá)臺(tái)車送袋位后，夾袋電磁閥驅(qū)動(dòng)夾袋氣缸動(dòng)作夾住料袋，正壓檢測(cè)電磁閥導(dǎo)通，正壓密封測(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)，在有信號(hào)的情況下，縮袋電磁閥驅(qū)動(dòng)縮袋氣缸縮袋動(dòng)作，同時(shí)抱夾開電磁閥動(dòng)作，抱夾氣缸驅(qū)動(dòng)抱夾，開袋吸盤器打開，放料門打開，同時(shí)向電子秤環(huán)節(jié)輸出允許卸料信號(hào)，卸料結(jié)束后，橫進(jìn)小車將處于臺(tái)車送袋位的料袋向夾口整形輸送機(jī)及立袋輸送機(jī)傳輸。

當(dāng)抱夾機(jī)構(gòu)開至開位時(shí)，開袋真空電磁閥斷開，同時(shí)橫進(jìn)小車起動(dòng)，向臺(tái)車取袋位運(yùn)行，同時(shí)夾口整形氣缸閉合，橫進(jìn)小車運(yùn)行至臺(tái)車取袋位后，完成一個(gè)工作循環(huán)。

d.夾口、立袋和折邊封口。料袋被送到立袋輸送機(jī)后，隨著立袋輸送機(jī)和夾口整形機(jī)向折邊機(jī)輸送，袋口經(jīng)過折邊機(jī)折邊后送到縫紉機(jī)，縫紉機(jī)起動(dòng)封口，當(dāng)料袋完全通過出口光電開關(guān)后，縫紉機(jī)停止，同時(shí)切口動(dòng)作，將縫紉機(jī)線剪斷，然后料袋被送往流水線。

2.2傳感器選型

2.2.1光電開關(guān)

該系統(tǒng)供袋盤到位、料袋到位、臺(tái)車取袋位、料袋出入口檢測(cè)都用到光電開關(guān)，系統(tǒng)選用OMRON(歐姆龍)系列的槽型光電傳感器EE-SX670，檢測(cè)距離為5 mm(凹槽寬度)；電源電壓為5～24 V(±10%，DC)；輸出電壓為5～24 V (DC，< 100 mA)；環(huán)境溫度為-25～+55 ℃。

2.2.2磁感應(yīng)接近開關(guān)

稱重料斗卸料門回位、夾袋開位、放料門開位和取袋回位的狀態(tài)量檢測(cè)需要磁感應(yīng)接近開關(guān)，系統(tǒng)選用CAMOZZI的CSB系列磁性接近開關(guān)CSB-220(簧片式)，該系列磁性接近開關(guān)可以指示磁傳氣缸的活塞位置。當(dāng)磁性接近開關(guān)內(nèi)部的觸點(diǎn)被氣缸活塞磁鐵形成的磁場(chǎng)所激勵(lì)時(shí)，磁性接近開關(guān)便組成一個(gè)電路并且輸出電信號(hào)傳送給PLC，同時(shí)黃色的發(fā)光二極管(LED)點(diǎn)亮。

工作參數(shù)為電源電壓3～110 V(AC/DC)，安裝方式為直接安裝于氣缸凹槽內(nèi)，工作電流為3～50 mA，動(dòng)作時(shí)間<1 ms，環(huán)境溫度為-10～60 ℃。

2.2.3正壓密封測(cè)試儀及壓力傳感器

本系統(tǒng)采用正壓密封測(cè)試儀ZY-30來(lái)測(cè)定包裝容器密封性能，進(jìn)行料袋的正壓檢測(cè)。測(cè)試儀的參數(shù)如下：測(cè)量范圍為0.1～15 bar(1 bar=0.1 MPa)；

恒壓精度為±0.1%；計(jì)時(shí)精度<0.01%；設(shè)備凈重25 kg 。壓力傳感器系統(tǒng)選用HM20通用型壓力傳感器，測(cè)量范圍為0～100 MPa，電源電壓為+24 VDC，輸出電流為4～20 mA，工作溫度為-40～85 ℃。

3結(jié)語(yǔ)

該化工車間的4條聚氯乙烯產(chǎn)品包裝線根據(jù)上述設(shè)計(jì)改造，2013年6月工程全部實(shí)施完畢，經(jīng)過近一年多的運(yùn)行測(cè)試，系統(tǒng)表現(xiàn)正常。該流水線進(jìn)行自動(dòng)化控制后，操作簡(jiǎn)單，大量減少了操作人員工作量，也減輕了電氣維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，保障了生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

責(zé)任編輯李思文

Design and Application of PLC Control in PVC Products in the Packaging Line

XU Chunxia1，GE Yuetian1，WANG Xiangjun2，ZHANG Longyin1，LIU Sheng1

(1. Electronic & Electrical Engineering Department，Karamay Vocational & Technical College , Dushanzi 833699,China;2. Dushanzi Petrochemical Corp of Xinjiang Ethylene Electrical Workshop，Dushanzi 833699, China)

Abstract:A chemical plant PVC product packaging line control system is with old technology, which can not meet the supply demand. Aimed at this phenomenon, and based on the engineering analysis of the general situation of the system composition, by using the PLC core areas on the product packaging line loading, encapsulation process was designed and applied with the implementation of the project. The practice showed that the implementation of the new scheme can meet the system requirements of the high efficiency and the running reliability.

Key words:PLC, control system, packaging line

收稿日期：2014-05-12

作者簡(jiǎn)介：徐春霞(1975-)，女，工學(xué)碩士，副教授，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化、電氣控制，智能電網(wǎng)和IEC61850數(shù)字化變電站等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TM 762

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B