馬良

上海氦豚機(jī)器人科技有限公司，上海，200050

0 引言

為實(shí)現(xiàn)鞋子外觀定型，需要先將鞋面固定到鞋楦上，經(jīng)定型壓機(jī)初步定型后，將初步定型的鞋子放置在80~85℃的烘箱內(nèi)，烘烤100~150秒，然后從烘箱拿出來，進(jìn)行涂膠、覆底等工序。熱定型的質(zhì)量直接影響到后面的工序，進(jìn)而影響整個鞋子的質(zhì)量。熱定型最關(guān)鍵的兩個因素是定型溫度和定型時間。傳統(tǒng)的熱定型存在如下問題。

（1）工人將鞋子放入烘箱，給烘箱設(shè)置定型溫度和定型時間，到時間后再由工人拿出來。這種方式費(fèi)時費(fèi)力，效率不高，并且溫度和定型時間都不準(zhǔn)確。

（2）工人將鞋子放入流水線，由流水線把鞋子送入烘箱定型，根據(jù)不同鞋子的材質(zhì)和款式，由工人手工調(diào)節(jié)流水線的轉(zhuǎn)速和烘箱溫度[1-2]。這種方式需要手動調(diào)節(jié)流水線的速度以達(dá)到調(diào)節(jié)定型時間的目的，并且定型溫度和定型時間都是開環(huán)控制，所以定型效果滿足不了高質(zhì)量的要求。

基于此，本文用XD2-16T-E型PLC設(shè)計(jì)了一款能夠精確控制熱定型溫度和時間的流水線控制系統(tǒng)，能夠較好地解決鞋子熱定型問題。

1 工藝過程

該熱定型流水線控制系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

本系統(tǒng)主要由一條長度為5米的隧道烘箱和一條長度為8米的耐高溫流水線組成。工人將定型壓機(jī)初步定型后的鞋子放到流水線上，根據(jù)鞋子的材質(zhì)和款式，通過上位機(jī)觸摸屏設(shè)置鞋子的定型溫度和定型時間，點(diǎn)擊啟動按鈕，鞋子在流水線的帶動下進(jìn)入烘箱定型，定型的鞋子流出烘箱后，進(jìn)入到下一道生產(chǎn)工序。點(diǎn)擊關(guān)閉按鈕，烘箱立刻停止加熱，風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作，直到烘箱內(nèi)溫度≤30℃，風(fēng)機(jī)停止工作，然后流水線停止工作。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件主要由隧道烘箱和流水線組成，其控制部件溫度控制器和變頻器均接入RS-485總線，通過MODUBUS RTU協(xié)議和PLC通訊[3]。

2.1 烘箱溫度控制硬件設(shè)計(jì)

烘箱由熱風(fēng)幕、加熱模塊、固態(tài)繼電器、風(fēng)機(jī)、溫度傳感器、溫度控制器等主要部件組成。

烘箱除了結(jié)構(gòu)上做保溫設(shè)計(jì)外，在其入口和出口處分別設(shè)計(jì)了兩個熱風(fēng)幕，烘箱啟動時，熱風(fēng)幕也同時啟動，防止烘箱內(nèi)部溫度流失。因傳統(tǒng)的擋風(fēng)簾和鞋面有接觸，可能造成鞋面定型出問題，所以本設(shè)計(jì)使用了非接觸式熱風(fēng)幕。

為了在保證熱定型的時間不變的情況下，盡可能提升流水線的速度，根據(jù)V=L/T（V為流水線速度，L為烘箱長度，T為熱定型時間），結(jié)合烘箱的成本因素，將烘箱的長度設(shè)置為5m。

烘箱的加熱模塊電氣原理如圖2所示。QF為加熱部件總斷路器，加熱模塊由3組遠(yuǎn)紅外陶瓷加熱板組成，每組有3塊600W陶瓷加熱板，均勻分布在烘箱內(nèi)部，每組陶瓷加熱板由一路固態(tài)繼電器（SSR）單獨(dú)控制。固態(tài)繼電器因其無觸點(diǎn)，響應(yīng)速度快，開關(guān)頻率高，所以可以配合溫度控制器的PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)溫度快速精確調(diào)控[4]。另外本設(shè)計(jì)摒棄了傳統(tǒng)的加熱管，采用陶瓷加熱板。陶瓷加熱板較之傳統(tǒng)加熱管，抗氧化性更強(qiáng)，使用壽命更長，發(fā)熱更均勻。

烘箱頂部設(shè)置了兩個三相交流風(fēng)機(jī)，并通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了循環(huán)風(fēng)道，用來將加熱部件產(chǎn)生的熱量循環(huán)到烘箱內(nèi)部，保證內(nèi)部溫度均勻。風(fēng)機(jī)由PLC通過接觸器控制。為防止加熱模塊局部過熱導(dǎo)致?lián)p壞，點(diǎn)擊啟動按鈕后，風(fēng)機(jī)會先啟動，然后加熱模塊開始加熱；點(diǎn)擊停止按鈕后，風(fēng)機(jī)在加熱模塊停止加熱后繼續(xù)工作，直到溫度降到≤30℃后，由PLC控制其停止。風(fēng)機(jī)電氣原理如圖3所示。

鞋子熱定型的溫度一般為80~85℃，考慮到精度和溫度范圍要求，選用工業(yè)級的PT100熱電阻作為溫度傳感器。

烘箱的溫度控制采用性能穩(wěn)定、控溫精度高的臺松EM105溫度控制器。溫度控制器接線如圖4所示。

本設(shè)計(jì)選用的這款溫度控制器8/9/10引腳用來接精度較高的PT100電阻型溫度傳感器，控制器4/5引腳輸出脈沖信號控制固態(tài)繼電器的通斷，通過溫度控制器自帶的PID功能調(diào)整加熱模塊的平均功率[5]，以此達(dá)到快速調(diào)溫的目的。溫度控制器帶有RS-485通訊接口，PLC通過此接口設(shè)置和讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中，3個溫度控制器的通訊地址分別設(shè)置為01/02/03。

2.2 流水線控制硬件設(shè)計(jì)

流水線主要負(fù)責(zé)傳送鞋子并控制鞋子的定型時間，主要由傳送帶、驅(qū)動電機(jī)、變頻等部件組成。

流水線經(jīng)過烘箱時工作在80~85℃的高溫下，所以流水線的皮帶須為耐高溫皮帶，同時流水線應(yīng)該有足夠的長度，以便從烘箱出來后有足夠的冷卻時間。綜上，本設(shè)計(jì)采用耐溫105℃以上的皮帶，同時將流水線長度設(shè)計(jì)為8米。

考慮到流水線的長度以及流水線上的鞋子重量，驅(qū)動電機(jī)采用減速比為30的750W單相交流減速電機(jī)，通過變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速[6]，帶動流水線傳動。

因流水線運(yùn)動過程的阻力、負(fù)載變化等因素，所以變頻器的選用上應(yīng)留有一定的余量[7]，采用HLP-C10001D521變頻器。此款變頻器最大驅(qū)動功率1.5kW,滿足驅(qū)動750W電機(jī)的需求，變頻器通過RS-485總線和PLC通訊。變頻器的通訊地址設(shè)置為04。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)，上位機(jī)為觸摸屏，用于設(shè)置熱定型溫度和時間，并實(shí)時反饋現(xiàn)場數(shù)據(jù)給用戶；下位機(jī)為XD2-16T-E型PLC，用于控制溫度、流水線速度和風(fēng)機(jī)。

3.1 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用C#編程，用普通帶觸摸功能的一體機(jī)顯示屏，較之組態(tài)軟件，可擴(kuò)展性更好，性價比更高。軟件界面如圖5所示。

上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

上位機(jī)通過RS-232與下位機(jī)PLC通訊，需引用C#標(biāo)準(zhǔn)串口類using System.IO.Ports[8]。上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)主要分為4個部分：

初始化任務(wù)：上位機(jī)程序啟動時，會自動識別PLC對應(yīng)的串口，同時調(diào)用串口初始化函數(shù)public SerialPortInitial()，初始化串口波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位以及停止位。同時程序調(diào)用指定目錄下保存的.xml文檔，將用戶上次保存的熱定型參數(shù)初始化到界面上。

保存數(shù)據(jù)：用戶點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕，設(shè)置的熱定型參數(shù)被系統(tǒng)以.xml文件的形式保存到指定目錄下，按鈕前面的指示燈為綠色，提示用戶數(shù)據(jù)保存成功。

啟動按鈕：點(diǎn)擊“啟動”按鈕，首先調(diào)用public bool OpenSerialPort(string portName, int status)函數(shù)，打開串口，然后調(diào)用public void SendData(string data, SendFormat format)函數(shù)，將熱定型參數(shù)發(fā)送給PLC。同時調(diào)用public void RecieveData(string data, SendFormat format)接收來自PLC回發(fā)的數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)是否正確，如數(shù)據(jù)正確，則將“啟動”按鈕前面的指示燈變?yōu)榫G色，然后讓PLC上傳實(shí)時數(shù)據(jù)，并顯示在界面上；如數(shù)據(jù)不正確，則重新發(fā)送。多次發(fā)送失敗，啟動報警信息提示。

停止按鈕：點(diǎn)擊“停止”按鈕，首先調(diào)用public void SendData(string data, SendFormat format)函數(shù)，將關(guān)閉指令發(fā)送給PLC，同時調(diào)用public void RecieveData(string data, SendFormat format) 接收來自PLC回發(fā)的數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)是否正確，如數(shù)據(jù)正確，將“停止”按鈕前面的指示燈變?yōu)榫G色，然后讓PLC上傳實(shí)時數(shù)據(jù)，否則重新發(fā)送停止指令。當(dāng)接收到“流水線速度”為0時，調(diào)用public bool CloseSerialPort(string portName, int status)函數(shù)，關(guān)閉串口通訊。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)選用XD2-16T-E型PLC作為下位機(jī)控制器，這款PLC帶有RS-232和RS-485兩種通訊接口，其中RS-232和上位機(jī)通訊，RS-485和溫度控制器及變頻器通訊。PLC根據(jù)上位機(jī)指令，進(jìn)行邏輯處理，程序流程如圖7所示。

PLC上電后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，等待上位機(jī)指令。收到上位機(jī)指令后，進(jìn)行指令判斷，并同時將收到的指令反饋給上位機(jī)，由上位機(jī)判斷指令是否下發(fā)正確，如指令不正確，則上位機(jī)重發(fā)。

表1 熱定型溫度和時間測試結(jié)果

PLC收到啟動指令，通過DO（數(shù)字量輸出）控制接觸器，啟動兩個風(fēng)機(jī)，并將上位機(jī)定型溫度值通過RS-485總線傳送給3個溫度控制器，并設(shè)置SV（Setting Value），其指令寫入：01 06 00 05 00 73 D8 2E（地址為1的溫度控制器，SV設(shè)定為115℃）。上位機(jī)下發(fā)讀取實(shí)時溫度指令，PLC讀取溫度控制器的PV（Present Value），指令寫入：01 03 00 00 00 01 84 0A，收到溫度控制器傳回的指令：01 03 02 00 73 F9 A1（地址為1的溫度控制器，PV值為115℃），將此溫度數(shù)據(jù)計(jì)算后，上傳給上位機(jī)顯示。

上位的定型時間由PLC根據(jù)烘箱的實(shí)際溫度實(shí)時調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速保證。Vr=60·L·RR·δt/（C·T）（Vr為電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min；L為烘箱長度5m；RR為電機(jī)減速比30；C為傳送帶驅(qū)動輪周長，單位m；T為定型時間，單位為s；δt=PV/SV），其中δt用于補(bǔ)償因溫度變化導(dǎo)致的定型時間變化，用于實(shí)時調(diào)整傳送帶的速度。PLC通過RS-485總線將計(jì)算所得的速度值發(fā)送給變頻器，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。

PLC收到停止指令時，先通過RS-485總線將溫度控制器控制的固態(tài)繼電器斷開，從而斷開加熱模塊的電源，然后讀取溫度控制器的PV。如果PV≤30℃，PLC通過DO斷開風(fēng)機(jī)電源，延時2min后，給變頻器發(fā)送停止指令，停止流水線電機(jī)轉(zhuǎn)動。

4 測試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的基于PLC的鞋子熱定型流水線控制系統(tǒng)在工廠實(shí)際使用環(huán)境中測試，測試方法如下。

（1）用高精度電子溫度計(jì)測量從烘箱剛出來的鞋子表面溫度。

（2）用秒表測量從鞋子進(jìn)入烘箱到鞋子流出烘箱的時間。

測試結(jié)果如表1所示。

考慮到鞋子從烘箱出來可能導(dǎo)致溫度流失，所以測試結(jié)果滿足實(shí)際使用要求。

5 結(jié)語

該鞋子熱定型流水線系統(tǒng)采用PLC控制，定型溫度通過PID調(diào)節(jié)，同時將溫度數(shù)據(jù)和流水線速度耦合，因此具有穩(wěn)定性高、溫度調(diào)節(jié)反應(yīng)快、溫度精度高、定型時間準(zhǔn)、成本可控等特點(diǎn)，能較好地滿足生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際使用要求，提高了鞋子的質(zhì)量和制鞋效率，對現(xiàn)代化制鞋產(chǎn)業(yè)起到很好的推進(jìn)作用。