劉路明，鄒鵬達(dá)

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，溫州 325000）

0 引言

食品工業(yè)是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)之一，歷經(jīng)幾十年，在食品機(jī)械行業(yè)的發(fā)展推動(dòng)下，自動(dòng)化水平逐漸提高，一些自動(dòng)化單機(jī)設(shè)備層出不窮，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)也開(kāi)始大量引進(jìn)自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)[1～5]。我國(guó)包裝機(jī)械企業(yè)大多以生產(chǎn)單機(jī)為主，且行業(yè)集中度較低，未來(lái)產(chǎn)業(yè)鏈整合，向成套的智能包裝生產(chǎn)線發(fā)展將成為未來(lái)大趨勢(shì)。PLC作為自動(dòng)化領(lǐng)域最常見(jiàn)的控制器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于包裝機(jī)械里各個(gè)方面[6～11]。

本文以威化餅干包裝為例，對(duì)威化餅干包裝流程進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)滿足要求的自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線。采用歐姆龍PLC設(shè)計(jì)了食品包裝生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)表明：威化餅干包裝自動(dòng)化生產(chǎn)線獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的市場(chǎng)前景，值得應(yīng)用推廣。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

1.1 生產(chǎn)線的構(gòu)成

自動(dòng)生產(chǎn)線由整列單元、金檢單元、下沉單元、接料單元、理料單元、包裝單元和儲(chǔ)存單元組成，除包裝單元，其他單元都有總控單元集中控制，總控單元與包裝單元之間有信號(hào)交換過(guò)程如圖1所示。

自動(dòng)生產(chǎn)線輸送控制系統(tǒng)的工作原理：該系統(tǒng)為餅干包裝生產(chǎn)線前端理料線，其為2臺(tái)臥式包裝機(jī)分配產(chǎn)品功能包括輸送和整理產(chǎn)品，如圖2所示。餅干一排排由前端通過(guò)傳送帶輸送過(guò)來(lái)，通過(guò)整列單元，把每一排的產(chǎn)品檔齊；檔齊裝置由旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)，當(dāng)前面的對(duì)射式光電開(kāi)光檢測(cè)到產(chǎn)品到達(dá)的時(shí)候，旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)檔片對(duì)整排產(chǎn)品進(jìn)行整列的作用，之后產(chǎn)品基本整齊。接著進(jìn)入金檢單元，若檢測(cè)到產(chǎn)品里有金屬物質(zhì)，則剔除該整排產(chǎn)品。之后產(chǎn)品繼續(xù)由傳送帶驅(qū)動(dòng)，到達(dá)下沉單元部分，當(dāng)對(duì)射傳感器PE1檢測(cè)到產(chǎn)品時(shí)，PLC開(kāi)始計(jì)算這排產(chǎn)品的距離，當(dāng)這排產(chǎn)品輸送到該段皮帶前端一定距離處，下沉單元開(kāi)始下沉，這時(shí)產(chǎn)品落入接料單元。接料單元位于下沉單元下部。運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M向輸送，產(chǎn)品在接料單元上橫向輸送給包裝機(jī)。由于產(chǎn)品在接料單元上排列為長(zhǎng)邊朝前，而臥式包裝機(jī)需要產(chǎn)品短邊進(jìn)入進(jìn)行包裝，這時(shí)候就需要整理單元對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行方向的調(diào)整。整理單元包括兩條并列的皮帶、輸送皮帶和導(dǎo)向皮帶。兩條并列的皮帶有速度差，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)的時(shí)候在速度差的作用下回發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后進(jìn)入輸送皮帶，再由導(dǎo)向皮帶把產(chǎn)品一條條短邊朝前導(dǎo)向到包裝機(jī)的進(jìn)料系統(tǒng)里由包裝機(jī)進(jìn)行包裝過(guò)程。通過(guò)1#下沉單元等給1#包裝機(jī)分配產(chǎn)品之后，后續(xù)的整排的產(chǎn)品繼續(xù)向前輸送進(jìn)入2#下沉單元，運(yùn)行過(guò)程如同1#下沉單元。餅干包裝生產(chǎn)線系統(tǒng)的配置根據(jù)前端產(chǎn)品的產(chǎn)量，配置包裝機(jī)的數(shù)量，使得產(chǎn)量和包裝機(jī)的處理能力相匹配。為了使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，我們配置了儲(chǔ)存單元，由于包裝機(jī)會(huì)出現(xiàn)故障停機(jī)，或者其他問(wèn)題，這時(shí)候輸送帶上的產(chǎn)品就處理不完，這時(shí)候多余的產(chǎn)品會(huì)儲(chǔ)存到儲(chǔ)存單元上。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 系統(tǒng)布局圖

1.2 輸送系統(tǒng)特點(diǎn)

輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵是下沉單元的控制。它包括產(chǎn)品檢測(cè)傳感器由對(duì)射式光電傳感器構(gòu)成，可檢測(cè)到傳送帶上的產(chǎn)品，以及傳送帶上安裝有增量式編碼器，用于計(jì)算產(chǎn)品由光電傳感器位置運(yùn)行的距離，到達(dá)計(jì)算距離位置，下沉單元開(kāi)始下沉，之后上臺(tái)。該下沉單元驅(qū)動(dòng)包括兩個(gè)變頻電機(jī)如圖3所示，一是水平皮帶運(yùn)行電機(jī)，另一個(gè)可正反轉(zhuǎn)，由凸輪帶動(dòng)，驅(qū)動(dòng)皮帶機(jī)構(gòu)下沉和上臺(tái)過(guò)程。如圖4(a)、(b)、(c)所示，水平變頻電機(jī)帶動(dòng)皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)品在皮帶上移動(dòng)，當(dāng)運(yùn)行到光電傳感器的地方，此時(shí)傳感器檢測(cè)到產(chǎn)品，說(shuō)明此處有產(chǎn)品，這時(shí)候控制器采集安裝在水平電機(jī)軸端的增量式編碼器信號(hào)，開(kāi)始計(jì)算產(chǎn)品運(yùn)行的距離。為了保證產(chǎn)品能穩(wěn)定的落在接料單元上，必須嚴(yán)格計(jì)算產(chǎn)品下料位置到達(dá)之后，控制下沉的電機(jī)正轉(zhuǎn)開(kāi)始下沉，之后反轉(zhuǎn)開(kāi)始上臺(tái)。圖5為下沉變頻電機(jī)接線圖，變頻器采用ABB的一款變頻器，具有模擬量控制功能，PLC通過(guò)模擬量輸出模塊輸出模擬量信號(hào)給變頻器，接于2、3兩個(gè)端口。變頻器端口7、8可控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程的正、反轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)機(jī)構(gòu)下沉和上臺(tái)過(guò)程。

圖3 下沉單元控制原理

圖4 下沉單元

圖5 下沉單元

2 程序設(shè)計(jì)與運(yùn)行

2.1 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)是整個(gè)PLC 控制系統(tǒng)的核心部分[12,13]，根據(jù)餅干包裝自動(dòng)生產(chǎn)線的工作過(guò)程和工藝要求，確定系統(tǒng)的控制方式和控制參數(shù)，按工藝過(guò)程完成相應(yīng)動(dòng)作。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性還需要增加必要的保護(hù)、連鎖和互鎖功能。

該控制系統(tǒng)采用模塊化編程[14,15]，工作流程如圖6所示。流程分析如下：

1）系統(tǒng)上電后，開(kāi)始模式的選擇，手動(dòng)模式下，我們可以對(duì)各段皮帶進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，方便對(duì)其進(jìn)行檢修?？蓪?duì)各個(gè)氣缸進(jìn)行操作。自動(dòng)運(yùn)行選擇自動(dòng)模式。

2）采用自動(dòng)運(yùn)行之后整列單元、金檢單元、1#、2#下沉單元、接料/整理單元以及儲(chǔ)存單元在PLC總控單元的控制下進(jìn)行集中控制。

3）該系統(tǒng)包括2個(gè)包裝機(jī)，1#下沉單元和2#下沉單元分別為1#包裝機(jī)和2#包裝機(jī)提分配產(chǎn)品。以1#下沉單元為例，當(dāng)PLC讀取到安裝于傳送帶上的傳感器的信號(hào)，此時(shí)歐姆龍高速計(jì)數(shù)模塊CJ1W-CT021開(kāi)始讀取旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖，PLC計(jì)數(shù)產(chǎn)品走過(guò)的距離。當(dāng)產(chǎn)品到達(dá)距皮帶頂端300MM處，下沉變頻電機(jī)開(kāi)始下沉動(dòng)作，產(chǎn)品落入接料單元，之后下沉變頻電機(jī)開(kāi)始上臺(tái)。按工藝要求，若包裝機(jī)故障或者接料單元上有產(chǎn)品時(shí)，下沉單元不可動(dòng)作，否則產(chǎn)品堆積，嚴(yán)重影響生產(chǎn)線的運(yùn)行。

4）為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該系統(tǒng)配置了儲(chǔ)存單位，由于生產(chǎn)線來(lái)的產(chǎn)品大致穩(wěn)定，若包裝機(jī)偶爾故障或者接料單元上有產(chǎn)品還未處理完，這時(shí)候多余的產(chǎn)品需要輸送到儲(chǔ)存單元上。儲(chǔ)存單元由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶。在皮帶前端安裝有光電開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)是否有產(chǎn)品到達(dá)，若檢測(cè)到產(chǎn)品，皮帶走一段長(zhǎng)度。該長(zhǎng)度可由PLC單獨(dú)控制，根據(jù)產(chǎn)品大小，皮帶速度來(lái)確定，使得多余的產(chǎn)品按照一定的間隔存儲(chǔ)于存儲(chǔ)單元上。

5）為了保障設(shè)備以及人生安全，生產(chǎn)線上配備拉線開(kāi)關(guān)，該信號(hào)輸入到PLC，當(dāng)出現(xiàn)緊急事故需要停機(jī)時(shí)，工人只需拉動(dòng)次開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)就會(huì)停止運(yùn)行。

6）系統(tǒng)程序按照各單位功能不同，分段進(jìn)行編程，簡(jiǎn)單明了，方便排查，以及日后多個(gè)包裝機(jī)站進(jìn)行擴(kuò)展。

圖6 系統(tǒng)PLC控制原理圖

2.2 設(shè)備運(yùn)行

設(shè)備調(diào)試運(yùn)行如圖7所示，需要考慮多方面因素，生產(chǎn)線在工作狀態(tài)隨時(shí)會(huì)遇到緊急情況，所以需要在設(shè)備上安裝急停按鈕和拉線急停開(kāi)關(guān)。一旦發(fā)生緊急情況，只需要按下緊急停止按鈕和拉線式開(kāi)關(guān)，整套生產(chǎn)線立即停止工作；故障解除后按啟動(dòng)按鈕使生產(chǎn)線各個(gè)部分繼續(xù)工作。該系統(tǒng)可對(duì)各段皮帶進(jìn)行單獨(dú)檢修，在手動(dòng)模式下，單獨(dú)點(diǎn)動(dòng)各段皮帶。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，該系統(tǒng)可處理25-30排/分鐘的產(chǎn)品，每分鐘可到達(dá)1000包的產(chǎn)量，并且穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行

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3 結(jié)論

系統(tǒng)采用了歐姆龍CJ2M可編程控制器作為控制系統(tǒng)的核心，統(tǒng)一協(xié)調(diào)自動(dòng)線各模塊之間的動(dòng)作，結(jié)合變頻器技術(shù)，傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)生產(chǎn)線輸送系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行表明，其可以廣泛應(yīng)用于食品包裝領(lǐng)域，與臥式包裝機(jī)組成自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)，大大地提高了生產(chǎn)效率。

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