基于PLC的紙板自動折盒機控制系統(tǒng)的設(shè)計

李 京,徐滕崗,朱建軍

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院,上海 201620)

基于PLC的紙板自動折盒機控制系統(tǒng)的設(shè)計

李 京,徐滕崗,朱建軍

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院,上海 201620)

介紹了一種基于可編程控制器(PLC)的紙板自動折盒機控制系統(tǒng)的設(shè)計,通過觸摸屏與PLC、觸摸屏與現(xiàn)場各種傳感器的通信實現(xiàn)了對系統(tǒng)的實時控制. 該系統(tǒng)采用SIMATIC S7-200PLC控制器作為控制核心,由數(shù)字量輸入/輸出(I/O)擴展模塊EM223進行I/O設(shè)備擴充,通過SIMATIC的TP270-10彩顯觸摸屏進行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和運行監(jiān)控,同時系統(tǒng)通過傳感器進行信號的檢測,確保系統(tǒng)正常運行. 本系統(tǒng)運行可靠,能自動控制折盒機進行調(diào)整、補料、運料和折疊等工序,完成紙盒的尺寸參數(shù)化設(shè)置和全自動折疊.

折盒機;自動化;可編程控制器(PLC);控制系統(tǒng)

國外折盒機械行業(yè)根據(jù)產(chǎn)品多樣性的需求,利用計算機和仿真技術(shù)提供集生產(chǎn)、監(jiān)督、調(diào)整、檢驗于一體的成套設(shè)備,設(shè)備工藝流程的自動化、柔性化、靈活性相當(dāng)高,但是價格過于昂貴. 與國外同類產(chǎn)品相比,國內(nèi)市場上的紙板折盒機大多數(shù)還停留在半自動水平,且折疊尺寸固定,紙盒生產(chǎn)品種單一,不適合紙盒多品種生產(chǎn),適應(yīng)性較差. PLC (programmable logic controller)作為工業(yè)自動化領(lǐng)域重要的控制設(shè)備,具有功能性強、集成度高、性能可靠等優(yōu)點[1-2],在工業(yè)控制領(lǐng)域已有長期的使用[3-4]. 本文將SIMATIC公司的S7-200系列PLC應(yīng)用于折盒機控制系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上進行技術(shù)改造和創(chuàng)新,采用觸摸屏設(shè)置紙盒參數(shù),控制紙盒折疊,從而實現(xiàn)紙盒尺寸控制參數(shù)化和折疊自動化.

1 紙板自動折盒機的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 紙板自動折盒機的硬件結(jié)構(gòu)及功能

本文中的紙板自動折盒機由6部分組成， 其結(jié)構(gòu)組成及工位俯視圖如圖1所示.

(a) 折盒機總體布局

(b)工位俯視圖圖1 折盒機總體布局及工位俯視圖Fig.1 Folding box machine overall layout and planform of workstation situation

機架部分: 分為下機架和上機架兩部分. 下機架采用50X50-5碳鋼焊接而成,上機架為5050鋁材組裝而成. 機架調(diào)整方便,變形量小,外圍采用有機玻璃防護.

頂料機構(gòu): 分為紙盒手動調(diào)整裝置和定高送料裝置. 手動調(diào)整裝置是在更換不同型號紙板時,通過人工手動調(diào)整來定位紙板位置;定高送料裝置為自動等距提料,實現(xiàn)少料補料功能.

調(diào)整機構(gòu): 在更換紙板后,人工輸入?yún)?shù),機構(gòu)會通過電缸自動調(diào)整折疊尺寸大小(150～290 mm). 其主要由電缸、直線導(dǎo)軌、同步帶輪等組成.

運料機構(gòu): 主要由吸盤和水平送料導(dǎo)桿氣缸構(gòu)成. 吸盤下移抓料,水平送料導(dǎo)桿氣缸將其輸送到指定的折疊位置,并且在移動過程中,將折疊成型的紙盒推送到輸送線上.

折疊機構(gòu): 主要是將紙板沿固定的折線位置進行折疊,機構(gòu)執(zhí)行的所有動作主要由氣缸來完成.

電氣部分: 主要由觸摸屏和PLC構(gòu)成,用來設(shè)置系統(tǒng)控制參數(shù)和控制折盒機運轉(zhuǎn).

1.2 紙板自動折盒機的工作原理

紙盒折疊工藝流程如圖2所示. 更換不同型號紙板后,手動調(diào)整絲桿手輪,定位紙板位置,然后根據(jù)紙板規(guī)格通過觸摸屏設(shè)置紙盒參數(shù),并進行相應(yīng)部位的調(diào)試. 折盒機啟動后,紙板由頂料機構(gòu)送到指定位置,運料機構(gòu)的吸盤下移抓料,水平送料導(dǎo)桿氣缸將紙板送到指定的折疊位置,折疊機構(gòu)將紙板沿固定的折線位置進行折疊,從而完成自動折盒流程.

圖2 紙盒折疊工藝流程圖Fig.2 Flow chart of bandbox folding process

2 系統(tǒng)控制要求

為保證系統(tǒng)的正常運行,有如下控制要求:

(1) 手動調(diào)節(jié). 當(dāng)進行手動調(diào)節(jié)操作時,須將面板“手動/自動”轉(zhuǎn)換按鈕旋轉(zhuǎn)到手動檔位,在沒有任何異常報警的情況進行手動操作,合理調(diào)節(jié)手動調(diào)整裝置,正確定位紙板位置.

(2) 異常報警. 在系統(tǒng)運行過程中,若出現(xiàn)錯誤(紙板定位錯誤、紙盒料倉缺料、吸盤吸料不牢固等),傳感器檢測到異常后,蜂鳴器進行報警,排除異常后,點擊復(fù)位按鈕可使系統(tǒng)繼續(xù)正常運行.

(3) 保證人員安全. 設(shè)備出現(xiàn)緊急情況時,需要同時點擊緊急停止按鈕和系統(tǒng)停機按鈕實現(xiàn)安全互鎖,確保相關(guān)工作區(qū)域內(nèi)維修和操作人員安全. 緊急情況處理完畢后,點擊復(fù)位按鈕可使折盒機各機構(gòu)部分回歸原位.

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)的組成

本控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)紙板的折疊工藝流程控制各機構(gòu)的執(zhí)行,其主要包括: 紙板補充、紙板調(diào)整、紙板輸送、紙板折疊等. 根據(jù)以上各控制要求,本折盒機控制系統(tǒng)主要由PLC、觸摸屏、各種按鈕(啟動按鈕、停機按鈕、復(fù)位按鈕、急停按鈕)、光電傳感器、壓力傳感器、接近開關(guān)、交流伺服電機及其控制器、變頻器、電缸及其控制器、氣缸、開關(guān)等部分組成,其控制原理如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)控制原理圖Fig.3 Principle of the control system

(a) PLC外部接線

(b) 擴展模塊EM223外部接線

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.2.1 PLC及其擴展模塊的選型

根據(jù)本系統(tǒng)需要的數(shù)字量輸入/輸出(I/O)接口為36DI/27DO,以及經(jīng)濟性、可靠性的要求,本系統(tǒng)控制器選用SIMATIC公司生產(chǎn)的S7-200系列PLC實現(xiàn)對整個折疊過程的自動化控制,其具有多種擴展功能模塊可供選擇,完全滿足紙板自動折盒機控制各項任務(wù)的需求.

PLC主機單元采用CPU 226CN,它擁有24DI/16DO,最大可擴展128DI/128DO,具有多點接口(MPI)、點對點(PPI)主站模式和2個標準的RS-485通信/編程端口,2路20 kHz的高速脈沖輸出[5],可用于伺服控制系統(tǒng)來精確控制伺服電機. 為彌補本機數(shù)字量I/O的不足,本文選擇了SIMATIC S7-200數(shù)字量I/O擴展模塊EM223,其為16DI/16DO,以擴展PLC的I/O點數(shù)和功能[6]. 在滿足該機36DI/27DO需求的同時,還有部分I/O余量,可為以后生產(chǎn)工藝的變化和I/O設(shè)備擴充做準備[7].

3.2.2 觸摸屏的選型

PLC控制器與觸摸屏的接口技術(shù)越來越成熟[8],本系統(tǒng)采用觸摸屏實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、控制方式及監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計,綜合考慮選用SIMATIC的TP270-10彩顯觸摸屏. 可以通過PPI與PLC相連,以及可通過編程口MPI,進行數(shù)據(jù)恢復(fù)或備份[9]. 通過TP270-10觸摸屏可改變PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)參數(shù)以及監(jiān)控PLC的運行.

3.3 PLC和擴展模塊外部接線示意圖

根據(jù)紙板自動折盒機的控制要求及輸入、輸出點數(shù),其外部接線示意圖如圖4所示.

3.4 系統(tǒng)輸入、輸出地址的分配

根據(jù)紙板自動折盒機的控制要求,確定控制系統(tǒng)需要配置36個輸入端口和27個輸出端口. 輸入、輸出地址的分配表如表1和2所示.

表1 輸入地址分配表Table 1 Input address table

表2 輸出地址分配表Table 2 Output address table

(續(xù) 表)

3.5 觸摸屏軟件設(shè)計

采用西門子WinCC flexible 2008型觸摸屏編程軟件,其具有多種功能塊庫,且可記錄和跟蹤操作員動作和組態(tài). 觸摸屏的軟件設(shè)計步驟如下:

(1) 設(shè)置通信參數(shù)通過PPI實現(xiàn)觸摸屏與PLC之間的通信連接[10].

(2) 根據(jù)實際控制要求,創(chuàng)建可視化的控制界面.

(3) 設(shè)置控制參數(shù). 通過控制參數(shù)實現(xiàn)PLC和現(xiàn)場傳感器與觸摸屏功能模塊之間的連接,實現(xiàn)觸摸屏對PLC參數(shù)的控制,PLC參數(shù)和傳感器信息向觸摸屏的反饋.

觸摸屏窗口的折盒機啟動界面如圖5所示,氣缸位置監(jiān)控界面如圖6所示. 自動啟動時,將控制面板上“手動/自動”轉(zhuǎn)換按鈕旋轉(zhuǎn)到自動狀態(tài),在折盒機氣缸位置頁面查看每個氣缸是否都在原位,通過相關(guān)信號判斷每個氣缸的運行狀況.

設(shè)置參數(shù)時,將系統(tǒng)設(shè)為手動狀態(tài),點擊觸摸屏的“紙盒規(guī)格參數(shù)”按鈕,在該頁面下進行紙盒尺寸大小(長度、寬度、高度)的設(shè)置、紙盒尺寸補償值微調(diào)以及電缸的監(jiān)控,如圖7所示. 根據(jù)實際生產(chǎn)情況,在產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)計頁面進行生產(chǎn)計劃數(shù)、生產(chǎn)總數(shù)的統(tǒng)計和生產(chǎn)速度的設(shè)置等,可在調(diào)試設(shè)備時按照實際生產(chǎn)要求合理設(shè)置紙盒折疊的節(jié)拍,如圖8所示.

圖5 啟動條件界面Fig.5 Starting condition interface

圖6 氣缸位置監(jiān)控界面Fig.6 Cylinder position monitoring interface

圖7 紙盒規(guī)格參數(shù)界面Fig.7 Bandbox specification parameters interface

圖8 產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)計界面Fig.8 Product data statistics interface

3.6 控制系統(tǒng)軟件編程

根據(jù)系統(tǒng)控制要求,設(shè)計本系統(tǒng)控制流程圖如圖9所示,從而可采用順序控制設(shè)計法進行直觀梯形圖的程序編程. 系統(tǒng)可根據(jù)其內(nèi)部狀態(tài),在輸入信號的作用下,使各個執(zhí)行機構(gòu)按照動作執(zhí)行的先后次序自動地依次進行操作[11].

本系統(tǒng)的PLC軟件設(shè)計采用SIMATIC公司的STEP7-Micro/WIN編程軟件,在分配好各個I/O設(shè)備的地址后,在進行PLC程序編程時,需考慮紙板的輸送和折疊與各個工序之間的銜接. 根據(jù)控制要求,程序設(shè)定當(dāng)料倉中的光電傳感器未檢測到紙盒時,系統(tǒng)進行缺料報警,上料接近開關(guān)檢測到補充的紙盒到達取料位后,頂料機構(gòu)進行提料補料. 而后導(dǎo)桿氣缸動作,吸盤吸取紙板原料,若未吸緊則重新吸取,而后送達指定折疊位置放料,若未送達指定位置,重新放置. 而后折邊氣缸動作,吸盤吸取紙板折疊邊,并沿折線位置折疊成型. 下壓氣缸將紙盒壓出. 每折疊完成一個紙盒,光電傳感器會檢測到,并將結(jié)果送入計數(shù)器,該過程依次循環(huán)進行. 當(dāng)系統(tǒng)急停時,各個輸出位均復(fù)位.

圖9 系統(tǒng)控制流程圖Fig.9 Flow chart of system control

4 結(jié) 語

紙板折盒機控制系統(tǒng)可以通過手動觸摸屏設(shè)置紙盒參數(shù),并通過PLC完成紙盒的參數(shù)化和自動化一體折疊控制,減少了繁瑣的操作工序,生產(chǎn)效率高,折疊質(zhì)量好,實現(xiàn)了紙盒生產(chǎn)過程的自動化.

限于目前的技術(shù)水平,該系統(tǒng)設(shè)計時未考慮到折盒機硬件結(jié)構(gòu)運動控制模塊的模塊化設(shè)計,若采用模塊化設(shè)計可通過更換運動控制模塊零部件,設(shè)置觸摸屏中紙盒參數(shù),即可實現(xiàn)不同款式紙盒的生產(chǎn)要求,這也是該系統(tǒng)將來需要改進的地方,以適應(yīng)實際生產(chǎn)要求.

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Control System Design of Cardboard Automatic Folding Box Machine Based on PLC

LIJing,XUTeng-gang,ZHUJian-jun

(College of Mechanical Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

The design of a control system of cardboard automatic folding box machine is introduced based on programmable logic controller(PLC). The real-time control of the system is realized through the communication of touch screen and PLC,touch screen and various kinds of sensors. The SIMATIC S7-200 PLC controller is choosen as the system control core,the digital input/output expansion module EM223 is used to expand I/O equipments,as well the parameters of the system are set and its operation is monitored through the SIMATIC TP270-10 touchscreen,at the same time,the signal of controller is detected by the sensors to ensure the normal operation of the system. The system has reliable operation,and can automatically control the folding box machine for adjustment,supplying material,transportation and folding processes,completes bandbox parameters setting and automatic folding.

folding box machine;automation;programmable logic controller(PLC);control system

1671-0444 (2016)05-0738-07

2016-01-09

李 京(1991—)，男，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向為機械制造及其自動化. E-mail:1540797687@qq.com 徐滕崗(聯(lián)系人)，男，副教授， E-mail: xutg@sues.edu.cn

TB 486.3

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