王義兵，彭珍瑞，殷 紅，董海棠，祁文哲

(蘭州交通大學(xué) 機電工程學(xué)院，蘭州 730070)

0 引言

目前，紙紗復(fù)合袋的糊底主要采用人工操作，存在糊底效率低、廢品率高、勞動力短缺等問題。由于糊底過程工藝復(fù)雜性等因素限制，目前國內(nèi)還沒有專門針對紙紗復(fù)合袋的糊底設(shè)備。國外雖已有自動化糊底設(shè)備，但由于技術(shù)和產(chǎn)品引進(jìn)的成本較高，維修不便，生產(chǎn)規(guī)格不同，因此，研究紙紗袋自動糊底機，開發(fā)符合我國生產(chǎn)需求的自動化糊底設(shè)備，具有重要的現(xiàn)實意義。

本文采用光、機、電一體化集合和先進(jìn)的工藝流程，以S7-200 PLC控制器為控制核心，運用光電、溫度和壓力等傳感器檢測紙袋位置、膠槽液位、膠槽溫度、閥口紙條、壓輥壓力等控制信息，然后將控制信息傳輸?shù)絇LC進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。通過變頻器調(diào)節(jié)機構(gòu)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)同步運行，精確定位，完成各個工序；并能依據(jù)客戶需求調(diào)整糊底袋寬，操作調(diào)整簡單方便[1]。

1 系統(tǒng)的組成和技術(shù)要求

1.1 工藝流程

紙袋糊底機主要由給料機構(gòu)、傳送機構(gòu)、壓痕機構(gòu)、袋口吸開器、羊角展開器、貼閥機構(gòu)、涂膠機構(gòu)、折邊機構(gòu)、加壓定型機構(gòu)、報警機構(gòu)等組成。

糊底機工藝流程為：由給料機構(gòu)（或人工）將紙袋定位嵌入到傳送帶卡槽內(nèi)，經(jīng)壓痕機構(gòu)，袋底成形的折痕被壓出，為后續(xù)袋底展開和變形做好工藝必要的準(zhǔn)備；再經(jīng)過吸開器、羊角展開器將袋底按折痕定型為六邊形狀，紙袋到達(dá)貼閥機構(gòu)、自動涂膠機構(gòu)時，托輥機構(gòu)動作進(jìn)行涂膠，貼閥機構(gòu)粘貼閥口條；再經(jīng)過折邊機構(gòu)將紙袋合底并成形粘底，最后加壓定型并計數(shù)堆放[2]。完成紙袋的另一端糊底只需閥口機構(gòu)不工作即可，其余流程與上述相同。糊底機平面圖如圖1所示。

圖1 糊底機平面圖

1.2 技術(shù)要求

通過對糊底機工藝流程和控制方法的研究，該方案的主要技術(shù)要求如下：

1）生產(chǎn)能力為20～25條/min；

2）上機袋寬：420～600mm；

3）上機袋筒長度：600～1100mm；

4）袋底寬度：90～130mm；

5）膠槽溫度：60℃，誤差±2℃；

6）閥口貼片類型：筒型閥片；

7）采用分工序、多工位自動化生產(chǎn)方式；

8）通過簡單調(diào)節(jié)，即可實現(xiàn)不同規(guī)格紙袋的糊底工藝。

2 糊底機控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為保證糊底質(zhì)量和產(chǎn)品合格率，各機構(gòu)的同步運行尤為關(guān)鍵。本系統(tǒng)以PLC為控制中心，通過人機界面監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)，設(shè)置變頻器的運行方式和給定頻率，監(jiān)控系統(tǒng)各個參數(shù)。觸摸屏將溫度、壓力、液位等信息送至PLC，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)后將控制信息分別傳輸給加熱器、壓力調(diào)整裝置和報警裝置。PLC從變頻器、傳感器采集有關(guān)數(shù)據(jù)，通過上位機進(jìn)行顯示、數(shù)據(jù)記錄和修改相關(guān)參數(shù)等工作，采用變頻器對各機構(gòu)進(jìn)行變頻調(diào)速[3,4]。

系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 PLC的選型

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，本系統(tǒng)選擇德國西門子公司的S7-200系列的PLC。本機自帶RS-485通信接口、內(nèi)置電源和I/O接口，功能強大、可靠性高、性價比高、使用方便、應(yīng)用廣泛。CPU224XP有數(shù)字量14點輸入，10點輸出；模擬量2點輸入，1點輸出，擴(kuò)展EM231溫度模塊。

2.2.2 涂膠子系統(tǒng)

涂膠子系統(tǒng)采用四級膠水傳遞方式，由粘膠輥、勻膠輥、印膠輥和托輥機構(gòu)四級輥筒組成。裝在工作臺下方的光電傳感器感知紙袋位置，當(dāng)有紙袋經(jīng)過時，控制氣缸動作使托輥機構(gòu)配合印膠輥進(jìn)行涂膠。

本系統(tǒng)要求響應(yīng)時間短，穩(wěn)定性好，開關(guān)頻率高，在此選用SICK V180-2圓柱形漫反射式光電傳感器，該光電傳感器的響應(yīng)時間≦0.5ms，最大開關(guān)頻率1000/s，滿足精度要求。

2.2.3 加熱子系統(tǒng)

膠槽溫度的過高和過低都會影響?zhàn)べN質(zhì)量，加熱子系統(tǒng)主要對膠槽溫度進(jìn)行控制，對精度要求不高，但要求穩(wěn)定。在加熱子系統(tǒng)中，選用Pt100溫度傳感器檢測溫度信號，并將此信號轉(zhuǎn)換成過程變量，此過程變量與實際溫度是10倍的關(guān)系，很容易得到實際溫度值。經(jīng)溫度模塊EM231送入PLC，通過S7-200 PLC控制器的PID指令向?qū)蒔ID控制子程序；輸出Q0.0對應(yīng)的是固態(tài)繼電器的通斷來調(diào)節(jié)加熱器的有效加熱功率，從而實現(xiàn)對膠槽溫度的控制。經(jīng)實踐表明，使用的膠水在60oC時對袋底和閥口條粘貼性能最好，因此溫控目標(biāo)為60oC。

PID子程序如圖3所示。

圖3 PID子程序

為了使水溫迅速、精準(zhǔn)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，加熱分兩個階段。第一個階段為全功率加熱階段，水溫低于55oC時，全功率快速加熱，加熱到55oC，第一階段加熱結(jié)束。第二階段為半功率加熱階段，電流經(jīng)整流硅堆半波整流后功率減半，PLC輸出占空比控制固態(tài)繼電器SSR的通斷，小功率精確實時調(diào)節(jié)膠槽溫度，使膠槽溫度保持在給定值。

經(jīng)過PID調(diào)節(jié)控制面板整定，當(dāng)Kc=8，Ti=0.9，Td=0時，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差最小，輸出平穩(wěn)，基本無震蕩，且滿足精度±2oC的要求[5]，如圖4所示。

圖4 PID參數(shù)整定曲線

2.2.4 壓力子系統(tǒng)

壓力子系統(tǒng)分為壓輥部分和托輥部分。氣路圖如圖5所示。

當(dāng)紙袋經(jīng)過壓痕輥時，袋底成形的折痕被壓出，壓痕輥所施加的壓力過小或過大都將會影響紙袋的工藝要求和品質(zhì)。壓力傳感器檢測到壓輥壓力信號，送進(jìn)PLC進(jìn)行處理，PLC控制壓力調(diào)整裝置調(diào)節(jié)壓輥壓力。

當(dāng)紙袋到達(dá)抹膠輥時，光電傳感器檢測到紙袋信號，通過PLC控制電磁閥的通電和斷電，使托輥機構(gòu)的氣缸能迅速上下動作，頂住紙袋配合抹膠輥進(jìn)行涂膠。通過計算氣缸與托輥的配合關(guān)系，以及袋速綜合得出，托輥機構(gòu)的氣缸壓強需要保持在0.5MPa～0.6MPa。壓力子系統(tǒng)中通過壓力控制器控制空氣壓縮機的啟停，使壓力始終保持在0.5MPa～0.6MPa之間。本系統(tǒng)選擇YWK-50-C型，壓力設(shè)定范圍為0～0.8MPa的壓力控制器。

圖5 氣路圖

2.2.5 調(diào)速子系統(tǒng)

本系統(tǒng)是基于PLC的多電動機同步控制系統(tǒng)，同步調(diào)速是紙袋糊底機生產(chǎn)過程控制的關(guān)鍵問題，要求定位精度高，設(shè)備各部分配合進(jìn)行。傳送帶、吸開器、羊角展開器、貼閥機構(gòu)等必須按一定的速度匹配運行。為滿足控制精度，選用增量型旋轉(zhuǎn)編碼器將檢測電機的速度信號反饋給變頻器，變頻器對目標(biāo)速度的響應(yīng)由其自身的PID調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)閉環(huán)控制。變頻器驅(qū)動電動機變頻調(diào)速，使設(shè)備達(dá)到一種動態(tài)平衡狀態(tài)。

本系統(tǒng)選用西門子MM440變頻器，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)RS-485通信口?？蛇B接變頻調(diào)速的幾種控制方式中，PWM模式的V/F變頻器控制相對簡單，機械特性好，可以通過基本操作面板（BOP）設(shè)置相關(guān)參數(shù)。MM440內(nèi)部有自帶的PID調(diào)節(jié)器，很方便構(gòu)成PID閉環(huán)控制。在輸入端，給定信號與反饋信號相比較，存在的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，變頻器改變輸出頻率，從而迅速、準(zhǔn)確地消除偏差，恢復(fù)到給定值，以調(diào)整電動機速度使其同步。當(dāng)實際負(fù)載變化較大時，可通過PLC修改變頻器內(nèi)部PID參數(shù)[6～8]。

3 控制流程與人機界面的設(shè)計

系統(tǒng)的控制流程如圖6所示。利用STEP 7 Micro/WlN編程軟件，設(shè)置各電機正常運行所需的參數(shù)，將程序下載到PLC中，傳感器檢測所需信號參數(shù)傳送給PLC，由PLC進(jìn)行反饋控制。PLC和變頻器根據(jù)一定的控制規(guī)律和控制算法來控制執(zhí)行單元，執(zhí)行單元進(jìn)行輸出控制，使各機構(gòu)之間匹配運行。

圖6 系統(tǒng)的控制流程圖

人機界面是系統(tǒng)與用戶溝通的橋梁，由WINCC flexible繪制畫面信息。畫面信息主要包括監(jiān)控畫面、操作畫面、報警畫面等。用戶可通過上位機實時監(jiān)控設(shè)備的執(zhí)行情況，修改相關(guān)參數(shù)，將相應(yīng)指令送至PLC進(jìn)行處理，再將指令傳送到執(zhí)行機構(gòu)，當(dāng)超過設(shè)定值時系統(tǒng)進(jìn)行報警并記錄保存。經(jīng)過上、下位機進(jìn)行聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)S7-200 PLC與人機界面之間的實時通訊，信息得到及時反饋[9]。用戶不需要了解具體的PLC指令程序，就可到達(dá)控制要求，操作十分方便。

監(jiān)控系統(tǒng)畫面如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 結(jié)論

自動糊底是包裝行業(yè)的發(fā)展趨勢，本文以PLC為控制核心，氣壓傳動、傳感技術(shù)和組態(tài)等多種先進(jìn)控制技術(shù)，設(shè)計紙紗袋自動糊底機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)充分考慮糊底工藝要求，實現(xiàn)糊底工藝中給料、傳送、壓痕、袋口吸開、羊角展開、自動噴膠、貼閥、折邊、加壓、控制、成型，完成糊底過程流水作業(yè)，一次成型。糊底尺寸規(guī)格的可調(diào)節(jié)性以提高糊底自動化操作的柔性，可解決傳統(tǒng)紙紗復(fù)合袋糊底過程生產(chǎn)工藝復(fù)雜、自動化程度低、勞動力短缺等問題。

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