基于PLC的三伺服枕式包裝機控制系統的設計

龔發云,朱小芹

(湖北工業大學機械工程學院,湖北 武漢 430068)

隨著市場經濟的發展和人民生活水平的提高,市場上需要有各種相應的包裝設備以滿足人們的消費需求,因此,包裝機的功能和生產效率都有待提高.三伺服枕式包裝機是一種能自動完成制袋、填充、封口、切斷、成品排除等工序的包裝設備,主要應用于食品、化工、醫藥等行業.適應的包裝物一般為塊狀、筒狀規則物品和無規則異形物品.采用PLC控制技術,能有效提高生產率,且包裝功能齊備,包裝范圍大,適應市場需求.

1 工作過程

卷狀薄膜經送膜輥,由制袋成型器卷成筒狀,并產生封接邊,送料裝置的推桿將包裝物推入筒狀薄膜內,牽引輥將薄膜夾緊向前推送,至縱封裝置時,對縱縫進行封合,薄膜繼續向前供送時,整理帶將裝有包裝物的筒狀薄膜整理整齊,經過橫封橫切部位時,橫封橫切裝置完成橫封與切斷工序,實現塊狀包裝物料的枕型袋包裝,最后由成品輸出機構輸出[1].

三個伺服電機分別控制膜、料、刀三個傳動軸,用三臺伺服驅動器分別驅動三臺伺服電機,可以分別對三軸的運動進行調節,并實現三軸的配合.包裝機的送膜和送料同步,由色標傳感器、接近開關分別檢測送膜和送料的位置.為使橫切刀準確地切到色標位置處,需檢測切點信號,實時調速.包裝機的工作循環見圖1.

2 控制系統的組成

控制系統包括可編程序控制器(PLC),執行元件(伺服電機、氣缸),操作面板(觸摸屏、按鈕開關、指示燈和蜂鳴器),檢測元件(光電開關、接近開關、傳感器和旋轉編碼器等)等幾部分[2].主要硬件選型:伺服系統,Lenze(內置 PLC);觸摸屏,UG221HSR4(彩);光電開關,T L46-WL(三色);溫度控制器,E5CZ-Q2;旋轉編碼器,增量式E6B2-CWZ6C.

圖1 包裝機的工作循環圖

2.1 PLC

具有可靠連鎖控制特點,自動循環掃描各個輸入和輸出點的當前狀態,并根據梯形圖程序所確定的邏輯關系更新輸出點的狀態,通過控制伺服電機運動和氣缸動作,完成從膜、料輸送到產品輸出全過程的自動控制.可實現包裝機快速與精準的傳動定位(如橫切、電子凸輪和糾偏等);以及精確的過程控制(如溫度、壓力等PID調節).

2.2 伺服系統

伺服系統穩定性好,響應快,閉環控制,精度高.交流伺服電動機運行平穩,在額定轉速以內,輸出額定轉矩;在額定轉速以上,恒功率輸出.伺服驅動系統自帶編碼器,實時反饋位置信號,位置控制精度高.

2.3 觸摸屏

采用人機界面作為操作界面,進行各種參數設置、狀態顯示等,完成操作人員與PLC之間的通訊對話.通過觸摸屏對各種參數進行設置,以菜單形式顯示功能切換、數據輸入、運行狀態等.運用EV5000軟件進行各畫面設計,包括功能選擇畫面、數據顯示畫面、參數設置畫面等[3],主要操作畫面見圖 2、3.

2.4 光電開關

檢測包裝膜上的色標,對色標進行跟蹤定位,精確地追蹤到切點的位置,使橫封刀能在色標處準確進行,保證包裝成品商標圖案完整.封切精度±0.2 mm.

2.5 溫度控制器

集成了四路PID進行封口的溫度控制,根據包裝膜的品種及包裝速度的快慢選擇適當設置溫度,當溫度未達到設定值時,繼續加熱,包裝機不啟動;當溫度達到設定值時,停止加熱,繼續工作,直到低于設定值時,再進行加熱.溫度控制精度±3℃.溫度的控制精度直接影響到封口質量,決定著包裝質量的優劣.

3 控制原理

傳統的包裝機通過復雜的機械傳動機構,實現各動作執行部件的同步運轉,體積龐大,維修困難,包裝速度慢.采用PLC控制伺服的方案,當包裝參數發生變化時,只需簡單調整控制軟件,調整簡單迅速,控制靈活,定位精度提高.

控制系統框圖見圖4,PLC負責各種控制信號的轉化及伺服驅動器的控制,最終控制各執行機構的協調運動,伺服系統內部的編碼器對速度以及位置等信息進行反饋,將數據傳送回PLC,PLC再將數據傳輸至顯示屏,顯示屏主要對運動狀態進行顯示,這樣在運行的時候就可以實時檢測到當前的運轉速度、包裝產品的數量等.

圖4 控制系統框圖

三伺服枕式包裝機控制系統的重點,是送膜、送料、橫封橫切三軸的位置和速度的同步控制以及電子凸輪運動的實現.位置同步,即橫封刀能準確地切到薄膜的色標處.速度同步,即橫封切斷時橫封刀的水平速度,應與此時的送膜速度與送料速度相等.

送膜采用速度控制方式,通過色標傳感器和編碼器分頻信號檢測膜的色標位置.送料用速度控制方式,通過接近開關和伺服驅動器的編碼器分頻信號檢測推桿位置,進行位置控制.橫封橫切采用電子凸輪同步控制方式,通過接近開關和設定的橫封刀每轉的脈沖數進行位置檢測.

PLC發送脈沖到伺服系統,伺服驅動器根據PLC發送的脈沖頻率控制伺服電機的轉速,脈沖數對應電子凸輪角度.同時PLC還要檢測和比較色標和封切點的位置信號,判斷封切點的位置正常、超前或滯后,確定超前或滯后量,控制脈沖頻率修正轉速,使切刀切到色標處,實現精準的位置控制[4].三軸同步協調運動的控制框圖見圖5.

橫封橫切軸的伺服電機在不同相位對應著不同脈沖頻率,可實現橫封橫切的變速功能,即包括同步區速度V1和非同步區速度V2.橫封輥旋轉一周的時間,包括封切時間 T1,空轉時間 T2.橫封輥旋轉一周的長度C與輸送一個包裝袋長L(即兩色標之間的距離)相等.又橫封輥同步區速度與生產能力即包裝速度相等即V1=V,所以在非同步區,需加減速運動,使橫封輥旋轉一周的時間為一個生產周期T.可得橫封輥運動軌跡見圖6,計算非同步區的轉速.設定橫封輥直徑為D(橫封輥轉一圈進行一次封切).點M為同步起點,點N為同步終點,點T為封切點,橫封輥同步區轉動角度為 α,圓周行程為Dα/360,非同步區為β,圓周行程為Dβ/360.

第一種情況,封切點在色標位置時,橫封輥旋轉一周的時間與輸送一個包裝袋長(即兩色標之間的距離)的時間相等,都等于生產周期T.可得

將α+β=360,V1=V代入上式可得

第二種情況,由于薄膜的張力變化等一些因素的影響,會使送膜速度與封切速度不同步,使色標與封切點位置產生偏差,需及時校正,對下一個即將送入的袋長做出相應的補償,補償長度為S.

橫封輥旋轉一周的時間等于輸送一個包裝袋長的時間.可得

將α+β=360,V1=V代入上式可得

在非同步區對速度做相應的加減速調整,就可使封切刀準確地切到色標位置處,保證精準的位置控制.

4 結論

三伺服枕式包裝機采用以光電檢測技術、傳感技術、可編程控制技術(PLC)和伺服系統為一體的控制系統,具有結構簡單、穩定可靠、包裝范圍廣、效率高、通用性好、自動化程度高等特點,能滿足市場的需要,有利于包裝行業的發展.

[1]蔡 偉.歐姆龍伺服控制器在多伺服枕式包裝機中的應用[J].自動化博覽,2009(4):86-88.

[2]張利平,曹巨江.自動包裝機模塊化控制系統的研究[J].包裝與食品機械,2006(8):13-15.

[3]郭麗霞,李秉玉.PLC在小型立式自動包裝機控制系統中的應用[J].武漢船舶職業技術學院學報,2007(3):34-36.

[4]張 聰,崔海榮,連續自動制袋充填包裝機的模塊化設計及其控制系統的研究[J].包裝與食品機械,2002(6):1-3.