基于PLC的餅干包裝自動生產線輸送控制系統

劉路明，鄒鵬達

（溫州職業技術學院，溫州 325000）

0 引言

食品工業是勞動密集型產業之一，歷經幾十年，在食品機械行業的發展推動下，自動化水平逐漸提高，一些自動化單機設備層出不窮，國內一些企業也開始大量引進自動化生產設備、技術[1～5]。我國包裝機械企業大多以生產單機為主，且行業集中度較低，未來產業鏈整合，向成套的智能包裝生產線發展將成為未來大趨勢。PLC作為自動化領域最常見的控制器已經廣泛應用于包裝機械里各個方面[6～11]。

本文以威化餅干包裝為例，對威化餅干包裝流程進行分析，設計滿足要求的自動化包裝生產線。采用歐姆龍PLC設計了食品包裝生產線的控制系統。經過現場生產表明：威化餅干包裝自動化生產線獲得良好的經濟效益，具有廣闊的市場前景，值得應用推廣。

1 系統構成及特點

1.1 生產線的構成

自動生產線由整列單元、金檢單元、下沉單元、接料單元、理料單元、包裝單元和儲存單元組成，除包裝單元，其他單元都有總控單元集中控制，總控單元與包裝單元之間有信號交換過程如圖1所示。

自動生產線輸送控制系統的工作原理：該系統為餅干包裝生產線前端理料線，其為2臺臥式包裝機分配產品功能包括輸送和整理產品，如圖2所示。餅干一排排由前端通過傳送帶輸送過來，通過整列單元，把每一排的產品檔齊；檔齊裝置由旋轉氣缸驅動，當前面的對射式光電開光檢測到產品到達的時候，旋轉氣缸驅動檔片對整排產品進行整列的作用，之后產品基本整齊。接著進入金檢單元，若檢測到產品里有金屬物質，則剔除該整排產品。之后產品繼續由傳送帶驅動，到達下沉單元部分，當對射傳感器PE1檢測到產品時，PLC開始計算這排產品的距離，當這排產品輸送到該段皮帶前端一定距離處，下沉單元開始下沉，這時產品落入接料單元。接料單元位于下沉單元下部。運動方向為橫向輸送，產品在接料單元上橫向輸送給包裝機。由于產品在接料單元上排列為長邊朝前，而臥式包裝機需要產品短邊進入進行包裝，這時候就需要整理單元對產品進行方向的調整。整理單元包括兩條并列的皮帶、輸送皮帶和導向皮帶。兩條并列的皮帶有速度差，產品經過的時候在速度差的作用下回發生偏轉，然后進入輸送皮帶，再由導向皮帶把產品一條條短邊朝前導向到包裝機的進料系統里由包裝機進行包裝過程。通過1#下沉單元等給1#包裝機分配產品之后，后續的整排的產品繼續向前輸送進入2#下沉單元，運行過程如同1#下沉單元。餅干包裝生產線系統的配置根據前端產品的產量，配置包裝機的數量，使得產量和包裝機的處理能力相匹配。為了使得系統更加穩定可靠的運行，我們配置了儲存單元，由于包裝機會出現故障停機，或者其他問題，這時候輸送帶上的產品就處理不完，這時候多余的產品會儲存到儲存單元上。

圖1 系統構成

圖2 系統布局圖

1.2 輸送系統特點

輸送系統的關鍵是下沉單元的控制。它包括產品檢測傳感器由對射式光電傳感器構成，可檢測到傳送帶上的產品，以及傳送帶上安裝有增量式編碼器，用于計算產品由光電傳感器位置運行的距離，到達計算距離位置，下沉單元開始下沉，之后上臺。該下沉單元驅動包括兩個變頻電機如圖3所示，一是水平皮帶運行電機，另一個可正反轉，由凸輪帶動，驅動皮帶機構下沉和上臺過程。如圖4(a)、(b)、(c)所示，水平變頻電機帶動皮帶運轉，產品在皮帶上移動，當運行到光電傳感器的地方，此時傳感器檢測到產品，說明此處有產品，這時候控制器采集安裝在水平電機軸端的增量式編碼器信號，開始計算產品運行的距離。為了保證產品能穩定的落在接料單元上，必須嚴格計算產品下料位置到達之后，控制下沉的電機正轉開始下沉，之后反轉開始上臺。圖5為下沉變頻電機接線圖，變頻器采用ABB的一款變頻器，具有模擬量控制功能，PLC通過模擬量輸出模塊輸出模擬量信號給變頻器，接于2、3兩個端口。變頻器端口7、8可控制電機實現運行過程的正、反轉從而帶動機構下沉和上臺過程。

圖3 下沉單元控制原理

圖4 下沉單元

圖5 下沉單元

2 程序設計與運行

2.1 程序設計

程序設計是整個PLC 控制系統的核心部分[12,13]，根據餅干包裝自動生產線的工作過程和工藝要求，確定系統的控制方式和控制參數，按工藝過程完成相應動作。為了提高系統的穩定性和可靠性還需要增加必要的保護、連鎖和互鎖功能。

該控制系統采用模塊化編程[14,15]，工作流程如圖6所示。流程分析如下：

1）系統上電后，開始模式的選擇，手動模式下，我們可以對各段皮帶進行點動運行，方便對其進行檢修。可對各個氣缸進行操作。自動運行選擇自動模式。

2）采用自動運行之后整列單元、金檢單元、1#、2#下沉單元、接料/整理單元以及儲存單元在PLC總控單元的控制下進行集中控制。

3）該系統包括2個包裝機，1#下沉單元和2#下沉單元分別為1#包裝機和2#包裝機提分配產品。以1#下沉單元為例，當PLC讀取到安裝于傳送帶上的傳感器的信號，此時歐姆龍高速計數模塊CJ1W-CT021開始讀取旋轉編碼器的脈沖，PLC計數產品走過的距離。當產品到達距皮帶頂端300MM處，下沉變頻電機開始下沉動作，產品落入接料單元，之后下沉變頻電機開始上臺。按工藝要求，若包裝機故障或者接料單元上有產品時，下沉單元不可動作，否則產品堆積，嚴重影響生產線的運行。

4）為了保障系統的穩定性，該系統配置了儲存單位，由于生產線來的產品大致穩定，若包裝機偶爾故障或者接料單元上有產品還未處理完，這時候多余的產品需要輸送到儲存單元上。儲存單元由變頻電機驅動皮帶。在皮帶前端安裝有光電開關，用于檢測是否有產品到達，若檢測到產品，皮帶走一段長度。該長度可由PLC單獨控制，根據產品大小，皮帶速度來確定，使得多余的產品按照一定的間隔存儲于存儲單元上。

5）為了保障設備以及人生安全，生產線上配備拉線開關，該信號輸入到PLC，當出現緊急事故需要停機時，工人只需拉動次開關，系統就會停止運行。

6）系統程序按照各單位功能不同，分段進行編程，簡單明了，方便排查，以及日后多個包裝機站進行擴展。

圖6 系統PLC控制原理圖

2.2 設備運行

設備調試運行如圖7所示，需要考慮多方面因素，生產線在工作狀態隨時會遇到緊急情況，所以需要在設備上安裝急停按鈕和拉線急停開關。一旦發生緊急情況，只需要按下緊急停止按鈕和拉線式開關，整套生產線立即停止工作；故障解除后按啟動按鈕使生產線各個部分繼續工作。該系統可對各段皮帶進行單獨檢修，在手動模式下，單獨點動各段皮帶。自動運行時，該系統可處理25-30排/分鐘的產品，每分鐘可到達1000包的產量，并且穩定運行。

圖7 現場運行

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3 結論

系統采用了歐姆龍CJ2M可編程控制器作為控制系統的核心，統一協調自動線各模塊之間的動作，結合變頻器技術，傳感器技術實現對自動生產線輸送系統的控制。系統經過實際運行表明，其可以廣泛應用于食品包裝領域，與臥式包裝機組成自動化生產線系統，大大地提高了生產效率。

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