基于PLC的餅干包裝自動生產(chǎn)線輸送控制系統(tǒng)

劉路明，鄒鵬達

（溫州職業(yè)技術(shù)學院，溫州 325000）

0 引言

食品工業(yè)是勞動密集型產(chǎn)業(yè)之一，歷經(jīng)幾十年，在食品機械行業(yè)的發(fā)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(nèi)一些企業(yè)也開始大量引進自動化生產(chǎn)設備、技術(shù)[1～5]。我國包裝機械企業(yè)大多以生產(chǎn)單機為主，且行業(yè)集中度較低，未來產(chǎn)業(yè)鏈整合，向成套的智能包裝生產(chǎn)線發(fā)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(jīng)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(chǎn)線。采用歐姆龍PLC設計了食品包裝生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。經(jīng)過現(xiàn)場生產(chǎn)表明：威化餅干包裝自動化生產(chǎn)線獲得良好的經(jīng)濟效益，具有廣闊的市場前景，值得應用推廣。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及特點

1.1 生產(chǎn)線的構(gòu)成

自動生產(chǎn)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(chǎn)線輸送控制系統(tǒng)的工作原理：該系統(tǒng)為餅干包裝生產(chǎn)線前端理料線，其為2臺臥式包裝機分配產(chǎn)品功能包括輸送和整理產(chǎn)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(chǎn)品檔齊；檔齊裝置由旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動，當前面的對射式光電開光檢測到產(chǎn)品到達的時候，旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動檔片對整排產(chǎn)品進行整列的作用，之后產(chǎn)品基本整齊。接著進入金檢單元，若檢測到產(chǎn)品里有金屬物質(zhì)，則剔除該整排產(chǎn)品。之后產(chǎn)品繼續(xù)由傳送帶驅(qū)動，到達下沉單元部分，當對射傳感器PE1檢測到產(chǎn)品時，PLC開始計算這排產(chǎn)品的距離，當這排產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品在接料單元上橫向輸送給包裝機。由于產(chǎn)品在接料單元上排列為長邊朝前，而臥式包裝機需要產(chǎn)品短邊進入進行包裝，這時候就需要整理單元對產(chǎn)品進行方向的調(diào)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(chǎn)品經(jīng)過的時候在速度差的作用下回發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后進入輸送皮帶，再由導向皮帶把產(chǎn)品一條條短邊朝前導向到包裝機的進料系統(tǒng)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(chǎn)品之后，后續(xù)的整排的產(chǎn)品繼續(xù)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(chǎn)線系統(tǒng)的配置根據(jù)前端產(chǎn)品的產(chǎn)量，配置包裝機的數(shù)量，使得產(chǎn)量和包裝機的處理能力相匹配。為了使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠的運行，我們配置了儲存單元，由于包裝機會出現(xiàn)故障停機，或者其他問題，這時候輸送帶上的產(chǎn)品就處理不完，這時候多余的產(chǎn)品會儲存到儲存單元上。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 系統(tǒng)布局圖

1.2 輸送系統(tǒng)特點

輸送系統(tǒng)的關鍵是下沉單元的控制。它包括產(chǎn)品檢測傳感器由對射式光電傳感器構(gòu)成，可檢測到傳送帶上的產(chǎn)品，以及傳送帶上安裝有增量式編碼器，用于計算產(chǎn)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(qū)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(zhuǎn)，由凸輪帶動，驅(qū)動皮帶機構(gòu)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(zhuǎn)，產(chǎn)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(chǎn)品，說明此處有產(chǎn)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(chǎn)品運行的距離。為了保證產(chǎn)品能穩(wěn)定的落在接料單元上，必須嚴格計算產(chǎn)品下料位置到達之后，控制下沉的電機正轉(zhuǎn)開始下沉，之后反轉(zhuǎn)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(xiàn)運行過程的正、反轉(zhuǎn)從而帶動機構(gòu)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(tǒng)的核心部分[12,13]，根據(jù)餅干包裝自動生產(chǎn)線的工作過程和工藝要求，確定系統(tǒng)的控制方式和控制參數(shù)，按工藝過程完成相應動作。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)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(tǒng)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?？蓪Ω鱾€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(tǒng)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(chǎn)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(shù)模塊CJ1W-CT021開始讀取旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖，PLC計數(shù)產(chǎn)品走過的距離。當產(chǎn)品到達距皮帶頂端300MM處，下沉變頻電機開始下沉動作，產(chǎn)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(chǎn)品時，下沉單元不可動作，否則產(chǎn)品堆積，嚴重影響生產(chǎn)線的運行。

4）為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該系統(tǒng)配置了儲存單位，由于生產(chǎn)線來的產(chǎn)品大致穩(wěn)定，若包裝機偶爾故障或者接料單元上有產(chǎn)品還未處理完，這時候多余的產(chǎn)品需要輸送到儲存單元上。儲存單元由變頻電機驅(qū)動皮帶。在皮帶前端安裝有光電開關，用于檢測是否有產(chǎn)品到達，若檢測到產(chǎn)品，皮帶走一段長度。該長度可由PLC單獨控制，根據(jù)產(chǎn)品大小，皮帶速度來確定，使得多余的產(chǎn)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(chǎn)線上配備拉線開關，該信號輸入到PLC，當出現(xiàn)緊急事故需要停機時，工人只需拉動次開關，系統(tǒng)就會停止運行。

6）系統(tǒng)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(tǒng)PLC控制原理圖

2.2 設備運行

設備調(diào)試運行如圖7所示，需要考慮多方面因素，生產(chǎn)線在工作狀態(tài)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(fā)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(chǎn)線立即停止工作；故障解除后按啟動按鈕使生產(chǎn)線各個部分繼續(xù)工作。該系統(tǒng)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(tǒng)可處理25-30排/分鐘的產(chǎn)品，每分鐘可到達1000包的產(chǎn)量，并且穩(wěn)定運行。

圖7 現(xiàn)場運行

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3 結(jié)論

系統(tǒng)采用了歐姆龍CJ2M可編程控制器作為控制系統(tǒng)的核心，統(tǒng)一協(xié)調(diào)自動線各模塊之間的動作，結(jié)合變頻器技術(shù)，傳感器技術(shù)實現(xiàn)對自動生產(chǎn)線輸送系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)經(jīng)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(chǎn)線系統(tǒng)，大大地提高了生產(chǎn)效率。

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