摘要：論述S7-300系列PLC在山東康平納機械有限公司筒子紗自動包裝機生產(chǎn)線中的應用。該控制系統(tǒng)采用西門子CPU315-2PN/DP控制器。連接ET200M系列的分布式I/O站，組成PROFIBUS-DP通訊網(wǎng)絡，對筒子紗包裝生產(chǎn)線實施集散控制。監(jiān)控部分由裝有WINCCV6.0軟件的計算機群通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機與CP400以太網(wǎng)模塊連接，進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的自動控制。

關鍵詞：PLC300應用；筒子紗；自動包裝；PROFIBUS；ET200M

【中圖分類號】TS49【文獻標識碼】B

1引言

本課題為泰安康平納機械有限公司的委托項目,目的是研究筒子紗自動包裝系統(tǒng),實現(xiàn)筒子紗包裝的自動化。

本課題主要研究筒子紗的編織袋自動包裝[1]。包裝時,要求筒子紗直立放置,由于一般的筒子紗都具有錐度,為節(jié)約空間使其達到最緊密的排列,要求每個筒子紗與其相鄰的筒子紗錐度相反,即頭尾交錯,因此要求包裝設備具有自動排紗的功能。每袋筒子紗裝滿后,要對編織袋進行全自動封口,然后對每袋筒子紗稱重,并將稱重結果上傳至上位機,然后通過噴碼機將產(chǎn)品批號、生產(chǎn)日期、重量等相關信息噴到編織袋上[2]。

本課題研究一種筒子紗自動包裝系統(tǒng),實現(xiàn)筒子紗的大小頭自動檢測與翻轉(zhuǎn),自動封塑與裝袋,在筒子紗自動裝袋結束后,還可以實現(xiàn)編織袋自動封口,并實現(xiàn)編織袋的自動稱重與噴碼[3]。本包裝系統(tǒng)投入使用后,可以最大限度地減少人的參與,不僅可以節(jié)省勞動力,降低生產(chǎn)成本,而且可以提高生產(chǎn)效率?？梢院芎玫亟鉀Q目前招工難、效率低的問題[4]。

2工藝流程

本包裝系統(tǒng)主要包括大小頭檢測、翻轉(zhuǎn)機構、封塑機構、裝袋機構、封口機構、稱重機構和噴碼機構,其總體結構如圖1所示。

圖1筒子紗自動包裝系統(tǒng)總體結構框圖

按照筒子紗運動的方向,首先是上筒子紗,可以由上道工序直接傳輸過來,也可以通過人工上紗;由于上筒子紗時的隨機性,筒子紗的大小頭位置不能確定,大小頭檢測機構實現(xiàn)對筒子紗大小頭位置的檢測,對接下來的選擇性翻轉(zhuǎn)提供依據(jù);選擇性翻轉(zhuǎn)機構根據(jù)大小頭檢測結果以及裝袋時的排紗順序進行選擇性翻轉(zhuǎn);封塑機構實現(xiàn)對筒子紗加裝塑料袋,避免相互之間造成污染,也可以達到防塵、防潮的目的;裝袋機構實現(xiàn)將筒子紗按照己經(jīng)排好的順序裝入編織袋中;裝袋結束后,由封口機構完成對編織袋的封口;稱重機構完成對每袋筒子紗的稱重,并將重量數(shù)據(jù)實時上傳;噴碼機構將生產(chǎn)日期、批號、重量等信息噴到編織袋上;各道工序結束后,由人工或者堆碼機完成堆碼。

控制單元采用西門子PLC實現(xiàn),采用PLC對整個包裝過程進行控制,觸摸屏可以實現(xiàn)現(xiàn)場操作,以及對包裝過程的實時顯示。主控計算機主要實現(xiàn)對包裝系統(tǒng)的遠程上位監(jiān)控,并對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、顯示和輸出。

3系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

筒子紗自動包裝系統(tǒng)主要由大小頭檢測機構、翻轉(zhuǎn)機構、封塑機構、裝袋機構、封口機構、稱重機構和噴碼機構7個機構，以及控制單元，人機交互單元2個單元和網(wǎng)絡通訊組成。本系統(tǒng)的總體結構如圖2所示

圖2筒子紗自動包裝系統(tǒng)總體結構示意圖

3.1氣動系統(tǒng)

筒子紗自動包裝系統(tǒng)的的動力來源除了電機以外,最主要的就是氣動系統(tǒng),其中,翻轉(zhuǎn)機構、封塑機構、裝袋機構、封口機構、稱重機構均需要氣航動作來完成,其總體結構如圖3所示。

圖3氣動系統(tǒng)總體結構圖

3.2控制單元

控制單元的主要硬件如表1所示,其中電源模塊負責為CPU、數(shù)字量輸入輸出模塊、光電傳感器、接近開關等提供電源;數(shù)字量輸入模塊負責接收各傳感器的檢測信息;數(shù)字量輸出模塊負責控制中間繼電器從而控制電磁閥等動作,完成翻轉(zhuǎn)、裝袋、封口等動作;通訊模塊主要負責完成CPU與噴碼機的通信;高速計數(shù)模塊負責接收旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號,并完成計數(shù)。

表1控制單元主要硬件列表

3.3人機交互單元

筒子紗自動包裝系統(tǒng)采用WinCC進行上位組態(tài),主要實現(xiàn)對各個功能模塊的動作監(jiān)控,包括各模塊定位光電的檢測信息、各模塊電磁閥和氣虹的動作信息、切封機和熱收縮機的啟動信息、稱重機構的動作、噴碼機的噴印動作等。還可以實現(xiàn)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,主要是對筒子紗包裝產(chǎn)量的統(tǒng)計,并且可以實現(xiàn)對產(chǎn)量、批號等信息的報表輸出。

圖4系統(tǒng)工藝流程上位機界面

3.4系統(tǒng)網(wǎng)絡通訊

在本系統(tǒng)的控制核心是PLC,其他單元均需要與PLC通信,其中上位機和觸摸屏與PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)通信,硬件連接采用以太網(wǎng)交換機和網(wǎng)線實現(xiàn),采用Profinet通信協(xié)議。PLC與噴碼機通過PLC的CP340通信模塊的RS232接口實現(xiàn)。PLC與稱重模塊和變頻器均通過Profibus實現(xiàn),稱重機構選擇了具有Profibus-DP接口的稱重終端,因此通過Profibus可以實現(xiàn)與其通信,而在西門子變頻器上加裝Profibus模板,便可以實現(xiàn)變頻器與PLC的通信。

4程序設計

4.1系統(tǒng)硬件組態(tài)

可編程控制器中已經(jīng)根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出信號的性質(zhì)和點數(shù)及對控制系統(tǒng)的功能要求,確定了系統(tǒng)的硬件配置,如CPU模塊、電源模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊的型號等。因為本系統(tǒng)的SM、CP和FM的塊數(shù)沒有超過8塊,因此除中央機架以外,不需要配置擴展機架和接口模塊(IM)。模塊添加完成后,在各個模塊的屬性窗口設置模塊參數(shù),雙擊機架上的相應模塊,將自動彈出對應模塊的屬性設置窗口,在彈出的“屬性”對話框中單擊某一選項,便可以設置相應的屬性。

在STEP7中完成系統(tǒng)的硬件組態(tài)工作以后,執(zhí)行Station(站點)-SaveandCompile(保存與編譯),在保存組態(tài)和編譯的同時,把組態(tài)和設置的參數(shù)自動保存到生成的系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊(SDB)中。系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖5所示。

圖5系統(tǒng)硬件組態(tài)窗口

4.2各模塊軟件設計

大小頭檢測主要檢測筒子紗大頭朝上或朝下,通過讀取光電傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器的信息,通過運算、比較,可以判斷當前筒子紗為大頭朝上或者朝下,并將檢測結果存儲到存儲單元。當筒子紗到達翻轉(zhuǎn)機構時,判斷當前筒子紗是否需要翻轉(zhuǎn),若需要翻轉(zhuǎn)則完成翻轉(zhuǎn)動作。選擇性翻轉(zhuǎn)流程如圖6所示。選擇性翻轉(zhuǎn)結束后,筒子紗經(jīng)封塑機構的切封機和熱收縮機完成封塑后,進入裝袋機構,按每排3個,共4排裝入編織袋中,裝袋機構的程序流程如圖7所示。

圖6選擇性翻轉(zhuǎn)流程圖                圖7筒子紗裝袋流程圖

裝滿筒子紗的編織袋在滾筒線上輸送,進入封口機構,首先通過推桿氣社動作將編織袋口壓住,然后通過同步帶將編織袋口送入自動縫紉機中,完成封口,其程序流程如圖8所示。

采用自行設計的靜態(tài)稱重方式,需要光電定位開關與推桿氣航的配合完成,當檢測到編織袋到來時,4個推桿氣缸同時動作,將編織袋頂起,脫離滾筒線,穩(wěn)定一段時間后,讀取稱重模塊的重量數(shù)據(jù),然后4個推桿氣缸歸位,編織袋與滾筒線接觸,繼續(xù)向前輸送。稱重機構程序流程如圖9所示。

圖8封口機構程序流程圖               圖9稱重機構程序流程圖

4.3控制單元總體實現(xiàn)

按照本系統(tǒng)筒子紗的包裝流程,控制單元主要由以下幾個子模塊組成:大小頭檢測模塊、選擇性翻轉(zhuǎn)模塊、裝袋機構模塊、封口機構模塊、稱重機構模塊、噴碼模塊?？刂茊卧目傮w流程如圖10所示。

圖10總體流程圖

控制系統(tǒng)最終用STEP7編程，部分程序如圖11所示。

圖11部分程序

5結束語

目前筒子紗自動包裝機順利通過了生產(chǎn)線驗收。

（1）實現(xiàn)筒子紗的大小頭自動檢測與翻轉(zhuǎn)，解決了人為誤操作的可能，并大大節(jié)省了勞動力成本，而且可以提高生產(chǎn)效率。

（2）自動封塑與裝袋。解決了人工包裝,不僅工作量大也容易使人疲勞,并占用大量的人力資源的社會難題。

（3）在筒子紗自動裝袋結束后，還可以實現(xiàn)編織袋自動封口，并實現(xiàn)編織袋的自動稱重與噴碼。實現(xiàn)筒子紗包裝的自動化。

參考文獻

[1]劉乘,李曉剛.PLC在包裝機械上的應用[J].包裝工程,2004,25(2):51-52.

[2]戴宏民,戴佩燕,周均.中國包裝機械發(fā)展的成就及問題[J].包裝學報,2012,4(1):

[3]李澤昌.筒子紗包裝裝置[P].中國:CN201808667.2011-04-27.

[4]韓占華,郭飛.自動化在包裝機械中的應用和展望包裝與食品機械,2011,29(3):

作者簡介：秦嶺（1990-），男，碩士研究生，現(xiàn)就讀于山東大學控制科學與工程學院，主要研究方向為DCS、SCADA與工業(yè)自動化。