許文靜

(江陰職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系， 江蘇 江陰 214433)

緩沖袋氣柱成型機控制系統(tǒng)

許文靜

(江陰職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系， 江蘇 江陰 214433)

根據(jù)實際控制要求，選用三菱的控制器，通過觸摸屏進行人機對話，光電傳感器對卷膜的位置進行識別，完成了硬件系統(tǒng)和軟件平臺的搭建。實踐證明,采用該控制方案，性能安全可靠，降低了生產(chǎn)成本，自動化程度高，有效提高緩沖袋的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

氣柱成型機； PLC； 觸摸屏

0 引 言

近年來，緩沖袋作為一種新型包裝材料較多應(yīng)用于各運輸包裝領(lǐng)域。它主要用在易碎商品的內(nèi)層保護性包裝上，如微電子產(chǎn)品、緊密儀器、打印耗材等，起到抗振防摔，防潮防靜電。

緩沖袋的生產(chǎn)經(jīng)印刷、復(fù)合、分切、制袋4個過程完成。緩沖袋氣柱成型機是其中生產(chǎn)柱狀空氣墊的復(fù)合、分切設(shè)備。傳統(tǒng)的緩沖袋制作方法比較困難，而且比較單一，在運輸過程中，緩沖袋保持的時間比較短,極易造成漏氣及密封性不好。且國內(nèi)緩沖袋的生產(chǎn)主要以引進國外生產(chǎn)設(shè)備為主，存在成本高、維修困難等缺點[1]。

文中分析了PLC控制技術(shù)和觸摸屏技術(shù)在緩沖袋薄膜氣柱成型系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計了緩沖袋氣柱成型的控制系統(tǒng)。將PLC和觸摸屏結(jié)合，使現(xiàn)場操作更簡便，對于控制程序和人機界面的靈活性有了很大的提升，使系統(tǒng)性能更加安全可靠。

1 緩沖袋氣柱成型機的結(jié)構(gòu)及工作原理

緩沖袋氣柱成型機是將塑料薄膜經(jīng)熱壓形成氣柱狀單元的成型設(shè)備。成型之后的緩沖袋分成袋裝型和襯墊型。袋裝型有全包產(chǎn)品(如Q型袋)、半包產(chǎn)品(如半Q型袋)、單面包產(chǎn)品(如U型袋)的袋型；襯墊型可分為無折點的單面襯墊、兩折點的L型襯墊、三折點的U型襯墊及氣泡組合[2]。袋裝型如圖1所示。

圖1 緩沖袋外形

緩沖袋氣柱成型機的結(jié)構(gòu)由上卷膜機構(gòu)、下卷膜機構(gòu)、閥封拉膜機構(gòu)、三層拉膜機構(gòu)和收膜機構(gòu)等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

上、下卷膜機構(gòu)在剎車調(diào)速電機的帶動下放膜，當漲膜機構(gòu)滑動輥到底端，調(diào)速電機在漲膜機構(gòu)上的光電開關(guān)控制下停止；當漲膜機構(gòu)滑動輥到頂端，電機開始送膜。閥封拉膜機構(gòu)由獨立的步進電機控制，在閥封氣缸升到位后開始拉膜，并且?guī)в须娧鄹櫣δ埽勺詣蛹m正拉膜的距離。三層拉膜機構(gòu)作用和閥封拉膜機構(gòu)相同。收膜機構(gòu)在剎車調(diào)速電機帶動下收膜，調(diào)速電機開關(guān)由漲膜機構(gòu)上的光電開關(guān)控制，漲膜機構(gòu)滑動輥到底端，電機開始收膜，漲膜機構(gòu)滑動輥拉到頂端，電機停止。

1.收膜機構(gòu)； 2.漲膜機構(gòu); 3.三層拉膜機構(gòu); 4.熱封1； 5.熱封2; 6.閥封糾偏光電開關(guān);7.閥封拉膜機構(gòu)； 8.熱封3; 9.下層卷膜機構(gòu)； 10.上層卷膜機構(gòu)

半成品(印刷好的三層薄膜)的加工需要經(jīng)過放膜、熱封、牽引、收膜等幾個工序才能制成未充氣的成品緩沖袋。

由圖2可知，緩沖袋氣柱成型機在具體工作時，首先將卷繞成筒的印刷薄膜進行放膜，放膜的長度由漲膜機構(gòu)控制。當漲膜機構(gòu)滑動輥到底端，調(diào)速電機停止放膜。在氣缸的推力作用下，燙刀對三層薄膜進行熱封，當熱封結(jié)束燙刀抬起時(由光電傳感器進行信號識別)通過拉膜機構(gòu)指定氣柱的寬度。燙刀上下循環(huán)一周期，薄膜就成形往前移動預(yù)先設(shè)定好的位置。然后經(jīng)收膜機構(gòu)牽引制成袋子。只有對熱封、定長、定位、張力、溫度進行全面控制，氣柱成型機在成型過程中才能高效率、高質(zhì)量。

緩沖袋氣柱成型機工藝流程如圖3所示。

圖3 緩沖袋氣柱成型機工藝流程

2 緩沖袋氣柱成型機的控制要求

系統(tǒng)主要實現(xiàn)對三層薄膜進行傳送并燙封成密封的氣柱。具體的控制要求如下：

1)氣柱密封性好，滿足一定的氣壓；

2)氣柱寬度可根據(jù)客戶要求調(diào)節(jié)；

3)在系統(tǒng)正常運行的情況下，循環(huán)次數(shù)26.7 r/min，多重步驟速度13 r/min，平均速度8.2 m/min， 標示區(qū)域10 mm ，進料設(shè)定307.0 m，使其定位誤差≤±0.2 mm，溫度誤差≤1 ℃，以確保燙封的平整性、牢度和精確的定位裁切。

在氣柱成型過程中，膜長與主機速度、定長定位和薄膜進給間的協(xié)調(diào)控制是主要的控制難點[3]。為了防止操作過程中的失誤,采用膜長主機速度的協(xié)調(diào)控制；提高生產(chǎn)速度及減少操作調(diào)整的重點是定長定位與薄膜進給的協(xié)調(diào)控制[4]。

整個成型系統(tǒng)的控制對象是幾個執(zhí)行裝置的順序或循環(huán)動作，被控量主要是限位開關(guān)和光電開關(guān)等的實時反饋?？紤]到本系統(tǒng)的控制規(guī)模小，被控制量少，另外還根據(jù)用戶的要求，在對整個項目的成本和綜合效益的全面分析基礎(chǔ)上，決定選擇可編程邏輯控制器作為主控制器。

3 硬件設(shè)計

根據(jù)氣柱成型機控制要求和控制功能的分析，數(shù)字量輸入信號有8個，模擬量輸入信號有2個，數(shù)字量輸出信號有7個，模擬量輸出信號有2個;考慮到以后的擴展，本設(shè)計保留一定的擴展余量(工業(yè)應(yīng)用中一般保留 20% 左右)，因此，PLC機型選擇三菱FX2N系列FX2N-32MR-D一臺。 FX2N-32MR-D有16個數(shù)字量輸入點，16 個數(shù)字量輸出點，2 個模擬量輸入點和 1 個模擬量輸出點。FX2N系列具有性能優(yōu)異、運行速度快、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

3.1 I/O地址分配

緩沖袋氣柱成型機控制系統(tǒng)輸入信號、輸出信號對應(yīng)PLC 的I/O 地址分配見表1。

表1 I/O端子分配表

3.2 I/O接線

根據(jù)I/O分配表和氣柱成型機的控制要求，給出PLC的I/O接線圖，如圖4所示。

圖4 硬件電路接線圖

通過電機使同步帶傳動來直接控制袋子的長度。緩沖袋氣柱成型機的控制中心是PLC,通過調(diào)速器對驅(qū)動放膜的電機和收膜的電機進行調(diào)速控制,從而達到緩沖袋所要求氣柱的寬度。在袋傳動鏈系統(tǒng)中設(shè)有編碼器,對實際的袋速可以進行在線測量,從而使送料在設(shè)定的周期內(nèi)做變速運動。該系統(tǒng)能反映各個電機的故障現(xiàn)象,并通過觸摸屏實時顯示,減小了傳統(tǒng)的繼電-接觸式控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié),減少了硬件和線路,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。功能上的發(fā)展趨勢是向著操作更簡單和維修更方便的方向發(fā)展,使整個機械結(jié)構(gòu)得到簡化,自動化程度得到顯著提高。

3.3其它主要硬件選型

在放膜電機和收膜電機啟動之前,檢測和控制條件均有效,則按下啟動按鈕使兩臺機低速啟動、同步升速、協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn),并在控制系統(tǒng)控制下升速,達到預(yù)定的運行速度而平穩(wěn)工作。若機器一旦發(fā)生故障，可立即快速制停及切斷電源,確保機器在啟停中均能保持平穩(wěn)，減小機械沖擊，確保人身安全。

上、下卷膜機構(gòu)采用可調(diào)速電機,根據(jù)制袋機工作情況,只要速度變化的范圍內(nèi)輸出扭矩的要求不變,即必須采用恒扭矩調(diào)速電機,轉(zhuǎn)速的范圍為70～1 420 r/min可調(diào)。根據(jù)以上分析，文中采用精研生產(chǎn)的100YF200GV22，三層拉模機構(gòu)和閥封拉模機構(gòu)均采用三相步進電機驅(qū)動，步進電機通過和D306型號步進電機驅(qū)動器連接。選用D306型號步進電機驅(qū)動器，是因為它在控制方式上具有全數(shù)字式電流環(huán)控制，三相正弦電流驅(qū)動輸出的優(yōu)點，能實現(xiàn)三相混合式電機無低速爬行，無共振，噪音小等特點[5]。D306驅(qū)動器有一個撥碼開關(guān)，通過開關(guān)可設(shè)置電機轉(zhuǎn)步數(shù)等。

在熱封過程中，加熱的元件采用的是電熱管。電熱管的作用將電能轉(zhuǎn)化為熱能，由于其價格便宜、使用安裝方便、無污染，所以被廣泛使用在各種加熱場合。與其它同熱量的電熱元件相比，管狀電熱管可節(jié)約5%的電熱材料，同時，熱效率可達到90%以上。因此，文中選用電熱管型號AC220v-3X500W，能夠滿足加熱塑料薄膜的工藝要求。

3.4觸摸屏

運用可編程控制器可以提高控制系統(tǒng)的運行速度、可靠性和抗干擾能力。但觸摸屏的使用與可編程控制器組成了一個橋梁，兩者相輔相成形成了一個良好的人機界面，同時兩者相互協(xié)調(diào)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。一般由觸摸檢測裝置和觸摸屏控制器兩個部分組成觸摸屏[6]。觸摸檢測裝置需要安裝在顯示器屏幕的前面，用于檢測的觸摸位置，接收到信號后傳送給觸摸屏控制器。觸摸屏控制器的作用是從觸摸檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點坐標，再次傳送給處理器CPU，它同時也可以接收處理器CPU發(fā)來的命令，并且執(zhí)行發(fā)出命令。

4 軟件設(shè)計

4.1 PLC控制程序設(shè)計

對于PLC與觸摸屏的緩沖袋氣柱成型機的控制系統(tǒng)，機器運作時程序繁多，并且每一步都有嚴格的邏輯關(guān)系。為了滿足緩沖袋氣柱成型機在生產(chǎn)中的需要，同時降低成本，采用威綸公司的觸摸屏和FX2N系列的PLC對緩沖袋制袋機進行高效率的系統(tǒng)設(shè)計[7]。

根據(jù)方案要求，本系統(tǒng)控制采用模塊化的結(jié)構(gòu)，其基本思路是：首先通過威綸MT8000觸摸屏設(shè)定好本次加工的參數(shù)，然后把送膜、卷膜及熱封電源打開，上、放膜開始動作。當檢測到信號時，3臺主電機開始動作，同時進行光電檢測，防止出現(xiàn)偏差。由人機界面可以控制熱封電磁閥。當氣路中電磁閥得電時，控制氣缸動作，進行熱封；當氣缸到達下限位時，氣缸上升，同時兩位兩通冷卻電磁閥得電進行冷卻。然后通過步進電機開始拉膜、收膜，當收膜檢測到位時即符合參數(shù)，主電機自動停止運轉(zhuǎn)。

4.2觸摸屏界面設(shè)計

選用威綸公司的軟件MT8000對氣柱成型機進行觸摸界面的設(shè)計，它可以對界面參數(shù)、手動及自動進行有效的調(diào)整[8]。基本參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖5 基本參數(shù)設(shè)置圖

在系統(tǒng)運行之前，最重要的就是設(shè)置參數(shù)。觸摸屏可以將運行狀態(tài)參數(shù)的大量數(shù)據(jù)通過電纜線傳送到PLC中，比如制袋的速度、袋子的長度、熱封的寬度等。只需要輕輕地觸碰“參數(shù)畫面”鍵便可以進入到參數(shù)畫面設(shè)置當中需要改變的相應(yīng)參數(shù)。

5 結(jié) 語

緩沖袋發(fā)展的趨勢是勢不可擋的。隨著現(xiàn)代化水平的提高，越來越重視運輸當中出現(xiàn)的一系列問題，尤其在一些運輸當中會造成一些無法挽救的損失。經(jīng)分析研究，影響緩沖袋制袋機效率的因素主要有：定位定長精確度較低、熱封時的溫度提升較慢，驅(qū)動電機帶動的連桿機構(gòu)磨損較為嚴重等。實踐表明,緩沖袋氣柱成型機控制系統(tǒng)設(shè)計性能安全可靠，操作方便，自動化程度高。同時，緩沖袋氣柱成型機在未來的發(fā)展中會漸漸通過PLC與觸摸屏建立通道連接，實現(xiàn)人機界面對參數(shù)進行簡單有效調(diào)整，進而可以達到高效率的制袋。

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Control system in a buffer bag gas column forming machine

XU Wen-jing

(Department of Mechatronic Engineering, Jiangyin Polytechnic College, Jiangyin 214433， China)

To meet the needs of practical control, both the hardware and software for the buffer bag gas column forming machine are established, in which mitsubishi controller, touch-panel human-machine interface and photoelectric sensor are used. It is showed that the control system can be applied to the buffer bag gas column forming machine with high efficiency.

buffer bag gas column forming machine; PLC; touch-panel.

2014-06-20

許文靜(1978-)，女，漢族，江蘇無錫人，江陰職業(yè)技術(shù)學院講師，碩士，主要從事機電一體化及電氣控制方向研究,E-mail:jessic_xwj@163.com.

TB 485.1; TB 486

A

1674-1374(2014)05-0557-05