摘要：論述S7-300系列PLC在山東康平納機(jī)械有限公司筒子紗自動(dòng)包裝機(jī)生產(chǎn)線中的應(yīng)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(luò)，對(duì)筒子紗包裝生產(chǎn)線實(shí)施集散控制。監(jiān)控部分由裝有WINCCV6.0軟件的計(jì)算機(jī)群通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與CP400以太網(wǎng)模塊連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：PLC300應(yīng)用；筒子紗；自動(dòng)包裝；PROFIBUS；ET200M

【中圖分類號(hào)】TS49【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

1引言

本課題為泰安康平納機(jī)械有限公司的委托項(xiàng)目,目的是研究筒子紗自動(dòng)包裝系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)筒子紗包裝的自動(dòng)化。

本課題主要研究筒子紗的編織袋自動(dòng)包裝[1]。包裝時(shí),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(dá)到最緊密的排列,要求每個(gè)筒子紗與其相鄰的筒子紗錐度相反,即頭尾交錯(cuò),因此要求包裝設(shè)備具有自動(dòng)排紗的功能。每袋筒子紗裝滿后,要對(duì)編織袋進(jìn)行全自動(dòng)封口,然后對(duì)每袋筒子紗稱重,并將稱重結(jié)果上傳至上位機(jī),然后通過(guò)噴碼機(jī)將產(chǎn)品批號(hào)、生產(chǎn)日期、重量等相關(guān)信息噴到編織袋上[2]。

本課題研究一種筒子紗自動(dòng)包裝系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)筒子紗的大小頭自動(dòng)檢測(cè)與翻轉(zhuǎn),自動(dòng)封塑與裝袋,在筒子紗自動(dòng)裝袋結(jié)束后,還可以實(shí)現(xiàn)編織袋自動(dòng)封口,并實(shí)現(xiàn)編織袋的自動(dòng)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(dòng)力,降低生產(chǎn)成本,而且可以提高生產(chǎn)效率。可以很好地解決目前招工難、效率低的問(wèn)題[4]。

2工藝流程

本包裝系統(tǒng)主要包括大小頭檢測(cè)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、封塑機(jī)構(gòu)、裝袋機(jī)構(gòu)、封口機(jī)構(gòu)、稱重機(jī)構(gòu)和噴碼機(jī)構(gòu),其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1筒子紗自動(dòng)包裝系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

按照筒子紗運(yùn)動(dòng)的方向,首先是上筒子紗,可以由上道工序直接傳輸過(guò)來(lái),也可以通過(guò)人工上紗;由于上筒子紗時(shí)的隨機(jī)性,筒子紗的大小頭位置不能確定,大小頭檢測(cè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)筒子紗大小頭位置的檢測(cè),對(duì)接下來(lái)的選擇性翻轉(zhuǎn)提供依據(jù);選擇性翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)根據(jù)大小頭檢測(cè)結(jié)果以及裝袋時(shí)的排紗順序進(jìn)行選擇性翻轉(zhuǎn);封塑機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)筒子紗加裝塑料袋,避免相互之間造成污染,也可以達(dá)到防塵、防潮的目的;裝袋機(jī)構(gòu)實(shí)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(jié)束后,由封口機(jī)構(gòu)完成對(duì)編織袋的封口;稱重機(jī)構(gòu)完成對(duì)每袋筒子紗的稱重,并將重量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳;噴碼機(jī)構(gòu)將生產(chǎn)日期、批號(hào)、重量等信息噴到編織袋上;各道工序結(jié)束后,由人工或者堆碼機(jī)完成堆碼。

控制單元采用西門子PLC實(shí)現(xiàn),采用PLC對(duì)整個(gè)包裝過(guò)程進(jìn)行控制,觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)操作,以及對(duì)包裝過(guò)程的實(shí)時(shí)顯示。主控計(jì)算機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝系統(tǒng)的遠(yuǎn)程上位監(jiān)控,并對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、顯示和輸出。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

筒子紗自動(dòng)包裝系統(tǒng)主要由大小頭檢測(cè)機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、封塑機(jī)構(gòu)、裝袋機(jī)構(gòu)、封口機(jī)構(gòu)、稱重機(jī)構(gòu)和噴碼機(jī)構(gòu)7個(gè)機(jī)構(gòu)，以及控制單元，人機(jī)交互單元2個(gè)單元和網(wǎng)絡(luò)通訊組成。本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示

圖2筒子紗自動(dòng)包裝系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

3.1氣動(dòng)系統(tǒng)

筒子紗自動(dòng)包裝系統(tǒng)的的動(dòng)力來(lái)源除了電機(jī)以外,最主要的就是氣動(dòng)系統(tǒng),其中,翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、封塑機(jī)構(gòu)、裝袋機(jī)構(gòu)、封口機(jī)構(gòu)、稱重機(jī)構(gòu)均需要?dú)夂絼?dòng)作來(lái)完成,其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3氣動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)為CPU、數(shù)字量輸入輸出模塊、光電傳感器、接近開關(guān)等提供電源;數(shù)字量輸入模塊負(fù)責(zé)接收各傳感器的檢測(cè)信息;數(shù)字量輸出模塊負(fù)責(zé)控制中間繼電器從而控制電磁閥等動(dòng)作,完成翻轉(zhuǎn)、裝袋、封口等動(dòng)作;通訊模塊主要負(fù)責(zé)完成CPU與噴碼機(jī)的通信;高速計(jì)數(shù)模塊負(fù)責(zé)接收旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號(hào),并完成計(jì)數(shù)。

表1控制單元主要硬件列表

3.3人機(jī)交互單元

筒子紗自動(dòng)包裝系統(tǒng)采用WinCC進(jìn)行上位組態(tài),主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)功能模塊的動(dòng)作監(jiān)控,包括各模塊定位光電的檢測(cè)信息、各模塊電磁閥和氣虹的動(dòng)作信息、切封機(jī)和熱收縮機(jī)的啟動(dòng)信息、稱重機(jī)構(gòu)的動(dòng)作、噴碼機(jī)的噴印動(dòng)作等。還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),主要是對(duì)筒子紗包裝產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì),并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)量、批號(hào)等信息的報(bào)表輸出。

圖4系統(tǒng)工藝流程上位機(jī)界面

3.4系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(jī)和觸摸屏與PLC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通信,硬件連接采用以太網(wǎng)交換機(jī)和網(wǎng)線實(shí)現(xiàn),采用Profinet通信協(xié)議。PLC與噴碼機(jī)通過(guò)PLC的CP340通信模塊的RS232接口實(shí)現(xiàn)。PLC與稱重模塊和變頻器均通過(guò)Profibus實(shí)現(xiàn),稱重機(jī)構(gòu)選擇了具有Profibus-DP接口的稱重終端,因此通過(guò)Profibus可以實(shí)現(xiàn)與其通信,而在西門子變頻器上加裝Profibus模板,便可以實(shí)現(xiàn)變頻器與PLC的通信。

4程序設(shè)計(jì)

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(hào)的性質(zhì)和點(diǎn)數(shù)及對(duì)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(hào)等。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的SM、CP和FM的塊數(shù)沒有超過(guò)8塊,因此除中央機(jī)架以外,不需要配置擴(kuò)展機(jī)架和接口模塊(IM)。模塊添加完成后,在各個(gè)模塊的屬性窗口設(shè)置模塊參數(shù),雙擊機(jī)架上的相應(yīng)模塊,將自動(dòng)彈出對(duì)應(yīng)模塊的屬性設(shè)置窗口,在彈出的“屬性”對(duì)話框中單擊某一選項(xiàng),便可以設(shè)置相應(yīng)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(diǎn))-SaveandCompile(保存與編譯),在保存組態(tài)和編譯的同時(shí),把組態(tài)和設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)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(shè)計(jì)

大小頭檢測(cè)主要檢測(cè)筒子紗大頭朝上或朝下,通過(guò)讀取光電傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器的信息,通過(guò)運(yùn)算、比較,可以判斷當(dāng)前筒子紗為大頭朝上或者朝下,并將檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元。當(dāng)筒子紗到達(dá)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)時(shí),判斷當(dāng)前筒子紗是否需要翻轉(zhuǎn),若需要翻轉(zhuǎn)則完成翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。選擇性翻轉(zhuǎn)流程如圖6所示。選擇性翻轉(zhuǎn)結(jié)束后,筒子紗經(jīng)封塑機(jī)構(gòu)的切封機(jī)和熱收縮機(jī)完成封塑后,進(jìn)入裝袋機(jī)構(gòu),按每排3個(gè),共4排裝入編織袋中,裝袋機(jī)構(gòu)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(jìn)入封口機(jī)構(gòu),首先通過(guò)推桿氣社動(dòng)作將編織袋口壓住,然后通過(guò)同步帶將編織袋口送入自動(dòng)縫紉機(jī)中,完成封口,其程序流程如圖8所示。

采用自行設(shè)計(jì)的靜態(tài)稱重方式,需要光電定位開關(guān)與推桿氣航的配合完成,當(dāng)檢測(cè)到編織袋到來(lái)時(shí),4個(gè)推桿氣缸同時(shí)動(dòng)作,將編織袋頂起,脫離滾筒線,穩(wěn)定一段時(shí)間后,讀取稱重模塊的重量數(shù)據(jù),然后4個(gè)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(jī)構(gòu)程序流程如圖9所示。

圖8封口機(jī)構(gòu)程序流程圖               圖9稱重機(jī)構(gòu)程序流程圖

4.3控制單元總體實(shí)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(gè)子模塊組成:大小頭檢測(cè)模塊、選擇性翻轉(zhuǎn)模塊、裝袋機(jī)構(gòu)模塊、封口機(jī)構(gòu)模塊、稱重機(jī)構(gòu)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(jié)束語(yǔ)

目前筒子紗自動(dòng)包裝機(jī)順利通過(guò)了生產(chǎn)線驗(yàn)收。

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

（2）自動(dòng)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(huì)難題。

（3）在筒子紗自動(dòng)裝袋結(jié)束后，還可以實(shí)現(xiàn)編織袋自動(dòng)封口，并實(shí)現(xiàn)編織袋的自動(dòng)稱重與噴碼。實(shí)現(xiàn)筒子紗包裝的自動(dòng)化。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：秦嶺（1990-），男，碩士研究生，現(xiàn)就讀于山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)镈CS、SCADA與工業(yè)自動(dòng)化。