鄭芬，吳泰行

（武昌首義學(xué)院，湖北武昌，430064）

0 引言

在疫情反復(fù)的情勢(shì)之下，口罩如今已經(jīng)成為個(gè)人日常基本防護(hù)用品之一了，可謂是隨處可見。公共場(chǎng)合、人群密集場(chǎng)所，戴好口罩已成為了大眾共識(shí)，我們戴起口罩，是對(duì)自己負(fù)責(zé)，更是對(duì)他人負(fù)責(zé)。經(jīng)歷了新冠疫情，消費(fèi)者防護(hù)意識(shí)比以往更強(qiáng)，選擇口罩比以往更為謹(jǐn)慎，對(duì)口罩的品質(zhì)越來越重視[1]。口罩耳帶熔接作為影響口罩質(zhì)量的主要因素，其重要性不言而喻[2]。在口罩耳帶的熔接過程中需要許多繁復(fù)的機(jī)械動(dòng)作，融入PLC技術(shù)的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)，在運(yùn)行效率上更高，在保證長久可靠運(yùn)行的同時(shí)，可快速地完成熔接工藝[3]。

1 口罩耳帶熔接工藝流程

如圖1所示為耳帶熔接流程圖。當(dāng)口罩本體進(jìn)入輸送線上的口罩載具板時(shí)，傳感器檢測(cè)是否有口罩，再把信號(hào)傳遞給控制器，控制電機(jī)將口罩本體送到熔接位并計(jì)數(shù)，完成熔接后再被送出熔接位。

圖1 耳帶熔接流程圖

熔接動(dòng)作主要通過控制電磁閥來驅(qū)動(dòng)氣缸完成，這既是口罩耳帶熔接的工藝要求也是口罩耳帶熔接質(zhì)量的重要保證。如圖2所示為熔接動(dòng)作簡要流程圖。當(dāng)口罩本體送到熔接位停下時(shí)，需要將線盤上的耳帶線拉取至口罩本體的熔接點(diǎn)上，然后將耳帶線剪斷，緊接著壓料的氣缸動(dòng)作在固定口罩本體的同時(shí)將超聲波熔接器與熔接原料靠近，這樣就可以讓超聲波熔接器進(jìn)行工作了。

圖2 熔接動(dòng)作簡要流程圖

2 口罩耳帶熔接控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

如圖3所示為耳帶熔接控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖?？刂葡到y(tǒng)的控制器選用PLC，其輸入端主要是按鈕和傳感器。急停按鈕用于緊急情況下對(duì)控制系統(tǒng)的即時(shí)停機(jī)，光電傳感器用于檢測(cè)口罩本體，設(shè)計(jì)中采用輸出為開關(guān)量型號(hào)的傳感器，不需要外加其他擴(kuò)展模塊。

圖3 耳帶熔接控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

輸出端主要是驅(qū)動(dòng)器、繼電器、電磁閥。通過PLC控制脈沖給驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)停止和啟動(dòng)。通過PLC控制繼電器的得電狀態(tài)來控制超聲波熔接器的動(dòng)作，這樣可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)熔接時(shí)間的把控，便于適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)過程中的不同需求。同樣地，PLC控制電磁閥就能對(duì)氣缸的動(dòng)作進(jìn)行控制。

觸摸屏作為人機(jī)交互界面的載體，是主要來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線實(shí)際情況下控制系統(tǒng)中的參數(shù)的設(shè)定、虛擬按鈕替代多個(gè)實(shí)體按鈕開關(guān)的功能以及實(shí)時(shí)顯示口罩生產(chǎn)數(shù)量等等。

3 口罩耳帶熔接控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

口罩耳帶熔接控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和人機(jī)界面設(shè)計(jì)。硬件部分主要從系統(tǒng)的硬件選型適配性考慮，闡述了系統(tǒng)選用的具體硬件型號(hào)并分析采用該器件的原因。軟件設(shè)計(jì)部分從系統(tǒng)需完成的功能分析，采用模塊化編程。人機(jī)界面設(shè)計(jì)著重于實(shí)用性，設(shè)置了相應(yīng)的界面[4]。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

西門子S7-1200系列作為為中小型PLC的佼佼者，無論是硬件的配置還是軟件編程相對(duì)來說都具備很大的優(yōu)勢(shì)[5-6]。S7-1200系列的PLC可以兼容很多設(shè)備，TIA Portal軟件可以全集成自動(dòng)化的進(jìn)行組態(tài)、編程和調(diào)試。本設(shè)計(jì)根據(jù)需求選擇量1214CDC/DC/DCPLC，該CPU內(nèi)部可直接輸出高速的脈沖，不需外加擴(kuò)展信號(hào)板。部分輸入輸出地址分如表1所示。考慮到觸摸屏與S7-1200配套，采用了西門子精簡系列面板KTP700 Basic PN機(jī)型，7英寸的屏幕，性價(jià)比也較高。

表1 部分輸入輸出地址分配表

光電傳感器選用的是歐姆龍的E3Z-D62型號(hào)傳感器，該傳感器電源電壓為12～24V，具有體積小的優(yōu)勢(shì)，易于安裝在設(shè)備中。檢測(cè)距離可達(dá)1m，響應(yīng)時(shí)間低至1ms，可以用來感應(yīng)是否有口罩本體經(jīng)過輸送線的載具盤。光電傳感器接線圖如圖4所示。

圖4 光電傳感器接線圖

電機(jī)作為系統(tǒng)中動(dòng)力來源，將口罩本體精準(zhǔn)的送至熔接位置并停下，需要頻繁啟動(dòng)、停止，且可精準(zhǔn)定位，所以選用了伺服電機(jī)[7]。本設(shè)計(jì)采用SIMOTICS S-1FL6系列伺服電機(jī)、西門子V90伺服驅(qū)動(dòng)器，組成性能優(yōu)化、易于使用的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該驅(qū)動(dòng)器是SINAMIC經(jīng)過多年沉淀研發(fā)出的產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)非連續(xù)運(yùn)動(dòng)的定位、調(diào)速等功能。

口罩耳帶熔接過程中許多動(dòng)作需要不同的氣缸來完成，電磁閥的接線和氣缸的氣路合理設(shè)計(jì)是保證氣缸動(dòng)作的關(guān)鍵。電磁閥選用正泰4V210-08 DC24V兩位五通常閉型，該型號(hào)電磁閥接線簡便，不需區(qū)分正負(fù)極，在接線時(shí)兩端可任意接PLC中的正負(fù)兩極電源。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

口罩耳帶熔接控制系統(tǒng)運(yùn)行方式有兩種，分別是自動(dòng)和手動(dòng)。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)口罩本體的檢測(cè)、耳帶的熔接等各個(gè)機(jī)械動(dòng)作，自動(dòng)完成整個(gè)熔接的流程。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況或者在設(shè)備進(jìn)行調(diào)試的時(shí)候，可以一步一步手動(dòng)控制熔接過程。

如圖5所示為PLC控制主程序流程圖。整個(gè)程序是根據(jù)口罩耳帶熔接工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)編寫的，控制伺服電機(jī)采用了PLCopen運(yùn)動(dòng)控制指令來完成，簡化了編程過程中的設(shè)計(jì)。

圖5 PLC控制主程序流程圖

3.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面的開發(fā)可實(shí)現(xiàn)控制過程的可視化，減小操作人員的錯(cuò)誤操作[8]。觸摸屏界面編輯使用的是集成于TIA博途中的WinCC軟件。本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了4個(gè)界面，包括啟動(dòng)界面、自動(dòng)熔接界面、手動(dòng)熔接界面、設(shè)置界面。

啟動(dòng)界面設(shè)計(jì)旨在提示操作人員系統(tǒng)已經(jīng)啟動(dòng)，給操作人員提供了準(zhǔn)備時(shí)間，防止上電之后的誤觸造成事故的發(fā)生。上電之后進(jìn)入啟界面，在設(shè)定的時(shí)間之后會(huì)自動(dòng)切換到自動(dòng)熔接界面，如圖6所示。

圖6 自動(dòng)熔接界面

手動(dòng)界面由多個(gè)熔接動(dòng)作按鈕、手動(dòng)模式/自動(dòng)模式開關(guān)、返回按鈕和3個(gè)屏幕切換按鈕組成。設(shè)置界面如圖7所示，主要用于修改熔接動(dòng)作的時(shí)間和伺服電機(jī)的速度和定位的位移來達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)要求，可以更好地契合控制系統(tǒng)靈活性的設(shè)計(jì)宗旨。

圖7 設(shè)置監(jiān)界面

4 結(jié)論

本文分析介紹了口罩耳帶的熔接工藝要求，從硬件和軟件兩方面闡述了具體的實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)PLC在控制系統(tǒng)中的工作原理進(jìn)行了一定的闡釋，并簡述了觸摸屏操作界面的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用西門子系列的觸摸屏作為上位機(jī)，S7-1200系列PLC作為下位機(jī)，使用TIA博途軟件進(jìn)行硬件組態(tài)、程序編寫、調(diào)試和仿真。相較常規(guī)的口罩耳帶熔接系統(tǒng)，觸摸屏及PLC的應(yīng)用優(yōu)化了操作過程，同時(shí)增加了設(shè)備的靈活性和可調(diào)節(jié)性。