蔣銳，何邦貴，王巖，王超，姚傳紅

摘 ?要： 針對目前試卷袋手工封口和手工施膠入闈時間長、效率低、可靠性差等缺點，對具體的生產工藝過程、控制需求和控制元件進行了分析，并對控制方案進行選擇，確定以PLC控制作為最佳的控制方案，進行了PLC與伺服系統(tǒng)的連接和PLC與HMI通信連接，為進一步的具體控制實現(xiàn)，軟硬件的選型和編程提供了參考，為后續(xù)試卷袋密封及自動施膠自動化的實現(xiàn)打下了基礎。

關鍵詞： 試卷袋;封口;施膠;PLC

中圖分類號： TP273 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.12.017

本文著錄格式：蔣銳，何邦貴，王巖，等. 試卷袋密封及自動施膠控制流程研究[J]. 軟件，2019，40（12）：7376

Research on Test Bag Sealing and Automatic Sizing Control Process

JIANG Rui1， HE Bang-gui1， WANG Yan1， WANG Chao2， YAO Chuan-hong3

（1. Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China; 2. Yunnan Institute of Printing Technology，

Kunming 650231， China; 3. Yunnan Xinhua Fifth Printing Plant， Kunming 650224， China）

【Abstract】： In view of the shortcomings of manual sealing and manual sizing of the test bag， such as long time， low efficiency and poor reliability， the specific production process， control requirements and control components were analyzed， and the control scheme was selected to determine PLC control. The best control scheme， the connection between PLC and servo system and PLC and HMI communication connection， provide reference for further specific control implementation， software and hardware selection and programming， for subsequent test bag sealing and automatic glue automation. The realization laid the foundation.

【Key words】： Test bag; Sealing; Sizing; PLC

0 ?引言

試卷印制是一個復雜的技術過程，除了要保證傳統(tǒng)的印刷質量外，更重要的是在整個生產過程中的安全、保密以及試卷的時效性[1]。由于試卷產品的多變性和多樣性，導致對試卷袋密封和施膠工作長期停留在手工作業(yè)上，整個試卷的生產效率不高。而且未實現(xiàn)對試卷內容的保密，試卷印制企業(yè)需要對能接觸到試卷內容印、裝、封各環(huán)節(jié)工人進行大量時間的入闈管理[2]。傳統(tǒng)的手工生產越來越難以滿足社會考試的需求，因此，急需研發(fā)試卷袋密封等關鍵技術以及集成創(chuàng)新形成的自動化生產設備，來提高企業(yè)試卷的保密性和生產效率。隨著PLC（可編程邏輯控制器）的出現(xiàn)[3]，運用PLC來實現(xiàn)在試卷袋密封及自動施膠流程的控制，將實現(xiàn)試卷袋生產自動化，減少試卷印制企業(yè)員入闈數(shù)量，提高試卷生產效率和可靠性。

本文以實際研發(fā)改造項目為基礎，以試卷袋密封和自動施膠為控制對象，通過PLC實現(xiàn)試卷袋不同尺寸、機械不同運轉速度、施膠長度和時間控制以及產品是否符合標準的檢測，達到整個工藝流程的控制，最終實現(xiàn)自動化。

1 ?試卷袋生產工藝過程分析

試卷袋密封及自動施膠工藝的研究是在調研現(xiàn)有手工封口的基礎上，包括第一次涂膠、折舌、壓合、計數(shù)、第二次涂膠，梳理和構建試卷袋由手工密封到設備自動密封工藝過程。創(chuàng)新試卷袋自動密封機構方案，以機電一體化設計理論，設計試卷袋密封設備自動化控制的方案。

2 ?功能控制需求分析

2.1 ?第一次涂膠機構

如圖1，藍色部分代表移動的試卷袋，在傳送帶上工作;黃色部分表示已經設計出的噴嘴涂膠機構。實際工作中，將傳送帶上的試卷袋傳送到涂膠機構，當試卷袋接近涂膠噴嘴時，噴嘴上的傳感器收到信號，對試卷袋進行涂膠，第一次涂膠位置為如圖2所示的藍色部分，傳感器感應到試卷袋到位后進行涂膠，試卷袋離開即停止。

圖1 ?涂膠及傳送帶機構

Fig.1 ?Gluing and conveyor mechanism

圖2 ?第一次涂膠位置

Fig.2 ?First glue position

為了滿足實際工作的所有需求，需要在機構中添加點動、連續(xù)運動兩種形式，同時為了保持機構運作安全，在啟動連續(xù)運動后，不可以直接進行機構的運作，需要有3秒左右時間，對機構進行預熱，也起到對周圍人群進行預警的作用。除了3秒的預熱預警，還需要具有急停的功能，以保證特殊情況機械和人身的安全。同時為了方便機械的維護，除了正常運轉，機械需要滿足反轉的功能。

出于安全考慮，需加入機構開始運作前的安全指示裝置，本次設計擬在傳送帶兩端加上警示燈，開始工作時需要亮1-2下，以起到安全警示的作用。

2.2 ?折舌機構和壓合機構

傳送帶通過上一個涂膠機構后，進入折舌機構和壓合機構，如圖3所示，當折舌機構和壓合機構進行運作時，試卷袋舌頭分別通過圖3中左下角紅色的上下折刀進行折舌和后面上下壓緊皮帶進行壓合，折舌效果如圖4所示。

圖3 ?折舌和壓合機構

Fig.3 ?Folding tongue and pressing mechanism

圖4 ?折舌效果圖

Fig.4 ?Folding tongue renderings

2.3 ?計數(shù)機構

為了方便試卷袋的計數(shù)、打包等工作，在壓合機構后或者其中，可以加上光電傳感器對通過傳感器的試卷袋進行感應，通過傳感器傳到的感應信息進行試卷袋計數(shù)，以確定通過試卷袋的數(shù)目。

2.4 ?第二次涂膠機構（試卷袋密封簽位置涂膠）

如圖5為二次涂膠機構示意圖，二次涂膠機構的涂膠部位由多個噴嘴組成，噴嘴置于支撐架上，支撐架與傳送帶連接，類似第一涂膠機構。當機構運作時，當感應到試卷袋由傳送帶帶動到噴嘴下時，多個涂膠噴嘴同時噴膠，噴膠距離為此次涂膠所需寬度，第二次涂膠位置為如圖6所示的綠色部分，在噴嘴噴完固定的距離后，噴嘴就會停止噴膠的動作。

圖5 ?二次涂膠機構

Fig.5 ?Secondary spray mechanism

圖6 ?二次噴膠位置

Fig.6 ?Second spray position

二次涂膠機構所需控制與一次涂膠類似，為了安全及維護性考慮，需要滿足兩個機構的點動、連續(xù)工作（3秒延遲后正式開始工作）、停止、急停、正轉反轉等功能。

由于設備中涉及到多個部分第一施膠機構、折舌機構、壓合機構和二次施膠機構等多個機構的運行，這些部分都需要點擊動力進行驅動，因此，多機構的協(xié)調控制也是本設計的難點，需要進行順序的慎重安排，同時每個步驟都需要有相關的尖刺機構，以使整個設備達到精確的運行，確保試卷袋可以有良好密封，施膠精準。各個部分相關聯(lián)準確無誤，以達到理想效果。

在運作過程中，為了實際使用的方便和計數(shù)方便，需要設計一個顯示屏，進行整個裝置的動作控制以及機構的狀態(tài)顯示。

3 ?試卷袋的過程控制方案

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，需要用到的輸出電器元

件有：傳送帶伺服電機、壓合機構傳送帶伺服電機、二次涂膠傳送帶伺服電機、傳送帶伺服控制器、壓合機構傳送帶伺服控制器、二次涂膠傳送帶伺服控制器、涂膠機構的移動噴嘴的橫移異步電機、折舌機構傳送帶異步電機、涂膠電磁閥、需要用到的輸入電氣元件有：開關按鈕、旋轉開關、光電開關、對射開關、顯示元件為觸摸屏HMI顯示監(jiān)控。

3.1 ?PLC控制方案設計

在控制系統(tǒng)設計里面，涂膠機的控制器可以采用單片機進行控制，或者采用PLC進行控制，又或者采用傳統(tǒng)的繼電器系統(tǒng)進行控制。PLC是應用于工業(yè)生產中一種數(shù)字運算操作電子裝置[4]，PLC有著廣泛的應用[5-6]。采用 PLC完成控制系統(tǒng)設計可以達到穩(wěn)定、準確以及快速三個自動控制的方面，因此試卷袋密封的控制系統(tǒng)采用 PLC控制器來進行設計，PLC控制作為整個試卷袋密封及自動施膠設備控制系統(tǒng)的核心部件，控制著整個系統(tǒng)中各個機構的動作順序、啟停，使整個系統(tǒng)可以順暢的，安全的運行。由上述PLC的特點以及整個系統(tǒng)的控制需求進行對應，可以得知本次采用 PLC設計控制系統(tǒng)難點基本都可以攻克。

3.2 ?PLC對伺服控制系統(tǒng)的控制

如圖7表示伺服系統(tǒng)的具體控制關系。本次設計采取的伺服系統(tǒng)型號在未進行具體的選型前，暫時使用簡單的臺達ASDA-A2[7]伺服系統(tǒng)作為PLC控制系統(tǒng)的控制硬件，再對伺服控制系統(tǒng)根據(jù)實際情況進行具體的選型。在本次的伺服設計系統(tǒng)中，采用的

圖7 ?PLC與伺服系統(tǒng)連接圖

Fig.7 ?PLC and servo system connection diagram

是位置模式（端子輸入），模式代號為PT，模式碼為00，位置脈沖是由CN1的PULSE（43），/PULSE（41），HPULSE（38），/HPULSE（29）與SIGN（37），/SIGN（36），HSIGN（46），/HSIGN（40）端子輸入，可以是開路，也可以是差動（Line Driver）方式，本次接線采用的就是集極開路方法，PULSE（43）和SIGN（36）接到24V的正極，/PULSE（41）接到PLC的Y0，/SIGN（37）接到PLC的Y1，通過可編程邏輯控制器PLC控制脈沖端口，從而驅動伺服電機帶動傳送帶做持續(xù)的預設的速度運動。

3.3 ?PLC與HMI通信

在進行伺服系統(tǒng)控制后，我們還需要對觸摸屏系統(tǒng)進行控制。觸摸屏也俗稱HMI[8]，它是方便人們對PLC程序進行直接操作，有了HMI的存在，操作員就可以直接在觸摸屏上對PLC的程序修改。因此與其他無法進行通信或者通信比較困難的控制方式相比，修改觸摸屏參數(shù)將會非常簡單。而且由于觸摸屏與整個系統(tǒng)的連接，我們可以實時對當前伺服電機的轉速數(shù)值進行一個可視化的顯示以及修改。本次采用PLC控制，就可以解決試卷袋密封及自動施膠系統(tǒng)的實時通訊以及觀察整個系統(tǒng)的運行情況的目的。如圖8為PLC和HMI的通信連接示意圖。

4 ?結論

本文對試卷袋密封及自動施膠控制流程進行了研究，對其具體的生產工藝過程、控制需求和控制元件選取進行了分析，基于PLC控制方式對伺服系統(tǒng)進行了連接和HMI進行了通信連接，整個PLC系統(tǒng)可以完美契合伺服控制系統(tǒng)，可以通過對PLC系統(tǒng)的編程，對系統(tǒng)中伺服電機進行點動，連續(xù)運動，正傳，反轉控制等，同時可以通過簡單的修改對伺服電機的速度進行調節(jié);除了伺服控制系統(tǒng)外，由于PLC控制系統(tǒng)可以完美支持對觸摸屏HMI的通信，因此需要進行控制的需求都可以通過PLC系統(tǒng)進行編制，然后在觸摸屏中進行體現(xiàn)和控制。整個設計控制流程的研究為進一步具體控制的實現(xiàn)，軟硬件的選型和編程提供了參考，為實現(xiàn)試卷袋密封及自動施膠自動化控制打下了基礎。

圖8 ?PLC與HMI通信連接圖

Fig.8 ?PLC and HMI communication connection diagram

參考文獻

[1]李乾. 試卷袋密封簽定制印刷與自動貼封關鍵機構研究與設計[D]. 昆明理工大學， 2017.

[2]何邦貴， 王睿， 李乾， 楊衛(wèi)梅. 一種試卷袋密封施膠裝置[P]. 中國專利： 201720890842， 2017-07-21.

[3]李麗. 可編程邏輯控制器（PLC）的原理與應用[J]. 科學技術創(chuàng)新， 2017（30）： 46-47.

[4]張浩. 西門子PLC與HMI的以太網(wǎng)通訊的應用[J]. 價值工程， 2019， 38（06）： 168-170.

[5]嚴元， 於磊. 基于PLC的自動售貨機[J]. 軟件， 2013， 34（6）： 27-28.

[6]馮平， 王毓順， 徐世許. 液體農藥配料線自動控制系統(tǒng)研究[J]. 軟件， 2016， 37（4）： 93-95.

[7]臺達重磅推出ASDA-A3系列高性能伺服系統(tǒng)[J]. 自動化儀表， 2016， 37（08）： 3.

[8]劉宏曄. 西門子人機界面（觸摸屏HMI）與虛擬仿真應用技術[J]. 電子技術與軟件工程， 2019（02）： 72.