韋有共，焦文輝，馬茗茗

（桂林格萊斯科技有限公司，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著人們生活質量的不斷提升，雙向拉伸塑料薄膜的用量也在不斷遞增，人們的日常生活與雙向拉伸薄膜密切相關，其主要應用于食品、服裝、醫(yī)藥、日用輕工、香煙等產品的包裝以及印刷、粘膠帶等領域[1]。為了提高生產線的產能和降低生產成本，雙向拉伸薄膜生產線朝著高速、寬幅、智能化的方向發(fā)展，需要一種更為先進的裝卸卷設備。

國內高速寬幅雙向拉伸薄膜生產線在收卷機處卸大膜卷和裝空卷芯，通常是通過兩種方式來完成：第一種是操作工人通過行車吊裝的方式來卸卷和裝卷；第二種是用作為配套設備的單工位卸卷小車分兩個步驟來完成卸卷和裝卷[2]。前者的缺點是卸卷和裝卷的時間長而且存在較大的安全隱患，特別是不太熟練的工人操作時尤其突出；后者的缺陷是由于只有升降臂單工位，裝卸卷必須分兩個步驟才能完成，在調試階段或生產線出現破膜時往往來不及裝卸卷，而且其電氣控制部分沒有嵌入主生產線的PLC 系統中，出現故障時由于沒有提示故障信息造成工作人員排查困難。

為此，我們設計的小車在具有卸大膜卷的升降臂基礎上，增加了一個裝空卷芯的旋轉臂，這樣就可以在一個步驟內完成裝卸卷的工作。并且將小車的控制部分設計成主線PLC 系統的一個從站，在中控室的上位機上就可以設置小車的控制參數，顯示小車的工作狀態(tài)、連鎖條件、故障報警信息等。

1 設計思路

卸卷小車的任務是自動將收卷機上的大膜卷卸下并將空卷芯安裝到收卷機非工作卷芯位，大致工作流程是：小車從?？课恢脝忧斑M（向收卷機方向）→到達卸卷位置后停下，將大膜卷卸下→啟動后退（向時效架方向）→到達升/降位置停下，將大膜卷放低并將空卷芯舉高→啟動前進→到達裝卷位置停下，將空卷芯安裝到收卷機上→啟動后退→到達?？课恢猛Ｏ?。PLC 根據檢測反饋的信號進行邏輯判斷，控制小車的每一個動作，如果某一邏輯條件不符合，則停止執(zhí)行下一步的動作并在上位機報警提示是哪一個條件沒有滿足，這樣就可以快速地排除故障。

小車主要由車身、行走電機、小車滾輪、軌道、防撞安全觸邊條、聲光警示器、地面感應條、接近開關、升降臂、旋轉臂、液壓站、ET200SP 遠程I/O 站、現場操作箱等組成，小車示意圖如圖1 所示。在收卷機和時效架之間的地面上預埋有兩根軌道，小車由左右兩臺行走電機驅動在軌道上往復行走，在小車行走前后的極限位置設計有機械限位擋塊，如圖2 所示。

圖1 雙工位自動卸卷小車示意圖

圖2 卸卷小車工作區(qū)間示意圖

兩臺0.75 kW 行走電機由一臺西門子G120 變頻器控制其運行的速度，保證兩臺電機運行速度的實時同步[3]。行走電機帶有抱閘裝置，電機停止運行時抱閘裝置自動閉合制動，這樣在卸卷或裝卷操作時小車就不會出現晃動。

在兩根軌道內側的地面上預埋有6 個位置金屬感應條（感應條高出地面5 mm），用于反饋不同工作位置的信號（由小車上的接近開關檢測），從左至右感應條對應的位置分別是：停靠位置、停靠減速位置、升/降位置、前進減速位置、裝卷位置、卸卷位置，如圖3 所示。

圖3 感應條預埋示意圖

在小車車身上橫向安裝有6 個小車工作位置檢測接近開關（接近開關感應頭距地面10 mm），用于檢測地面預埋的感應條信號，反饋給PLC 進行邏輯控制，從左至右依次排布：?？拷咏_關、?？繙p速接近開關、升/降接近開關、前進減速接近開關、裝卷接近開關、卸卷接近開關，如圖4 所示。

圖4 小車位置檢測接近開關示意圖

為了實現雙工位工作模式，在單工位卸卷小車一個升降臂的基礎上，在結構上增加了一個旋轉臂，目的是升降臂只用于卸大膜卷而旋轉臂用于安裝空卷芯。小車上設計有一個液壓站，由一臺5.5 kW 的油泵電機驅動產生油路的工作壓力，通過油缸的伸縮帶動升降臂和旋轉臂做上下運動，油缸的伸縮動作是通過控制油路上電磁閥得電和失電來實現的。在升降臂和旋轉臂的上、下工作位置處安裝有接近開關，用于檢測當前臂的位置，并且在升降臂和旋轉臂的托卷位置設計有接近開關，用于檢測升降臂和旋轉臂當前是否裝有卷芯。

主線的控制系統采用西門子S7-1500 系列PLC，在不同的設備工藝段都設計有ET200SP 遠程I/O 站，小車上和小車操作箱上的遠程I/O 站也是其中的一個從站，從站通過PROFINET 網線與CPU 進行通訊，構成一個完整的控制體系。小車的所有輸入和輸出信號都連接到I/O 站的模板上，這樣就可以在中控室上位機設置小車的各種控制參數，顯示小車的工作狀態(tài)、連鎖條件、故障報警信息等，還可以查看有關參數的歷史歸檔，提升了控制系統的智能化。

在車身前后部位的橫向安裝有防撞安全觸邊條，小車在行走過程中如果碰到人體或異物則立即停止運行并且在上位機上出現報警信息，增強了小車的安全性能。小車上安裝的聲光警示器在小車工作過程中一直發(fā)聲和閃光，目的是提醒人們小車正在工作中，注意安全。在卸卷小車的操作側地面上豎立安裝有一個操作箱用于控制小車，操作箱面板按鈕示意圖如圖5 所示。

圖5 操作箱面板按鈕示意圖

2 控制邏輯

在收卷機完成換卷以后[4]，需要卸卷小車自動將大膜卷卸下并將空卷芯安裝到收卷機非工作卷芯位置，為下一次換卷做好準備。

2.1 卸卷和裝卷的啟動連鎖條件

只有在滿足相關的連鎖條件下，才能啟動卸卷小車進行裝卸卷，以下是啟動卸卷小車的連鎖條件：

（1）PLC 檢測到收卷機換卷結束，允許卸膜小車進入收卷機卸卷和裝卷。

（2）升降臂的“低位接近開關”檢測到升降臂處于低位。

（3）升降臂托卷的“卷芯檢測接近開關”檢測到沒有卷芯。

（4）旋轉臂的“低位接近開關”檢測到旋轉臂處于低位。

（5）旋轉臂托卷的“卷芯檢測接近開關”檢測到已放置有空卷芯。

（6）“?？拷咏_關”檢測到小車處于?？课恢?。

PLC 檢測到以上條件都滿足后，中控室上位機界面對應的連鎖條件顯示都呈現綠色，表示可以進行卸卷和裝卷操作。如果有某個連鎖條件不滿足，則該連鎖條件顯示為紅色，無法執(zhí)行卸卷和裝卷工作，操作人員通過手動控制排除故障后才可以繼續(xù)進行卸卷和裝卷的操作。

2.2 自動卸卷和裝卷的控制邏輯

在自動裝卸卷工作模式下，PLC 根據檢測反饋的信號進行邏輯判斷，控制小車的每一步動作[5-7]，以下是自動裝卸卷模式的操作和控制邏輯：

（1）操作人員在卸卷小車的操作箱上將“手動/自動”旋鈕開關旋轉至“自動”位置，選擇自動裝卸卷模式。

（2）按下“卡頭打開”按鈕，收卷機上的“卷芯卡頭打開到位接近開關”檢測到卡頭打開到位信號。

（3）按下“卸卷/裝卷”按鈕，PLC 控制卸卷小車按照如下順序開始自動執(zhí)行卸卷和裝卷動作。

（4）液壓站油泵電機啟動運行，建立油循環(huán)系統的工作壓力；行走電機正轉啟動且抱閘裝置打開，小車加速至預先設定的速度向前（往收卷機方向）移動。

（5）移動至“前進減速位置”時，“前進減速接近開關”檢測到信號，小車減速到預先設定的慢速度繼續(xù)向前移動。

（6）移動至“裝卷位置”時，“裝卷接近開關”檢測到信號，但由于此時旋轉臂處于低位所以小車沒有停下而是繼續(xù)前行。

（7）移動至“卸卷位置”時，“卸卷接近開關”檢測到信號，行走電機停止運行且抱閘裝置閉合；升降臂油缸電磁閥得電打開，油缸伸出帶動升降臂上升舉起大膜卷。

（8）升降臂上升到位，“升降臂高位接近開關”檢測到信號，行走電機反轉啟動且抱閘裝置打開，小車低速向后（時效架方向）移動。

（9）移動至“升/降位置”時，“升/降接近開關”檢測到信號，行走電機停止運行且抱閘裝置閉合；升降臂油缸電磁閥失電關閉，油缸縮回帶動升降臂下降放下大膜卷；同時，旋轉臂油缸電磁閥得電打開，油缸伸出帶動旋轉臂擺動上升將待裝的空卷芯舉起。

（10）“升降臂低位接近開關”檢測到信號，“旋轉臂高位接近開關”檢測到信號，行走電機正轉啟動且抱閘裝置打開，小車加速向前移動。

（11）移動至“前進減速位置”時，“前進減速接近開關”檢測到信號，小車慢速繼續(xù)向前移動。

（12）移動至“裝卷位置”時，“裝卷接近開關”檢測到信號，行走電機停止運行且抱閘裝置閉合；旋轉臂油缸電磁閥失電關閉，油缸縮回帶動旋轉臂擺動下降將空卷芯放置到收卷機非工作位卷芯托架上。

（13）“旋轉臂低位接近開關”檢測到信號，行走電機反轉啟動且抱閘裝置打開，小車高速向后移動。

（14）移動至“?？繙p速位置”時，“?？繙p速接近開關”檢測到信號，小車低速繼續(xù)向后移動。

（15）移動至“?？课恢谩睍r，“?？拷咏_關”檢測到信號，行走電機停止運行且抱閘裝置閉合，同時液壓站油泵電機也停止運行。

（16）按下“卡頭關閉”按鈕，收卷機上的“卷芯卡頭關閉到位接近開關”檢測到卡頭關閉到位信號。

至此，完成了自動卸大膜卷和裝空卷芯的一個工作流程。隨后，操作人員可以從容地用行車將升降臂上的大膜卷轉運到時效架上，并將時效架上的空卷芯放置到旋轉臂上（空卷芯在旋轉臂上的橫向位置由地面預埋的兩側立柱擋塊來定位），為下一次的卸卷和裝卷做好準備。

2.3 手動卸卷和裝卷的控制邏輯

在調試階段或進行維保時操作人員可以通過操作箱上的按鈕來手動分步控制卸卷小車的各種動作，此時PLC 是按照手動控制模式進行邏輯判斷，具體操作和邏輯控制如下：

（1）將“手動/自動”旋鈕開關旋轉至“手動”位置，選擇手動裝卸卷模式。

（2）按下“卡頭打開”按鈕，收卷機上的“卷芯卡頭打開到位接近開關”檢測到卡頭打開到位信號。

（3）按下“工作位置”按鈕，液壓站油泵電機啟動運行，建立油循環(huán)系統的工作壓力，行走電機正轉啟動且抱閘裝置打開，小車高速向前（往收卷機方向）移動。

（4）移動至“前進減速位置”時，“前進減速接近開關”檢測到信號，小車低速繼續(xù)向前移動。

（5）移動至“裝卷位置”時，“裝卷接近開關”檢測到信號，但由于此時旋轉臂處于低位所以小車沒有停下而是繼續(xù)前行。

（6）移動至“卸卷位置”時，“卸卷接近開關”檢測到信號，行走電機停止運行且抱閘裝置閉合。

（7）按下“升降臂上升”按鈕，升降臂油缸電磁閥得電打開，油缸伸出帶動升降臂上升舉起大膜卷；升降臂上升到位，“升降臂高位接近開關”檢測到信號。

（8）按下“?？课恢谩卑粹o，行走電機反轉啟動且抱閘裝置打開，小車低速向后（時效架方向）移動；移動至“升/降位置”時，行走電機停止運行且抱閘裝置閉合。

（9）按下“升降臂下降”按鈕，升降臂油缸電磁閥失電關閉，油缸縮回帶動升降臂下降放下大膜卷；升降臂下降到位，“升降臂低位接近開關”檢測到信號。

（10）按下“旋轉臂上升”按鈕，旋轉臂油缸電磁閥得電打開，油缸伸出帶動旋轉臂擺動上升將空卷芯舉起；旋轉臂上升到位，“旋轉臂高位接近開關”檢測到信號。

（11）按下“工作位置”按鈕，行走電機正轉啟動且抱閘裝置打開，小車高速向前移動。

（12）移動至“前進減速位置”時，“前進減速接近開關”檢測到信號，小車低速繼續(xù)向前移動。

（13）移動至“裝卷位置”時，“裝卷接近開關”檢測到信號，行走電機停止運行且抱閘裝置閉合。

（14）按下“旋轉臂下降”按鈕，旋轉臂油缸電磁閥失電關閉，油缸縮回帶動旋轉臂擺動下降將空卷芯放置到收卷機非工作位的卷芯托架上；旋轉臂下降到位，“旋轉臂低位接近開關”檢測到信號。

（15）按下“?？课恢谩卑粹o，行走電機反轉啟動且抱閘裝置打開，小車高速向后移動。

（16）移動至“?？繙p速位置”時，“停靠減速接近開關”檢測到信號，小車低速繼續(xù)向后移動；移動至“?？课恢谩睍r，“?？拷咏_關”檢測到信號，行走電機停止運行且抱閘裝置閉合，同時液壓站油泵電機也停止運行。

按下“卡頭關閉”按鈕，收卷機上的“卷芯卡頭關閉到位接近開關”檢測到卡頭關閉到位信號，至此，完成了手動操作卸卷和裝卷的過程。

2.4 非正常情況的控制邏輯

不論是在自動卸卷模式還是在手動卸卷模式，如果在裝卸卷過程中有某個連鎖條件不滿足，則自動停止執(zhí)行下一步的動作，同時在上位機上報警提示是哪個條件沒有滿足，操作人員根據提示可以快速地進行處理。如果遇到異常情況，可以隨時按下“停機”按鈕，則正在執(zhí)行的動作立即停止并保持不動。待問題處理完成后，將“手動/自動”旋鈕開關旋轉至“手動”位置，通過手動操作完成余下的動作步驟。如果遇到可能對人身或設備造成危害的緊急情況，可以按下紅色蘑菇頭“急停”按鈕，PLC 控制整線快速停機，避免或最大限度地減小造成的傷害。

3 結語

該雙工位自動卸卷小車在一條幅寬8.7 米雙向拉伸BOPP 薄膜生產線經實際應用，與傳統的裝卸卷方式比較，裝卸卷過程縮短了一半的時間，安全性得到了保障，減輕了工人的勞動強度，而且由于提升了設備的智能化，大大方便了設備的維護。國內寬幅雙向拉伸薄膜生產線眾多，舊生產線推廣應用或新生產線配置雙工位自動卸卷小車，具有相當大的市場。當然，隨著生產線智能化的不斷提升和設備制造成本的降低，將來會制造出智能型行車，通過PLC 控制可以將收卷機上的大膜卷卸下直接轉運到時效架指定的膜卷存放位置，自動將時效架上某一個編號的空卷芯直接放置到收卷機上。