叢帥，張宸銘，褚學(xué)林

（1.威海海洋職業(yè)學(xué)院，山東 榮成 264300；2.榮成市第十二中學(xué)，山東 榮成 264300）

0 引言

根據(jù)中國包裝聯(lián)合會公布的數(shù)據(jù)，2021年全國瓦楞紙箱產(chǎn)量超過3444.24 萬t[1]。隨著電商行業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的商家選擇使用紙箱包裝快遞。目前，商家使用比較多的是人工封箱或者使用手動膠帶封箱機封箱。人工封箱的缺點是效率低、工作強度大。手動膠帶封箱機封箱前，需要根據(jù)紙箱的尺寸手動調(diào)節(jié)夾緊機構(gòu)的寬度和壓緊機構(gòu)的高度，再搖動手輪帶動皮帶使紙箱移動完成封箱。對于批量的固定尺寸紙箱封箱來說，只需在開始時調(diào)節(jié)夾緊機構(gòu)的寬度和壓緊機構(gòu)的高度即可，但是需要人工持續(xù)搖動手輪才能完成封箱，這種情況就會增加工人的勞動強度；對于批量的非固定尺寸紙箱封箱來說，總是需要人工根據(jù)紙箱尺寸調(diào)節(jié)夾緊機構(gòu)的寬度和壓緊機構(gòu)的高度，再手動驅(qū)動導(dǎo)軌完成封箱，這種情況不僅效率低下，也非常耗費人力[2]。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計思路

為解決以上問題，設(shè)計一款全自動膠帶封箱機，無需人工操作，控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)封箱寬度和高度，從而提高包裝效率。該封箱機是在手動膠帶封箱機的基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)一套基于S7-1200PLC的控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)控制電動機，驅(qū)動膠帶封箱機各機構(gòu)按照封箱要求動作。

系統(tǒng)增加了按鈕、光電檢測開關(guān)、行程開關(guān)、PLC和電動機等元件。光電檢測開關(guān)是一種傳感器，用于檢測是否有紙箱；行程開關(guān)是一種檢測開關(guān)，用于檢測機構(gòu)或紙箱是否到位；PLC是一種可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），可以接收按鈕、行程開關(guān)、光電開關(guān)的信號，也可以控制電動機的運行，用于驅(qū)動夾緊機構(gòu)、壓緊機構(gòu)、導(dǎo)軌等機構(gòu)動作[3]。使膠帶封箱機無需動手操作，即可根據(jù)紙箱尺寸自動調(diào)節(jié)夾緊機構(gòu)的寬度和壓緊機構(gòu)的高度而完成封箱。

全自動膠帶封箱機控制思路為按下啟動按鈕，全自動膠帶封箱機初始化，設(shè)備進(jìn)入待機狀態(tài)。當(dāng)全自動膠帶封箱機入口處光電檢測開關(guān)未檢測到紙箱時，全自動膠帶封箱各機構(gòu)不動作，設(shè)備仍處于待機狀態(tài)。

當(dāng)把紙箱放到全自動膠帶封箱機導(dǎo)軌上時，入口光電檢測開關(guān)檢測到紙箱，PLC接受到有紙箱進(jìn)入的信號，導(dǎo)軌電動機和夾緊機構(gòu)上的皮帶電動機啟動，導(dǎo)軌電動機驅(qū)動導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動，皮帶電動機驅(qū)動皮帶運行。導(dǎo)軌帶動紙箱前進(jìn)靠近封箱開始光電檢測開關(guān)，光電開光采集到有紙箱的信號并傳送給PLC，PLC控制夾緊機構(gòu)電動機正轉(zhuǎn)以驅(qū)動夾緊機構(gòu)靠近紙箱和壓緊機構(gòu)電動機正轉(zhuǎn)以驅(qū)動壓緊裝置下壓，當(dāng)夾緊機構(gòu)接近紙箱時紙箱會觸碰到安裝在夾緊機構(gòu)的行程開關(guān)，行程開關(guān)將信號傳給PLC，PLC會控制夾緊機構(gòu)電動機停止工作；當(dāng)壓緊裝置的行程開關(guān)碰到紙箱頂部時，行程開關(guān)將信號傳給PLC，PLC控制壓緊機構(gòu)電動機停止工作。此時夾緊機構(gòu)上的皮帶已經(jīng)能接觸到紙箱側(cè)面，通過皮帶帶動紙箱前進(jìn)；壓緊機構(gòu)帶著封箱機構(gòu)到達(dá)了適合封箱的位置，紙箱經(jīng)過膠帶封箱機構(gòu)完成封箱。

封箱結(jié)束后，紙箱經(jīng)過封箱完成光電檢測開關(guān)，PLC接受到紙箱封箱完成信號，夾緊機構(gòu)電動機和壓緊機構(gòu)電動機反轉(zhuǎn)，驅(qū)動夾緊機構(gòu)和壓緊機構(gòu)向初始位置運動，當(dāng)夾緊機構(gòu)碰到安裝在側(cè)臂上的行程開關(guān)時，說明夾緊機構(gòu)到達(dá)初始位置，夾緊機構(gòu)電動機停止工作；壓緊機構(gòu)碰到安裝在上臂的行程開關(guān)時，說明壓緊機構(gòu)到達(dá)初始位置，壓緊機構(gòu)電動機停止工作。夾緊機構(gòu)和壓緊機構(gòu)都停止工作后，導(dǎo)軌電動機和皮帶電動機停止工作。此時全自動膠帶封箱處于待機狀態(tài)，等待下一個紙箱進(jìn)入。

任意時刻按下停止按鈕，全自動膠帶封箱機都會停止工作。若無特殊情況，一般是在全自動膠帶封箱機處于待機狀態(tài)時才按下停止按鈕。

這樣就實現(xiàn)了全自動膠帶封箱機根據(jù)紙箱的寬度和高度調(diào)整夾緊機構(gòu)的寬度和壓緊機構(gòu)的高度，以適用箱體尺寸而進(jìn)行封裝?？刂葡到y(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 全自動膠帶封箱機控制系統(tǒng)框架圖

2 控制系統(tǒng)開發(fā)流程

根據(jù)設(shè)計思路需要完成全自動膠帶封箱機控制系統(tǒng)硬件選型、輸入/輸出分配、設(shè)計原理圖、PLC編程、設(shè)備調(diào)試以及驗證分析等工作[4]。

1）硬件選型。

分析全自動膠帶封箱機控制系統(tǒng)設(shè)計思路，全自動膠帶封箱機控制系統(tǒng)需要增硬件：加2個按鈕，分別為啟動按鈕和停止按鈕；3個光電檢測開關(guān)，分別為入口光電開關(guān)、封箱開始光電開關(guān)及封箱完成光電開關(guān)；4個行程開關(guān)，分別為夾緊機構(gòu)上的行程開關(guān)、壓緊裝置上的行程開關(guān)、側(cè)臂上的行程開關(guān)以及上臂的行程開關(guān)；4臺電動機，分別為導(dǎo)軌驅(qū)動電動機、夾緊機構(gòu)電動機、壓緊機構(gòu)電動機、皮帶驅(qū)動電動機。因為PLC需要有9個數(shù)字量輸入和6個繼電器輸出，因此PLC選擇西門子S7-1200，型號為CPU1214C AC/DC/Rly；夾緊機構(gòu)在夾緊過程中，可能會存在因夾緊機構(gòu)上的行程開關(guān)失效導(dǎo)致夾緊機構(gòu)不能及時停止，為避免這種情況的發(fā)生，在夾緊機構(gòu)電動機正轉(zhuǎn)回路中增加熱繼電器；同理壓緊機構(gòu)電動機正轉(zhuǎn)回路中也增加熱繼電器[5]。各硬件詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 全自動膠帶封箱機控制系統(tǒng)硬件參數(shù)

2）輸入/輸出分配。

根據(jù)全自動膠帶封箱機控制系統(tǒng)設(shè)計思路和硬件選型，可以確定啟動按鈕SB1、停止按鈕SB2、入口光電開關(guān)SQ1、封箱開始光電開關(guān)SQ2、夾緊機構(gòu)上的行程開關(guān)SQ3、壓緊裝置上的行程開關(guān)SQ4、封箱完成光電開關(guān)SQ5、側(cè)臂上的行程開關(guān)SQ6、上臂的行程開關(guān)SQ7應(yīng)接PLC的輸入端；導(dǎo)軌驅(qū)動電動機運行、夾緊機構(gòu)電動機正轉(zhuǎn)、壓緊機構(gòu)電動機正轉(zhuǎn)、皮帶驅(qū)動電動機運行、夾緊機構(gòu)電動機反轉(zhuǎn)、壓緊機構(gòu)電動機反轉(zhuǎn)是由PLC輸出信號控制接觸器來間接控制。全自動膠帶封箱機控制系統(tǒng)輸入/輸出分配表如表2所示。

表2 全自動膠帶封箱機控制系統(tǒng)I/O分配表

3）設(shè)計原理圖并安裝接線。

根據(jù)全自動膠帶封箱機控制系統(tǒng)輸入/輸出分配表，在E-plan軟件中完成PLC的接線原理圖設(shè)計，如圖2所示，其中左側(cè)為PLC的供電電源和輸入端接線，右側(cè)為PLC的輸出端接線。按照全自動膠帶封箱機控制系統(tǒng)PLC的接線原理圖完成硬件的安裝和接線。

圖2 全自動膠帶封箱機控制系統(tǒng)PLC接線原理圖

4）PLC編程。

根據(jù)全自動膠帶封箱機的設(shè)計思路和I/O分配過程為：a.啟動并初始化。按下啟動按鈕，導(dǎo)軌電動機和皮帶電動機停止，夾緊機構(gòu)電動機和壓緊機構(gòu)電動機反轉(zhuǎn)，返回初始位置停止，全自動膠帶封箱機處于待機狀態(tài)。b.封箱過程。入口光電檢測開關(guān)檢測到紙箱，導(dǎo)軌電動機和夾緊機構(gòu)上的皮帶電動機啟動，導(dǎo)軌帶動紙箱前進(jìn)靠近封箱開始光電檢測開關(guān)，夾緊機構(gòu)電動機正轉(zhuǎn)驅(qū)動夾緊機構(gòu)靠近紙箱和壓緊機構(gòu)電動機正轉(zhuǎn)驅(qū)動壓緊裝置下壓，當(dāng)夾緊機構(gòu)接近紙箱時紙箱會觸碰到安裝在夾緊機構(gòu)的行程開關(guān)，夾緊機構(gòu)電動機停止工作，當(dāng)壓緊裝置的行程開關(guān)碰到紙箱頂部時，壓緊機構(gòu)電動機停止工作。夾緊機構(gòu)上的皮帶帶動紙箱前進(jìn)，壓緊機構(gòu)帶著封箱機構(gòu)到達(dá)了適合封箱的位置，紙箱經(jīng)過膠帶封箱機構(gòu)完成封箱。封箱結(jié)束后，夾緊機構(gòu)電動機和壓緊機構(gòu)電動機反轉(zhuǎn)，驅(qū)動夾緊機構(gòu)和壓緊機構(gòu)返回初始位置，夾緊機構(gòu)和壓緊機構(gòu)都停止工作后，導(dǎo)軌電動機和皮帶電動機停止工作。此時全自動膠帶封箱處于待機狀態(tài)，等待下一個紙箱進(jìn)入。c.停機。任意時刻按下停止按鈕，全自動膠帶封箱機都會停止工作。若無特殊情況，一般是在全自動膠帶封箱機處于待機狀態(tài)時才按下停止按鈕。PLC程序如圖3所示。

圖3 全自動膠帶封箱機PLC程序

5）設(shè)備調(diào)試及驗證分析。

將編寫好的程序下載到PLC中，并完成設(shè)備調(diào)試。通過對比全自動膠帶封箱機、手動膠帶封箱機、人工分別封50個紙箱所用時間驗證設(shè)備性能。為了更好地模擬紙箱尺寸多變的情景，50個紙箱共有5種尺寸，每種尺寸有10個紙箱，封箱順序為隨機排列，并進(jìn)行6次實驗取平均值，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 全自動膠帶封箱機、手動膠帶封箱機、人工封箱時間對比

對比實驗數(shù)據(jù)，全自動膠帶封箱機封箱時間為0.836 s/個，手動膠帶封箱機封箱時間為4.87 s/個，人工封箱時間為2.064 s/個。

手動膠帶封箱機之所以用時最長、工作強度最高的原因是：紙箱尺寸的變化導(dǎo)致每次封箱前都需要手動調(diào)整夾緊機構(gòu)和壓緊機構(gòu)位置，再手動驅(qū)動導(dǎo)軌完成封箱，大大降低了工作效率、增大了工作強度。手動膠帶封箱機封箱更適合用于尺寸固定的紙箱封箱，只需要在一開始手動調(diào)整夾緊機構(gòu)和壓緊機構(gòu)位置即可。因此，全自動膠帶封箱機則更適用于尺寸多變的紙箱封箱。

3 結(jié)語

目前，紙箱封箱工作普遍采用人工封箱或使用手動膠帶封箱機封箱。但是其封箱效率低、人工成本高的缺點明顯。針對此問題，在手動膠帶封箱機的基礎(chǔ)上增加一套基于S7-1200PLC的控制系統(tǒng)，使膠帶封箱機能夠根據(jù)紙箱的大小調(diào)節(jié)夾緊機構(gòu)寬度和壓緊機構(gòu)高度，實現(xiàn)對不同尺寸紙箱的快速封箱。通過生產(chǎn)驗證，對于尺寸多變的紙箱封箱，該全自動膠帶封箱機的工作效率高于人工封箱或使用手動膠帶封箱機封箱，并且大大降低了工人勞動強度。