淺談自動制蠟成型包裝生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和使用

呂鳴

（大慶煉化公司招標(biāo)中心，黑龍江 大慶 163411）

隨著科技的迅速發(fā)展，商品包裝成為增強(qiáng)競爭力的重要手段，軟包裝技術(shù)在產(chǎn)品包裝領(lǐng)域占有重要地位，我國對軟包裝技術(shù)研究時間較短，國內(nèi)軟包裝機(jī)械領(lǐng)域技術(shù)不成熟，隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，許多新技術(shù)應(yīng)用于包裝領(lǐng)域，企業(yè)對制蠟成型包裝生產(chǎn)線提出了更高的要求。大部分加工制造設(shè)備依賴進(jìn)口，部分小廠經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，國內(nèi)設(shè)備不能滿足生產(chǎn)要求，小規(guī)模軟包加工企業(yè)發(fā)展困難。隨著人們生活水平的提高，為慶祝特殊節(jié)日對工藝蠟需求量很大，目前制蠟加工技術(shù)在美國等發(fā)達(dá)國家自動化水平較高，我國制蠟加工設(shè)備機(jī)械化水平較低，生產(chǎn)設(shè)備處于仿制階段。21 世紀(jì)后PLC 成為工業(yè)自動化領(lǐng)域中主導(dǎo)控制裝置，其應(yīng)用程度成為衡量國家工業(yè)先進(jìn)性的標(biāo)志之一。研究利用PLC 技術(shù)設(shè)計(jì)自動制蠟包裝生產(chǎn)線對提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

1 自動制蠟成型包裝生產(chǎn)線工藝與技術(shù)

1.1 制蠟成型包裝自動生產(chǎn)線工藝

工業(yè)生產(chǎn)中，有很多地方需要對粉末顆粒狀散狀固體流量準(zhǔn)確測控，配以給料設(shè)備組成控制系統(tǒng)設(shè)備。許多生產(chǎn)設(shè)備定量給料控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于水泥冶金電力化工等各行業(yè)，定量給料在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要的作用，提高給料系統(tǒng)的自動化程度具有重要現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制結(jié)合可提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)定量控制是必然發(fā)展方向。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動控制系統(tǒng)，是軟件技術(shù)與自動控制技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用技術(shù)，當(dāng)前工業(yè)控制計(jì)算機(jī)分為PLC、基于單片機(jī)的測控裝置等。

PLC 是廣泛應(yīng)用使用方便的通用工業(yè)控制裝置，可以構(gòu)成單片機(jī)控制系統(tǒng)與分布式控制系統(tǒng)，集控系統(tǒng)采用PLC 控制，被控對象數(shù)據(jù)狀態(tài)不需另外通信線路。分布式控制系統(tǒng)控制器采用相互具有通信功能的PLC 構(gòu)成。自動制蠟包裝生產(chǎn)線為工業(yè)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人是自動控制多功能操作機(jī)，專用自動機(jī)是適應(yīng)大量生產(chǎn)的自動化設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人是具有多自由度的動作功能柔性自動化設(shè)備。制蠟成型自動生產(chǎn)線是機(jī)電一體化高技術(shù)產(chǎn)品，可對粉粒塊狀物稱重裝袋及批號打印等作業(yè)實(shí)現(xiàn)自動化，通過人機(jī)界面可對包裝進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，MMI是PLC 的外部設(shè)備，通過輕觸鍵盤可向PLC 輸入數(shù)據(jù)顯示圖形。制蠟成型包裝自動生產(chǎn)線主要部分是包裝機(jī)械，我國包裝機(jī)械研制始于20 世紀(jì)50 年代，改革開放后，逐步成為高科技現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)。包裝機(jī)械工業(yè)部門經(jīng)過多年發(fā)展初具規(guī)模，包裝機(jī)械工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)崛起中不斷發(fā)展完善。

油料脫蠟前在大罐中貯存，油中部分蠟析出直接結(jié)晶會影響工藝過程中蠟的析出效果，必須加熱使蠟充分溶于油，加熱后使用板式換熱器進(jìn)行熱交換，將油冷卻節(jié)約能源，結(jié)晶罐油冷卻中為增加析出蠟微粒間的碰撞聚集需適當(dāng)攪拌，攪拌速度以10 ～15r/min 為宜，油料結(jié)晶一定溫度保持較長時間結(jié)晶。小晶粒長大養(yǎng)晶12～16h,油料結(jié)晶養(yǎng)晶中伴有較多的固脂析出，選用熱卸式冬化過濾機(jī)交替工作保證生產(chǎn)的連續(xù)性。脫蠟油用泵打入換熱器進(jìn)行熱交換后入庫。目前，國內(nèi)包裝設(shè)備廠專業(yè)化程度低，包裝生產(chǎn)線只能將物料包裝由工人搬運(yùn)，由于我國生產(chǎn)力水平低科研人才缺乏導(dǎo)致，我國包裝設(shè)備經(jīng)過多年發(fā)展得到很大進(jìn)展，但目前仍存在低水平產(chǎn)品重復(fù)生產(chǎn)多，自主開發(fā)能力較弱，高技術(shù)含量產(chǎn)品缺乏生產(chǎn)等問題。

1.2 制蠟成型包裝自動生產(chǎn)線技術(shù)

隨著生產(chǎn)力水平的不斷提高，人們對改善工作環(huán)境日益重視。為滿足各行業(yè)對商品包裝要求，制蠟成型包裝機(jī)械必須適應(yīng)包裝工業(yè)的發(fā)展，未來包裝機(jī)械發(fā)展趨勢是積極開展通用機(jī)，大力開發(fā)輔助設(shè)備，機(jī)電儀綜合技術(shù)是包裝生產(chǎn)線發(fā)展主流。以PLC 為基礎(chǔ)的自動制蠟成型包裝生產(chǎn)線自動化程度高，以PLC 為控制核心與變頻器通過總線通信，完成接觸器等控制。需要了解制蠟成型包裝自動生產(chǎn)線的主要技術(shù)，研發(fā)設(shè)計(jì)滿足使用需求的自動化生產(chǎn)線。

PLC 是以微處理器為核心，將邏輯控制，數(shù)據(jù)計(jì)算處理等結(jié)合具有豐富軟件資源的現(xiàn)代化工業(yè)自動控制器。PLC 成為重要的廣泛應(yīng)用的工業(yè)控制微機(jī)，充分運(yùn)用代碼集成電路及通信技術(shù)，可以構(gòu)成包括邏輯過程控制，數(shù)據(jù)采集等綜合控制系統(tǒng)。IEC 定義PLC 是微機(jī)為基礎(chǔ)的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)數(shù)字式店咨詢臺，完成邏輯順序計(jì)數(shù)等規(guī)定功能，通過輸出控制機(jī)械生產(chǎn)過程。PLC 產(chǎn)品在抗電磁、有害廢氣腐蝕等方面具有很強(qiáng)能力，可靠性方面平均無故障時間達(dá)5 萬小時以上。PCL 廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域，因其具有實(shí)時性、高可靠性、系統(tǒng)配置簡單靈活等優(yōu)點(diǎn)。目前，市場上PLC 種類多樣，主要由CPU、I/O 單元與電源等部分組成，PLC 控制系統(tǒng)外部開關(guān)信號經(jīng)過輸入接口儲存到PLC 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中，經(jīng)過邏輯運(yùn)算以輸出變量方式送到輸出接口。PLC 操作根據(jù)程序要求進(jìn)行，按照表達(dá)方式分為字符與圖形方式。

PCL 完成工作是周期循環(huán)掃描，CPU 根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控程序制定順序，輸出點(diǎn)的狀態(tài)更新，顯示更新和編程器鍵入響應(yīng)等功能。可通過安排不同組織模塊進(jìn)行掃描執(zhí)行的方法，PLC 采用集中采樣與輸出的工作方式。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)成為工業(yè)控制領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。PROFIBUS 是通用開放的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，是德國公司研究機(jī)構(gòu)推出現(xiàn)場總線，具有網(wǎng)絡(luò)組態(tài)簡單等特點(diǎn)。PROFIBUS 由PROFIBUS-PA,DF 與FMS 兼容部分組成，DP 傳輸速率達(dá)12Mbit/s，具有故障診斷迅速，互換性強(qiáng)等特點(diǎn)應(yīng)用廣泛。Profibus-DP 使用傳輸層第一二層與用戶接口層，網(wǎng)絡(luò)可以是單主站或多主站結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中DP 主站與DP 從站采用主-從通信原理，從站對主站發(fā)送信息作出響應(yīng)回送給主站，從站包括PCL、分散式I/O、變頻器與驅(qū)動器等。

2 制蠟成型包裝自動生產(chǎn)線系統(tǒng)

粉粒體是工業(yè)生產(chǎn)中常見的物料形式，軟包裝制蠟成型自動生產(chǎn)線可完成稱重灌裝整形等工序，生產(chǎn)好的粉粒體物料經(jīng)稱重后由落料口落至撐開口的空料袋內(nèi)，封口機(jī)封口后料袋在輸送帶上豎直傳送，斜坡輸送帶輸送到碼垛工位根據(jù)工藝要求按預(yù)定垛型碼垛。碼垛機(jī)自動更換托盤利用傳送帶運(yùn)輸?shù)讲孳噮^(qū)域，指示燈提醒叉車將垛盤運(yùn)輸?shù)酱鎯^(qū)。自動化制蠟成型包裝生產(chǎn)線功能圍繞灌裝工藝展開，主要設(shè)備包括電子秤、一體式智能碼垛機(jī)等。設(shè)計(jì)制蠟成型包裝生產(chǎn)線是典型機(jī)電一體化系統(tǒng)，自動制蠟成型包裝生產(chǎn)線主要應(yīng)用于化工糧食等行業(yè)中粉粒塊狀物料自動包裝。

自動包裝制蠟成型生產(chǎn)線是機(jī)電儀技術(shù)形成高技術(shù)產(chǎn)品，主要完成裝袋供袋、倒袋整形封口等。自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)由PLC 集成控制系統(tǒng)，通常由動力源，機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子計(jì)算機(jī)等要素組成，根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出信號進(jìn)行PLC 梯形圖的編制。目前世界上有50 多種現(xiàn)場總線，不同種類現(xiàn)場總線缺乏統(tǒng)一的定義，現(xiàn)場總線具有互操作性，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場各類設(shè)備通訊，可拓展網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。現(xiàn)場總線打破傳統(tǒng)分散式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，具有通訊功能可不依賴控制器，控制系統(tǒng)中控制程序分散到生產(chǎn)現(xiàn)場各級智能現(xiàn)場設(shè)備中，檢測變送器檢測信號可傳遞給現(xiàn)場執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)分散控制。PROFIBUS 是國內(nèi)應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建形式為主要總線型，傳輸速率高信息傳遞能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。PROFIBUS 可使分散分布數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場層到控制層統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)化管理，主站任務(wù)是控制總線的數(shù)據(jù)通信，從站通常為I/O 設(shè)備，驅(qū)動器與測量變送器等外圍設(shè)備。

研究采用PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制系統(tǒng)構(gòu)建，適用于PLC 與現(xiàn)場分布式I/O 設(shè)備間的通訊，使PLC 與分布式I/O 實(shí)現(xiàn)循環(huán)快速數(shù)據(jù)交換。上位機(jī)由PC上位機(jī)組成，操作員站安裝組態(tài)王監(jiān)控操作軟件及授權(quán)許可證，組態(tài)界面窗口可顯示當(dāng)前余料，可修改灌裝的PID 調(diào)節(jié)參數(shù)，工程師站安裝操作員站具有的組態(tài)王監(jiān)控軟件，可管理生產(chǎn)線的項(xiàng)目文件，操作站與工程師站有操作權(quán)限設(shè)置，主站操作員與PLC 的MPI 口通過PC Adapter 適配器轉(zhuǎn)換后相連，主機(jī)板卡上插有西門子專用CP 通訊卡，從站的ET200M 為分布式從站實(shí)現(xiàn)主從站的數(shù)據(jù)交換。控制器選擇西門子CPU 315-2DP，可滿足生產(chǎn)線控制系統(tǒng)在通訊方面的需求。MPI 接口實(shí)現(xiàn)PCL與上位機(jī)間通訊與數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)存儲卡選擇16MB 滿足編程存儲需求。配有分布式I/O ET200M 的DP 從站可掛載拓展模塊，稱重計(jì)量信號模擬量輸入信號在灌裝工位，模擬量輸入拓展模塊SM331 安裝在灌裝從站可減少布線距離。

電氣原理圖是表明設(shè)備電氣工作原理作用的表示方式，對控制系統(tǒng)電氣原理圖設(shè)計(jì)，分析電氣線路排除機(jī)床電路故障，電氣原理圖主要包括控制電路保護(hù)等部分。PLC 程序設(shè)計(jì)部分是控制系統(tǒng)的核心，編程由網(wǎng)絡(luò)組態(tài)設(shè)計(jì)，檢測稱量程序設(shè)計(jì)等子程序設(shè)計(jì)構(gòu)成。PCL 模塊選擇完成后，需要在西門編程軟件STEP7 中進(jìn)行硬件組態(tài)，PLC 為拓展模塊輸入變量分配對應(yīng)地址。PLC 中程序分為操作系統(tǒng)與用戶程序部分，操作系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)與特定控制任務(wù)無關(guān)功能。STEP7 軟件將用戶編程及數(shù)據(jù)放置在相應(yīng)程序塊中，通過塊間相互調(diào)用使得用戶程序具有規(guī)劃性，用戶程序中用的程序塊有很多種。用戶程序可有不同塊組合構(gòu)成，OB 組織塊可以調(diào)用任意功能塊，F(xiàn)B 和SFB 使用時需要配置相應(yīng)的背景數(shù)據(jù)塊。

3 自動制蠟成型包裝生產(chǎn)線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

自動制蠟生產(chǎn)線控制系統(tǒng)功能分為現(xiàn)場設(shè)備層，管理監(jiān)控與設(shè)備控制層，設(shè)備層主要完成生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場監(jiān)控，包括控制面板的按鈕冷卻定型中溫度傳感器等現(xiàn)場設(shè)備，現(xiàn)場一些電機(jī)需要變頻控制，通過安裝在變頻器上PROFI-BUS 通信模塊CB 實(shí)現(xiàn)與主站PLC 的DP 通信。控制層主從站通過DP 總線通信，從站負(fù)責(zé)現(xiàn)場信息采集向主站發(fā)送有關(guān)信號，根據(jù)生產(chǎn)流程控制要求，主站采用S7-300 系列CPU315-2DP 型PLC，從站采用ET200遠(yuǎn)程I/O 及西門子MM440 變頻裝置。

圖1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

ET200M 從站控制冷卻加熱與養(yǎng)結(jié)晶，變頻器控制主電機(jī)，冷卻式電機(jī)與壓縮機(jī)，通過通信模塊CB 板與ET200M 傳接與主站DP 口構(gòu)成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件下位機(jī)編程采用STEP7 軟件實(shí)現(xiàn)，在Windows95 下運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)件與軟件包組成，新建項(xiàng)目命名生成站，雙擊Hardware 選項(xiàng)進(jìn)入Hwconfig 窗口，按硬件安裝次序插入機(jī)架電源進(jìn)線硬件組態(tài)，出現(xiàn)屬性-DP 對話框選定為DP 主站。在硬件目錄找到ET200M 的M153 和MM440 從站設(shè)備，設(shè)為DP 從站模式設(shè)置地址，配置完成后編譯下載到PLC 中。利用STEP7 的梯形圖語言編程，主站運(yùn)行程序解決系統(tǒng)啟停復(fù)位等功能，從站程序中包括向主站發(fā)送本站連接信息，編程模擬調(diào)試后下載到PLC。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用流行組態(tài)王軟件， 以Windows08/Windows2000/WindowsNT4.0 中文操作系統(tǒng)為操作平臺，具有人機(jī)界面好等特點(diǎn)。組態(tài)王內(nèi)置大量的設(shè)備驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備通訊與交換數(shù)據(jù)。

自動制蠟包裝成型生產(chǎn)線可自動完成稱重裝袋等功能，機(jī)械系統(tǒng)包括全自動稱重單元，輸送檢測單元等。PLC 控制系統(tǒng)是自動包裝生產(chǎn)線的核心部位，要求控制系統(tǒng)具有很高的可靠性，很強(qiáng)的故障診斷能力。包裝生產(chǎn)線控制為開關(guān)量，選擇三菱公司FX2N 系列PLC 為模塊式結(jié)構(gòu)。包裝成型自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)基于PLC 集成控制系統(tǒng)，根據(jù)流程圖編制PLC 的梯形圖，使用三菱公司系列編程軟件GX Developer-8C 編程。調(diào)試階段使用仿真軟件GX Simulatoer6-C 對控制系統(tǒng)PLC 程序進(jìn)行軟件調(diào)試。在硬件上進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，系統(tǒng)獲得良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)自動制蠟生產(chǎn)線系統(tǒng)采用Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過上位監(jiān)控機(jī)與智能現(xiàn)場設(shè)備通訊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分布式控制，安裝調(diào)試與設(shè)備維護(hù)方便，網(wǎng)絡(luò)可靠性高具有較高的性價(jià)比，對推進(jìn)我國制蠟加工技術(shù)發(fā)展具有重要意義。生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中各項(xiàng)功能達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，完成自動制蠟成型包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試工作，程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想，為以后軟件的維護(hù)改進(jìn)提供方便。隨著科技的發(fā)展，人們對降低勞動強(qiáng)度日益重視。隨著我國共享事業(yè)的蓬勃發(fā)展，制蠟包裝成型自動生產(chǎn)線將發(fā)揮重要作用，推動工業(yè)自動生產(chǎn)發(fā)展。