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        基于PLC的鞋子熱定型流水線控制系統(tǒng)設(shè)計

        2022-09-07 03:36:50馬良
        新型工業(yè)化 2022年7期
        關(guān)鍵詞:烘箱流水線上位

        馬良

        上海氦豚機器人科技有限公司,上海,200050

        0 引言

        為實現(xiàn)鞋子外觀定型,需要先將鞋面固定到鞋楦上,經(jīng)定型壓機初步定型后,將初步定型的鞋子放置在80~85℃的烘箱內(nèi),烘烤100~150秒,然后從烘箱拿出來,進行涂膠、覆底等工序。熱定型的質(zhì)量直接影響到后面的工序,進而影響整個鞋子的質(zhì)量。熱定型最關(guān)鍵的兩個因素是定型溫度和定型時間。傳統(tǒng)的熱定型存在如下問題。

        (1)工人將鞋子放入烘箱,給烘箱設(shè)置定型溫度和定型時間,到時間后再由工人拿出來。這種方式費時費力,效率不高,并且溫度和定型時間都不準確。

        (2)工人將鞋子放入流水線,由流水線把鞋子送入烘箱定型,根據(jù)不同鞋子的材質(zhì)和款式,由工人手工調(diào)節(jié)流水線的轉(zhuǎn)速和烘箱溫度[1-2]。這種方式需要手動調(diào)節(jié)流水線的速度以達到調(diào)節(jié)定型時間的目的,并且定型溫度和定型時間都是開環(huán)控制,所以定型效果滿足不了高質(zhì)量的要求。

        基于此,本文用XD2-16T-E型PLC設(shè)計了一款能夠精確控制熱定型溫度和時間的流水線控制系統(tǒng),能夠較好地解決鞋子熱定型問題。

        1 工藝過程

        該熱定型流水線控制系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

        本系統(tǒng)主要由一條長度為5米的隧道烘箱和一條長度為8米的耐高溫流水線組成。工人將定型壓機初步定型后的鞋子放到流水線上,根據(jù)鞋子的材質(zhì)和款式,通過上位機觸摸屏設(shè)置鞋子的定型溫度和定型時間,點擊啟動按鈕,鞋子在流水線的帶動下進入烘箱定型,定型的鞋子流出烘箱后,進入到下一道生產(chǎn)工序。點擊關(guān)閉按鈕,烘箱立刻停止加熱,風(fēng)機繼續(xù)工作,直到烘箱內(nèi)溫度≤30℃,風(fēng)機停止工作,然后流水線停止工作。

        2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

        控制系統(tǒng)硬件主要由隧道烘箱和流水線組成,其控制部件溫度控制器和變頻器均接入RS-485總線,通過MODUBUS RTU協(xié)議和PLC通訊[3]。

        2.1 烘箱溫度控制硬件設(shè)計

        烘箱由熱風(fēng)幕、加熱模塊、固態(tài)繼電器、風(fēng)機、溫度傳感器、溫度控制器等主要部件組成。

        烘箱除了結(jié)構(gòu)上做保溫設(shè)計外,在其入口和出口處分別設(shè)計了兩個熱風(fēng)幕,烘箱啟動時,熱風(fēng)幕也同時啟動,防止烘箱內(nèi)部溫度流失。因傳統(tǒng)的擋風(fēng)簾和鞋面有接觸,可能造成鞋面定型出問題,所以本設(shè)計使用了非接觸式熱風(fēng)幕。

        為了在保證熱定型的時間不變的情況下,盡可能提升流水線的速度,根據(jù)V=L/T(V為流水線速度,L為烘箱長度,T為熱定型時間),結(jié)合烘箱的成本因素,將烘箱的長度設(shè)置為5m。

        烘箱的加熱模塊電氣原理如圖2所示。QF為加熱部件總斷路器,加熱模塊由3組遠紅外陶瓷加熱板組成,每組有3塊600W陶瓷加熱板,均勻分布在烘箱內(nèi)部,每組陶瓷加熱板由一路固態(tài)繼電器(SSR)單獨控制。固態(tài)繼電器因其無觸點,響應(yīng)速度快,開關(guān)頻率高,所以可以配合溫度控制器的PID調(diào)節(jié)實現(xiàn)溫度快速精確調(diào)控[4]。另外本設(shè)計摒棄了傳統(tǒng)的加熱管,采用陶瓷加熱板。陶瓷加熱板較之傳統(tǒng)加熱管,抗氧化性更強,使用壽命更長,發(fā)熱更均勻。

        烘箱頂部設(shè)置了兩個三相交流風(fēng)機,并通過結(jié)構(gòu)設(shè)計了循環(huán)風(fēng)道,用來將加熱部件產(chǎn)生的熱量循環(huán)到烘箱內(nèi)部,保證內(nèi)部溫度均勻。風(fēng)機由PLC通過接觸器控制。為防止加熱模塊局部過熱導(dǎo)致?lián)p壞,點擊啟動按鈕后,風(fēng)機會先啟動,然后加熱模塊開始加熱;點擊停止按鈕后,風(fēng)機在加熱模塊停止加熱后繼續(xù)工作,直到溫度降到≤30℃后,由PLC控制其停止。風(fēng)機電氣原理如圖3所示。

        鞋子熱定型的溫度一般為80~85℃,考慮到精度和溫度范圍要求,選用工業(yè)級的PT100熱電阻作為溫度傳感器。

        烘箱的溫度控制采用性能穩(wěn)定、控溫精度高的臺松EM105溫度控制器。溫度控制器接線如圖4所示。

        本設(shè)計選用的這款溫度控制器8/9/10引腳用來接精度較高的PT100電阻型溫度傳感器,控制器4/5引腳輸出脈沖信號控制固態(tài)繼電器的通斷,通過溫度控制器自帶的PID功能調(diào)整加熱模塊的平均功率[5],以此達到快速調(diào)溫的目的。溫度控制器帶有RS-485通訊接口,PLC通過此接口設(shè)置和讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。本設(shè)計中,3個溫度控制器的通訊地址分別設(shè)置為01/02/03。

        2.2 流水線控制硬件設(shè)計

        流水線主要負責傳送鞋子并控制鞋子的定型時間,主要由傳送帶、驅(qū)動電機、變頻等部件組成。

        流水線經(jīng)過烘箱時工作在80~85℃的高溫下,所以流水線的皮帶須為耐高溫皮帶,同時流水線應(yīng)該有足夠的長度,以便從烘箱出來后有足夠的冷卻時間。綜上,本設(shè)計采用耐溫105℃以上的皮帶,同時將流水線長度設(shè)計為8米。

        考慮到流水線的長度以及流水線上的鞋子重量,驅(qū)動電機采用減速比為30的750W單相交流減速電機,通過變頻器控制電機轉(zhuǎn)速[6],帶動流水線傳動。

        因流水線運動過程的阻力、負載變化等因素,所以變頻器的選用上應(yīng)留有一定的余量[7],采用HLP-C10001D521變頻器。此款變頻器最大驅(qū)動功率1.5kW,滿足驅(qū)動750W電機的需求,變頻器通過RS-485總線和PLC通訊。變頻器的通訊地址設(shè)置為04。

        3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

        控制系統(tǒng)分為上位機和下位機,上位機為觸摸屏,用于設(shè)置熱定型溫度和時間,并實時反饋現(xiàn)場數(shù)據(jù)給用戶;下位機為XD2-16T-E型PLC,用于控制溫度、流水線速度和風(fēng)機。

        3.1 上位機程序設(shè)計

        上位機采用C#編程,用普通帶觸摸功能的一體機顯示屏,較之組態(tài)軟件,可擴展性更好,性價比更高。軟件界面如圖5所示。

        上位機軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

        上位機通過RS-232與下位機PLC通訊,需引用C#標準串口類using System.IO.Ports[8]。上位機軟件結(jié)構(gòu)主要分為4個部分:

        初始化任務(wù):上位機程序啟動時,會自動識別PLC對應(yīng)的串口,同時調(diào)用串口初始化函數(shù)public SerialPortInitial(),初始化串口波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位以及停止位。同時程序調(diào)用指定目錄下保存的.xml文檔,將用戶上次保存的熱定型參數(shù)初始化到界面上。

        保存數(shù)據(jù):用戶點擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕,設(shè)置的熱定型參數(shù)被系統(tǒng)以.xml文件的形式保存到指定目錄下,按鈕前面的指示燈為綠色,提示用戶數(shù)據(jù)保存成功。

        啟動按鈕:點擊“啟動”按鈕,首先調(diào)用public bool OpenSerialPort(string portName, int status)函數(shù),打開串口,然后調(diào)用public void SendData(string data, SendFormat format)函數(shù),將熱定型參數(shù)發(fā)送給PLC。同時調(diào)用public void RecieveData(string data, SendFormat format)接收來自PLC回發(fā)的數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)是否正確,如數(shù)據(jù)正確,則將“啟動”按鈕前面的指示燈變?yōu)榫G色,然后讓PLC上傳實時數(shù)據(jù),并顯示在界面上;如數(shù)據(jù)不正確,則重新發(fā)送。多次發(fā)送失敗,啟動報警信息提示。

        停止按鈕:點擊“停止”按鈕,首先調(diào)用public void SendData(string data, SendFormat format)函數(shù),將關(guān)閉指令發(fā)送給PLC,同時調(diào)用public void RecieveData(string data, SendFormat format) 接收來自PLC回發(fā)的數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)是否正確,如數(shù)據(jù)正確,將“停止”按鈕前面的指示燈變?yōu)榫G色,然后讓PLC上傳實時數(shù)據(jù),否則重新發(fā)送停止指令。當接收到“流水線速度”為0時,調(diào)用public bool CloseSerialPort(string portName, int status)函數(shù),關(guān)閉串口通訊。

        3.2 PLC程序設(shè)計

        本控制系統(tǒng)選用XD2-16T-E型PLC作為下位機控制器,這款PLC帶有RS-232和RS-485兩種通訊接口,其中RS-232和上位機通訊,RS-485和溫度控制器及變頻器通訊。PLC根據(jù)上位機指令,進行邏輯處理,程序流程如圖7所示。

        PLC上電后進行系統(tǒng)初始化,等待上位機指令。收到上位機指令后,進行指令判斷,并同時將收到的指令反饋給上位機,由上位機判斷指令是否下發(fā)正確,如指令不正確,則上位機重發(fā)。

        表1 熱定型溫度和時間測試結(jié)果

        PLC收到啟動指令,通過DO(數(shù)字量輸出)控制接觸器,啟動兩個風(fēng)機,并將上位機定型溫度值通過RS-485總線傳送給3個溫度控制器,并設(shè)置SV(Setting Value),其指令寫入:01 06 00 05 00 73 D8 2E(地址為1的溫度控制器,SV設(shè)定為115℃)。上位機下發(fā)讀取實時溫度指令,PLC讀取溫度控制器的PV(Present Value),指令寫入:01 03 00 00 00 01 84 0A,收到溫度控制器傳回的指令:01 03 02 00 73 F9 A1(地址為1的溫度控制器,PV值為115℃),將此溫度數(shù)據(jù)計算后,上傳給上位機顯示。

        上位的定型時間由PLC根據(jù)烘箱的實際溫度實時調(diào)整電機轉(zhuǎn)速保證。Vr=60·L·RR·δt/(C·T)(Vr為電機轉(zhuǎn)速,單位r/min;L為烘箱長度5m;RR為電機減速比30;C為傳送帶驅(qū)動輪周長,單位m;T為定型時間,單位為s;δt=PV/SV),其中δt用于補償因溫度變化導(dǎo)致的定型時間變化,用于實時調(diào)整傳送帶的速度。PLC通過RS-485總線將計算所得的速度值發(fā)送給變頻器,調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。

        PLC收到停止指令時,先通過RS-485總線將溫度控制器控制的固態(tài)繼電器斷開,從而斷開加熱模塊的電源,然后讀取溫度控制器的PV。如果PV≤30℃,PLC通過DO斷開風(fēng)機電源,延時2min后,給變頻器發(fā)送停止指令,停止流水線電機轉(zhuǎn)動。

        4 測試結(jié)果

        本文設(shè)計的基于PLC的鞋子熱定型流水線控制系統(tǒng)在工廠實際使用環(huán)境中測試,測試方法如下。

        (1)用高精度電子溫度計測量從烘箱剛出來的鞋子表面溫度。

        (2)用秒表測量從鞋子進入烘箱到鞋子流出烘箱的時間。

        測試結(jié)果如表1所示。

        考慮到鞋子從烘箱出來可能導(dǎo)致溫度流失,所以測試結(jié)果滿足實際使用要求。

        5 結(jié)語

        該鞋子熱定型流水線系統(tǒng)采用PLC控制,定型溫度通過PID調(diào)節(jié),同時將溫度數(shù)據(jù)和流水線速度耦合,因此具有穩(wěn)定性高、溫度調(diào)節(jié)反應(yīng)快、溫度精度高、定型時間準、成本可控等特點,能較好地滿足生產(chǎn)現(xiàn)場實際使用要求,提高了鞋子的質(zhì)量和制鞋效率,對現(xiàn)代化制鞋產(chǎn)業(yè)起到很好的推進作用。

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