基于PLC的瓦楞紙箱自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計

曹洋洋，何文雪，張凌志

(青島大學(xué) 自動化學(xué)院，山東 青島 266071)

0 引言

迄今為止，國內(nèi)多數(shù)包裝企業(yè)的瓦楞紙板生產(chǎn)線比較先進，生產(chǎn)出的瓦楞紙板質(zhì)量很高，但瓦楞紙箱的生產(chǎn)還是有一定局限性[1]。目前市面上生產(chǎn)外包裝紙箱主要是采用模切壓痕技術(shù)進行加工，但是無法快速、高效地滿足現(xiàn)在市場小批量靈活定制的需求。滯后的技術(shù)手段和設(shè)備設(shè)施已經(jīng)嚴(yán)重影響瓦楞紙箱靈活定制的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)精度[2]。

針對以上瓦楞紙箱生產(chǎn)行業(yè)狀況，從提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率的角度出發(fā)，設(shè)計了一種主要用于小批量靈活瓦楞紙箱尺寸的自動化生產(chǎn)設(shè)備。該設(shè)備主要由機械、伺服及控制系統(tǒng)等組成。在機械電氣控制裝置中使用可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)[3]技術(shù)可以實現(xiàn)自動控制功能，取消人工控制，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的實時監(jiān)控和保護，保證生產(chǎn)過程能夠安全有序地運行，并且使機械響應(yīng)效率和控制精度得到提高[4]。通過人機交互界面實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的自動控制，采用Profinet網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)實時監(jiān)控，實現(xiàn)對整個自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)安全有效的運行和管理。

1 生產(chǎn)線的總體設(shè)計

傳統(tǒng)的模切壓痕瓦楞紙箱控制系統(tǒng)中主要存在以下幾個缺點：以固定尺寸紙板為主進行生產(chǎn)加工成紙箱，不可以靈活加工不同尺寸紙箱；生產(chǎn)時壓力不穩(wěn)定導(dǎo)致模切壓痕不均勻，有誤差；生產(chǎn)效率低等。為解決上述問題需要在生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)和控制方面進行系統(tǒng)地改造。

1.1 生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的瓦楞紙箱生產(chǎn)線是加工非連續(xù)的瓦楞紙板，會造成不必要的材料浪費。因此本次生產(chǎn)線設(shè)計了6個倉，放置不同尺寸的待加工連續(xù)瓦楞紙板。不同尺寸的瓦楞紙箱選用不同尺寸的瓦楞紙板進行加工。該生產(chǎn)線設(shè)計為臺式結(jié)構(gòu)，其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1—引導(dǎo)皮帶；2—支架；3—升降裝置；4—傳送裝置和瓦楞紙板加工裝置。圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

瓦楞紙箱自動化生產(chǎn)過程線的基本機械結(jié)構(gòu)包括：機架部分、升降機構(gòu)、送料機構(gòu)、瓦楞紙板切割壓痕加工機構(gòu)、檢測裝置以及安全保護等。機架是生產(chǎn)線的承載構(gòu)件，必須有良好的強度和剛性，以保證生產(chǎn)線的穩(wěn)定性。升降機構(gòu)作用是將最優(yōu)先待加工的瓦楞紙板所在的層提升或下降到加工入口位置，并通過氣缸將紙板夾緊送至加工入口處。它由電機、緊湊型單作用氣缸、拉桿式型氣缸、電磁閥、行程開關(guān)等組成。送料機構(gòu)作用是控制紙板沿水平方向的運行速度，由電機、壓紙棍、輸送棍、傳送皮帶等組成。瓦楞紙板加工機構(gòu)是對紙板按所需的紙箱尺寸進行切割和壓痕加工，主要由電機、橫刀、縱刀、氣缸、電磁閥、接近開關(guān)、皮帶等組成。

1.2 生產(chǎn)線系統(tǒng)的設(shè)計思路

為解決加工誤差和生產(chǎn)效率問題，并提高生產(chǎn)線控制系統(tǒng)工作的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和控制精度，實現(xiàn)簡單安全的操作方式，選用可靠性高、壽命長、易于維護、接線少、編程簡單、功能強大的PLC作為系統(tǒng)的控制器，以彌補控制手段不足問題[5]?；赑LC的瓦楞紙箱自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計主要包括PLC技術(shù)、氣動技術(shù)以及傳感技術(shù)等。

瓦楞紙箱自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)包括紙板自動提取、紙板傳送及自動加工等3個主要模塊，涉及升降功能、傳送功能和切割壓痕功能和其他輔助功能等。

1) 升降功能。升降是指將6層紙板固定機架中待加工的紙板進行提升或下降至加工入口高度的過程。具體流程為：啟動自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，通過程序判斷最優(yōu)先的紙板尺寸，PLC控制器通過伺服控制升降電機帶動6層紙板固定機架上升或下降運動使待加工紙板處于加工入口高度，延時2s。該層2個緊湊型單作用氣缸通過電磁閥控制將待加工的紙板夾緊，等待傳送至加工入口。

2) 傳送功能。傳送是在紙板到達(dá)加工入口高度后進行的。具體流程為：通過電磁閥控制拉桿式氣缸收縮將待加工層的紙板送入口處；入口處安裝傳感器以檢測紙板寬度，并反饋給PLC，通過電磁閥控制氣缸將壓紙棍按下，通過電機控制輸送棍運動帶動紙板向前運行，進入加工區(qū)。

3) 切割壓痕功能。切割壓痕是對待加工紙板進行加工，圖2為切割壓痕裝置。具體流程為：紙板進入加工區(qū)，當(dāng)接收到切割信號時，PLC給電磁閥信號，以控制切割氣缸使其處于沖壓狀態(tài)，并將切割鋸齒鋼刀壓下進行切割操作[6]。當(dāng)接收到壓痕信號，PLC給電磁閥控制壓痕氣缸的指令，使其處于沖壓狀態(tài)并將壓痕圓盤壓下進行壓痕操作。同一組切割壓痕裝置，切割與壓痕工作不同時進行。

1—切割氣缸；2—切割鋸齒鋼刀；3—壓痕圓盤；4—壓痕氣缸。圖2 切割壓痕裝置

4) 其他輔助功能。主要包括系統(tǒng)啟動、照明、停止、復(fù)位以及報警等功能。具體流程為：在工作或非工作狀態(tài)均可照明；系統(tǒng)啟動時，進行復(fù)位操作，目的是將所有動作恢復(fù)初始動作，便于完成新的工作；啟動后，設(shè)置相應(yīng)的警示燈，保證設(shè)備正常工作，防止系統(tǒng)工作運行時的人為干擾；當(dāng)所有工作完成后，點擊“停止”按鈕，所有部件停止運作。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

西門子PLC接收到工控機設(shè)定的待加工瓦楞紙箱尺寸，通過西門子伺服驅(qū)動控制升降機構(gòu)、傳送機構(gòu)和橫切機構(gòu)的運轉(zhuǎn)。由電機自帶的絕對值編碼器檢測3臺電機的轉(zhuǎn)速信息和位置信息并傳送給伺服機構(gòu)，通過伺服反饋給 PLC 進行處理，從而實現(xiàn)了整體的閉環(huán)控制。根據(jù)預(yù)定的方案和功能需求，其工作原理圖如圖3所示。通過 380V/220V 變壓為伺服機構(gòu)提供工作電源和控制電源，同時配置24V DC的工作電源，為 PLC、繼電器、電磁閥等設(shè)備提供工作電源。

圖3 工作原理圖

控制單元由伺服控制系統(tǒng)進行精確控制。通過精確控制電機速度與位置，保證設(shè)備在工作過程中各部分機構(gòu)精確定位，高效精準(zhǔn)。電機的伺服控制選用1個西門子V90伺服驅(qū)動系統(tǒng)，其功率為0.75kW，2個西門子S120伺服驅(qū)動系統(tǒng)，其控制單元為CU310-2 PN。升降電機選用帶有絕對值編碼器的永磁同步電機，送料電機和橫切電機選用帶有絕對值編碼器的同步伺服電機。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

基于PLC的瓦楞紙箱自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)主要是完成紙板的自動提取、傳送以及加工，從硬件角度考慮，主要涉及控制器選擇和外部擴展模塊選擇。

1) 控制器的選型

觀察組、對照組ASO患者組間護理滿意度結(jié)果見表2。經(jīng)統(tǒng)計學(xué)計算，觀察組護理工作滿意度92%，明顯高于對照組護理工作滿意度68%。

所設(shè)計的瓦楞紙箱自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)復(fù)雜，開關(guān)量與模擬量的輸入輸出較多，系統(tǒng)控制精度要求高，因此選用西門子新一代PLC控制器即S7-1500作為控制核心，其處理速度更快，聯(lián)網(wǎng)能力更強，診斷能力和安全性更高，不僅可節(jié)省成本，提高生產(chǎn)效率，而且安全可靠，維護簡單方便[7]。CPU選擇CPU1515-2PN具有大容量程序及數(shù)據(jù)存儲器，主/從接口型號PROFINET PN，2個RI45連接器，其外部存儲卡為256MB。

2) 外部擴展模塊選型

以CPU1515-2PN為核心的瓦楞紙箱自動化生產(chǎn)系統(tǒng)較為復(fù)雜，為保證接線簡潔、整齊，選用IM155-5PN HF分布式I/O添加擴展模塊；輸入模塊選用1個西門子SM521系列的DI 32×24VDC BA，包括急停、氣壓監(jiān)測信號、故障確認(rèn)按鈕、6個倉紙板有無監(jiān)測、進料入口有無紙板監(jiān)測信號、送紙氣缸伸縮到位信號、升降臺上/下限位信號、出料口有無紙板監(jiān)測信號等21個輸入信號；因工藝要求橫刀運行速度非?？?，并保持高速輸入輸出，為達(dá)到系統(tǒng)等時同步的功能選用了工藝模塊TM Timer DIDQ 16x24V；輸出模塊選用2個西門子SM522系列DQ 32x24VDC/0.5A BA，包括各部分氣缸的電磁閥信號、報警燈信號輸出、伺服電機接觸器信號、照明信號等47個輸出信號。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

a) 系統(tǒng)組態(tài)

控制系統(tǒng)主要包括：主控制單元、人機交互單元、輸入輸出處理單元和伺服驅(qū)動單元等4大模塊[8]?？刂葡到y(tǒng)由V15軟件對硬件系統(tǒng)進行組態(tài)，如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)組態(tài)畫面

b) 程序流程圖

圖5 程序流程圖

該系統(tǒng)是以氣缸作為執(zhí)行機構(gòu)，采用氣動控制方式，利用PLC控制器控制電磁閥的通斷實現(xiàn)自動化排刀與切割、壓痕[9]。

1) 自動選紙控制原理

首先選擇紙箱箱型，輸入對應(yīng)紙箱尺寸：紙箱高度H、紙箱寬度B，得到紙箱展開寬度W=2H+2B+20,其中20mm為預(yù)留尺寸。判定紙箱展開寬度接近6層紙板寬度中那一目標(biāo)層，以第6層為0點，確定目標(biāo)樓層位置與第6層距離，得到目標(biāo)層坐標(biāo)。由提升電機控制提升軸到達(dá)目標(biāo)坐標(biāo)位置，完成自動選紙工作。圖6 為箱型和紙箱尺寸設(shè)置界面，選擇不同箱型對應(yīng)不同箱型圖片。

圖6 箱型和紙箱尺寸設(shè)置界面

2) 縱刀排刀控制原理

縱刀排刀先初始定位，再排刀。初始定位：橫切電機編碼器安裝在電機軸上，設(shè)定左側(cè)為編碼器零基礎(chǔ)點，從左到右編碼器數(shù)遞增。橫刀通過氣缸夾緊皮帶行走一次，其中皮帶是由橫切電機帶動運行。通過橫刀上安裝的傳感器接收到每個縱刀上傳感器的信號，判定每一個縱刀當(dāng)前位置傳送給PLC。確定縱刀位置后，控制橫刀夾緊氣缸信號釋放，橫刀停止運動。排刀：縱刀是通過皮帶帶動運動的，所有縱刀在皮帶上均安裝有獨立的氣缸夾緊裝置。工作時PLC接收到紙箱尺寸后，首先系統(tǒng)判定需要縱刀的個數(shù)，通過控制電磁閥來控制夾緊氣缸動作，將所有縱刀夾緊在皮帶上；當(dāng)?shù)?個縱刀達(dá)到應(yīng)到位置后，控制其對應(yīng)的氣缸信號釋放，該縱刀不跟隨皮帶運動，其他縱刀保持夾緊狀態(tài)，再排第2個縱刀直到最后一個縱刀到達(dá)位置。將多余縱刀送至不工作區(qū)域。

3) 切割、壓痕控制原理

排刀結(jié)束后，進行切割、壓痕工作時電磁閥控制橫刀氣缸夾緊皮帶，橫刀跟隨皮帶運動。輸入尺寸后由PLC判定切割和壓痕工作狀態(tài)。切割時通過電磁閥控制壓線氣缸壓下，同時控制切割氣缸動作將切割鋸齒鋼刀壓下，進行切割工作。當(dāng)壓痕時，由電磁閥控制壓線氣缸動作將壓線裝置壓下，同時如上個動作為切割時則將鋸齒鋼刀收回。

4 結(jié)語

瓦楞紙箱自動化生產(chǎn)線是基于西門子S7-1500系列PLC和人機交互界面技術(shù)為核心的自動化設(shè)備。該設(shè)備可生產(chǎn)多種尺寸紙箱，應(yīng)用廣泛。設(shè)備各執(zhí)行機構(gòu)緊湊，自動化程度高，安全性高，經(jīng)過生產(chǎn)運行，功能穩(wěn)定。解決了靈活定制紙箱的難題，有效減少了勞動力投入，提高了生產(chǎn)效率。設(shè)備投入生產(chǎn)使用后，運行穩(wěn)定，生產(chǎn)出的紙箱質(zhì)量高。各項指標(biāo)均符合生產(chǎn)需求，實現(xiàn)了靈活生產(chǎn)瓦楞紙箱的自動化，同時該設(shè)備可以對接后續(xù)的自動打包相關(guān)設(shè)備，其經(jīng)濟效益和社會效益顯著。