基于PLC的打包機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝曉燕，滕榮華

XIE Xiao-yan, TENG Rong-hua

（江西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，南昌 330088）

0 引言

打包機(jī)在很多舊機(jī)床上大都是采用繼電器控制的，這些機(jī)床采用種類很多的繼電器來控制，組成的系統(tǒng)布線很復(fù)雜，維修起來很是麻煩。而且傳統(tǒng)的繼電器系統(tǒng)只能對(duì)某個(gè)打包機(jī)進(jìn)行控制，一旦要換打包機(jī)時(shí)，也需要更換繼電器系統(tǒng)，以免使用周期較短。

在包裝工業(yè)方面，我國(guó)的生產(chǎn)力水平一直處于比較低的狀態(tài)，主要是表現(xiàn)在包裝機(jī)械產(chǎn)品的落后。上個(gè)世紀(jì)中葉的時(shí)候，電子和化工有了巨大的發(fā)展，出現(xiàn)了一系列合成材料作為包裝的設(shè)備，對(duì)于包裝行業(yè)的影響深遠(yuǎn)。機(jī)電一體化的技術(shù)提高了包裝機(jī)的自動(dòng)包裝的能力，出現(xiàn)了多功能的、生產(chǎn)效率極高的的機(jī)械。這種機(jī)械在機(jī)械產(chǎn)業(yè)中占有一定比重，而且在上個(gè)世紀(jì)一直處于一個(gè)上升的狀態(tài)。很多的發(fā)達(dá)國(guó)家擴(kuò)大了自己的出口能力，利用新興的技術(shù)開創(chuàng)了包裝機(jī)械的新的局面。

本文的重點(diǎn)是研究如何利用PLC來實(shí)現(xiàn)打包機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用的是日本三菱公司的PLC，三菱公司的PLC在各個(gè)領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用，使用起來方便，便于維護(hù)。打包機(jī)的本質(zhì)還是機(jī)床設(shè)備，會(huì)牽涉到很多的動(dòng)作，我們采用的程序設(shè)計(jì)方法是順序程序控制設(shè)計(jì)法也稱為步進(jìn)控制設(shè)計(jì)法，具體采用的是步進(jìn)梯形指令進(jìn)行編程。這是目前比較流行的簡(jiǎn)單易懂的編程方法，能使得維護(hù)人員很輕松地進(jìn)行維護(hù)。在具體程序設(shè)計(jì)中，用到了三菱公司FX系列特有的狀態(tài)初始化的指令I(lǐng)ST來簡(jiǎn)化程序的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中程序具體包括打包機(jī)的自動(dòng)執(zhí)行程序、回到原點(diǎn)程序和手動(dòng)控制程序，其中自動(dòng)程序和回到原點(diǎn)程序中采用了步進(jìn)編程方法，對(duì)于手動(dòng)的程序要采用簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1 控制系統(tǒng)的功能分析

本文提到的可編程邏輯器件采用的是三菱公司的FX2N系列。在三菱公司的產(chǎn)品中，F(xiàn)X2N是功能最強(qiáng)和速度最快的一種。其執(zhí)行指令的速度很快，而且存儲(chǔ)空間可以擴(kuò)展，多達(dá)256個(gè)輸入輸出口，支持多種通訊模塊。

我們來分析一下打包機(jī)完成的工作，打包機(jī)的工作是完成幾個(gè)動(dòng)作。從進(jìn)料門打開，進(jìn)完料后門關(guān)上，升降預(yù)壓繼而升降主壓，箱體被抬起然后轉(zhuǎn)箱到準(zhǔn)確的位置后就進(jìn)行捆包，頂包升降，最后放包布。完成動(dòng)作的源動(dòng)力是有電動(dòng)機(jī)來提供。完成主壓活塞的升降和抬落箱燈動(dòng)作的是由電動(dòng)機(jī)1M和相關(guān)的電磁閥來控制；對(duì)于預(yù)壓活塞是由電動(dòng)機(jī)2M和相關(guān)的電磁閥控制的；完成左右轉(zhuǎn)箱的是由電動(dòng)機(jī)3M和相關(guān)的電磁閥控制的；頂包的升降、擋料們的關(guān)閉、捆包、放包布和預(yù)壓左右行等動(dòng)作是由電動(dòng)機(jī)5M和相關(guān)的電磁閥控制的。打包機(jī)的運(yùn)行主要的步驟是先將產(chǎn)品傳送到主壓上，進(jìn)料門關(guān)閉之后就同時(shí)將主壓和預(yù)壓上升，到一定位置時(shí)，就開始將箱子抬至一定的高度，當(dāng)箱體位置均勻后再開始下降到一定高度時(shí)，到達(dá)預(yù)壓上。開始對(duì)箱體進(jìn)行捆包，然后預(yù)壓右行進(jìn)行放包布的工序。最后就是將包裝好的產(chǎn)品移走，預(yù)壓會(huì)到初始位置。

2 控制系統(tǒng)的硬件

本文用到的三菱公司的PLC具有64個(gè)輸入口和64個(gè)輸出口，而本文要用到的輸入有41個(gè)，輸出有31個(gè)，能滿足本文設(shè)計(jì)的要求。

表1 I/O地址編排

其中SQ為位置開關(guān)，SB為按鈕，YJ為檢測(cè)開關(guān)，YV為電磁閥，KM為接觸器。

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)有5種工作狀態(tài)，分別是單步、連續(xù)、手動(dòng)、單周期和回到原點(diǎn)。回到原點(diǎn)即意味著進(jìn)料門開，主壓和預(yù)壓都處于下限，捆包停止，頂包上限停止放布。設(shè)置一個(gè)接觸器KM在緊急情況下來切斷PLC負(fù)載的電源，從而起到保護(hù)的作用。在正常運(yùn)行時(shí)，接觸器的線圈會(huì)產(chǎn)生自鎖，從而保證了PLC的負(fù)載始終有電源提供電。

選擇單步執(zhí)行時(shí)，打包機(jī)就要在某個(gè)按鍵被按下時(shí)才工作，否則停止，在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)常用到。單周期工作時(shí)，起動(dòng)按鈕置位后，打包機(jī)從初始狀態(tài)按照一定的順序來完成一個(gè)周期動(dòng)作，就直接返回到初始狀態(tài)。連續(xù)工作時(shí)，則打包機(jī)則是按照一定的步驟一步步的執(zhí)行，然后不停的循環(huán)，直到最后一個(gè)周期，打包機(jī)才會(huì)停在初始狀態(tài)。可以發(fā)現(xiàn)在上述三種工作狀態(tài)下，系統(tǒng)在工作之前就出于原始狀態(tài)即回到原點(diǎn)。本文當(dāng)中設(shè)置一個(gè)按鈕X25，在發(fā)現(xiàn)有不處在原始狀態(tài)時(shí)按下。

3 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)

本文采用的順序控制設(shè)計(jì)法，按照生產(chǎn)的工藝流程的要求來進(jìn)行的控制。生產(chǎn)過程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)以及時(shí)間的順序，在輸入信號(hào)輸入的情況下進(jìn)行有效的自動(dòng)地操作被稱為順序控制。很多的工程師也將順序控制設(shè)計(jì)叫做步進(jìn)控制設(shè)計(jì)法。這是一種很容易掌握的而且對(duì)于熟練者可以提高設(shè)計(jì)效率的方法。程序在需要修改時(shí)也很方便。根據(jù)三菱自己的編程手冊(cè)，順序設(shè)計(jì)的方法可以減小很多的設(shè)計(jì)時(shí)間，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師會(huì)將需要幾個(gè)星期的設(shè)計(jì)周期縮短到只需半天的時(shí)間，而且可以完成仿真和調(diào)試。

順序控制設(shè)計(jì)法并不是只在PLC控制系統(tǒng)當(dāng)中有，實(shí)際上在繼電器控制的系統(tǒng)中，這種方法就已經(jīng)有了很多的應(yīng)用，可以說是個(gè)有歷史的設(shè)計(jì)思想。在繼電器控制系統(tǒng)中，用帶有觸點(diǎn)的步進(jìn)式選線器來實(shí)現(xiàn)，但是繼電器控制系統(tǒng)由于本身的觸點(diǎn)會(huì)有一定磨損造成接觸不良，所以并沒有很好的穩(wěn)定性。在出現(xiàn)了很多的中小規(guī)模的集成電路時(shí)，這種方法因?yàn)槠淇煽啃圆桓叨惶蕴３霈F(xiàn)可編程邏輯控制器后，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)程序采用這種順序控制法，發(fā)現(xiàn)效果很好，于是產(chǎn)生了很多的有關(guān)順序功能圖的語言，直到現(xiàn)在為止，順序控制程序設(shè)計(jì)的方法依舊是程序設(shè)計(jì)者較為多的使用的方法。

對(duì)于順序控制設(shè)計(jì)法的核心就是將系統(tǒng)分為幾個(gè)部分，而且是很多的相連的部分，這些在編程時(shí)又被稱為步，通常會(huì)由編程元件來表示，如輔助繼電器M和狀態(tài)S等等。系統(tǒng)的每個(gè)部分中即步中，輸出量的狀態(tài)是不發(fā)生變化的，但是步與步之間的輸出量是不同的。這就使得在每一步中與編程元件的狀態(tài)有著極為密切的邏輯關(guān)系的是輸出量。

圖1 打包機(jī)系統(tǒng)的順序功能圖

轉(zhuǎn)換條件可以使得當(dāng)前步到下一步進(jìn)行過度，可以是由外部按鈕、指令開關(guān)或限位開關(guān)的接通/斷開等一些輸入信號(hào)；同時(shí)可編程邏輯控制器中的定時(shí)器或計(jì)數(shù)器常開觸點(diǎn)的動(dòng)作帶來的輸入信號(hào)也可以帶來轉(zhuǎn)換條件。當(dāng)然這些只是系統(tǒng)本身的信號(hào)，有些信號(hào)通過一定的邏輯運(yùn)算，也可以作為轉(zhuǎn)換條件。我們也可以說順序控制法就是各個(gè)編程元件的狀態(tài)變化產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換條件來進(jìn)行一定順序的變化，各步的繼電器由這些編程元件。

系統(tǒng)的主程序是打包機(jī)的順序執(zhí)行的程序，除了主程序外還包括自動(dòng)回到原始狀態(tài)的字程序、手動(dòng)的程序。自動(dòng)回到原始狀態(tài)的程序即回到原點(diǎn)，是滿足很多工作方式的需要而設(shè)置的，比如說單步、單周期等等時(shí)。當(dāng)需要返回原點(diǎn)時(shí)，繼電器M8044就會(huì)置位，返回結(jié)束后就利用指令來將M8043置位，此時(shí)要利用RST指令來S13復(fù)位，這樣就完成了自動(dòng)回到原始狀態(tài)整個(gè)過程。

手動(dòng)程序是很多的PLC控制系統(tǒng)都會(huì)設(shè)置的，本文控制系統(tǒng)也不例外。手動(dòng)、自動(dòng)和回到原點(diǎn)這些程序都是采用STL觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，而此三個(gè)程序本身并不會(huì)同時(shí)被驅(qū)動(dòng)，在編程時(shí)不采用指令CJ來進(jìn)行控制。

以上是基于PLC打包機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以說整個(gè)設(shè)計(jì)核心的是軟件的設(shè)計(jì)。打包機(jī)的繼電器控制系統(tǒng)是一個(gè)很龐大的系統(tǒng)，有很多的電器元件，而且布線也較為復(fù)雜，如果進(jìn)行維護(hù)起來其麻煩程度可想而知。相較于繼電器接觸器系統(tǒng)沒有復(fù)雜的硬件電路，改變控制狀態(tài)時(shí)也不需要重新設(shè)計(jì)和安裝，只需要改變程序設(shè)計(jì)。使更新的周期縮短了，加大了硬件的使用效率。PLC目前在工業(yè)上有著很重要的應(yīng)用，很多的企業(yè)都加以使用，大大提高了生產(chǎn)效率減小了投入資金。打包機(jī)是個(gè)勞動(dòng)強(qiáng)度很大，如果速度不夠，質(zhì)量不好，直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量，從而影響著公司的效益。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提升在客戶中的形象，選擇一臺(tái)質(zhì)量好的打包機(jī)尤為的重要。

4 結(jié)束語

PLC這種技術(shù)能夠普及給很多的智能儀表提供了可靠的基礎(chǔ)，像本文中的打包機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用，就使得整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單且可靠性有了保障。PLC技術(shù)與單片機(jī)進(jìn)行相比時(shí)，PLC應(yīng)用的更加廣泛，這種梯形圖的開發(fā)技術(shù)大大簡(jiǎn)化了編程的難度。維護(hù)起來也比較簡(jiǎn)單、周期變短、使用更可靠和提高經(jīng)濟(jì)效益。

[1]廖常初. 可編程控制器的編程方法與工程應(yīng)用. 重慶: 重慶大學(xué)出版社. 2003.

[2]郁汗琪, 等. 可編程控制器原理及應(yīng)用. 北京: 中國(guó)電力出版社. 2004.

[3]盧光賢, 等. 機(jī)床液壓傳動(dòng)與控制. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社. 2006.

[4]陳遠(yuǎn)齡, 等. 機(jī)床電氣自動(dòng)控制. 重慶: 重慶大學(xué)出版社.2004.