基于S7-1200PLC的全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

叢帥，張宸銘，褚學(xué)林

（1.威海海洋職業(yè)學(xué)院，山東 榮成 264300；2.榮成市第十二中學(xué)，山東 榮成 264300）

0 引言

根據(jù)中國(guó)包裝聯(lián)合會(huì)公布的數(shù)據(jù)，2021年全國(guó)瓦楞紙箱產(chǎn)量超過3444.24 萬(wàn)t[1]。隨著電商行業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的商家選擇使用紙箱包裝快遞。目前，商家使用比較多的是人工封箱或者使用手動(dòng)膠帶封箱機(jī)封箱。人工封箱的缺點(diǎn)是效率低、工作強(qiáng)度大。手動(dòng)膠帶封箱機(jī)封箱前，需要根據(jù)紙箱的尺寸手動(dòng)調(diào)節(jié)夾緊機(jī)構(gòu)的寬度和壓緊機(jī)構(gòu)的高度，再搖動(dòng)手輪帶動(dòng)皮帶使紙箱移動(dòng)完成封箱。對(duì)于批量的固定尺寸紙箱封箱來說，只需在開始時(shí)調(diào)節(jié)夾緊機(jī)構(gòu)的寬度和壓緊機(jī)構(gòu)的高度即可，但是需要人工持續(xù)搖動(dòng)手輪才能完成封箱，這種情況就會(huì)增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；對(duì)于批量的非固定尺寸紙箱封箱來說，總是需要人工根據(jù)紙箱尺寸調(diào)節(jié)夾緊機(jī)構(gòu)的寬度和壓緊機(jī)構(gòu)的高度，再手動(dòng)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌完成封箱，這種情況不僅效率低下，也非常耗費(fèi)人力[2]。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

為解決以上問題，設(shè)計(jì)一款全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)，無(wú)需人工操作，控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)封箱寬度和高度，從而提高包裝效率。該封箱機(jī)是在手動(dòng)膠帶封箱機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)一套基于S7-1200PLC的控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)膠帶封箱機(jī)各機(jī)構(gòu)按照封箱要求動(dòng)作。

系統(tǒng)增加了按鈕、光電檢測(cè)開關(guān)、行程開關(guān)、PLC和電動(dòng)機(jī)等元件。光電檢測(cè)開關(guān)是一種傳感器，用于檢測(cè)是否有紙箱；行程開關(guān)是一種檢測(cè)開關(guān)，用于檢測(cè)機(jī)構(gòu)或紙箱是否到位；PLC是一種可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），可以接收按鈕、行程開關(guān)、光電開關(guān)的信號(hào)，也可以控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，用于驅(qū)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌等機(jī)構(gòu)動(dòng)作[3]。使膠帶封箱機(jī)無(wú)需動(dòng)手操作，即可根據(jù)紙箱尺寸自動(dòng)調(diào)節(jié)夾緊機(jī)構(gòu)的寬度和壓緊機(jī)構(gòu)的高度而完成封箱。

全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)控制思路為按下啟動(dòng)按鈕，全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)初始化，設(shè)備進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)入口處光電檢測(cè)開關(guān)未檢測(cè)到紙箱時(shí)，全自動(dòng)膠帶封箱各機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，設(shè)備仍處于待機(jī)狀態(tài)。

當(dāng)把紙箱放到全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)導(dǎo)軌上時(shí)，入口光電檢測(cè)開關(guān)檢測(cè)到紙箱，PLC接受到有紙箱進(jìn)入的信號(hào)，導(dǎo)軌電動(dòng)機(jī)和夾緊機(jī)構(gòu)上的皮帶電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，導(dǎo)軌電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶運(yùn)行。導(dǎo)軌帶動(dòng)紙箱前進(jìn)靠近封箱開始光電檢測(cè)開關(guān)，光電開光采集到有紙箱的信號(hào)并傳送給PLC，PLC控制夾緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)以驅(qū)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)靠近紙箱和壓緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)以驅(qū)動(dòng)壓緊裝置下壓，當(dāng)夾緊機(jī)構(gòu)接近紙箱時(shí)紙箱會(huì)觸碰到安裝在夾緊機(jī)構(gòu)的行程開關(guān)，行程開關(guān)將信號(hào)傳給PLC，PLC會(huì)控制夾緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)停止工作；當(dāng)壓緊裝置的行程開關(guān)碰到紙箱頂部時(shí)，行程開關(guān)將信號(hào)傳給PLC，PLC控制壓緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)停止工作。此時(shí)夾緊機(jī)構(gòu)上的皮帶已經(jīng)能接觸到紙箱側(cè)面，通過皮帶帶動(dòng)紙箱前進(jìn)；壓緊機(jī)構(gòu)帶著封箱機(jī)構(gòu)到達(dá)了適合封箱的位置，紙箱經(jīng)過膠帶封箱機(jī)構(gòu)完成封箱。

封箱結(jié)束后，紙箱經(jīng)過封箱完成光電檢測(cè)開關(guān)，PLC接受到紙箱封箱完成信號(hào)，夾緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)和壓緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)和壓緊機(jī)構(gòu)向初始位置運(yùn)動(dòng)，當(dāng)夾緊機(jī)構(gòu)碰到安裝在側(cè)臂上的行程開關(guān)時(shí)，說明夾緊機(jī)構(gòu)到達(dá)初始位置，夾緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)停止工作；壓緊機(jī)構(gòu)碰到安裝在上臂的行程開關(guān)時(shí)，說明壓緊機(jī)構(gòu)到達(dá)初始位置，壓緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)停止工作。夾緊機(jī)構(gòu)和壓緊機(jī)構(gòu)都停止工作后，導(dǎo)軌電動(dòng)機(jī)和皮帶電動(dòng)機(jī)停止工作。此時(shí)全自動(dòng)膠帶封箱處于待機(jī)狀態(tài)，等待下一個(gè)紙箱進(jìn)入。

任意時(shí)刻按下停止按鈕，全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)都會(huì)停止工作。若無(wú)特殊情況，一般是在全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)才按下停止按鈕。

這樣就實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)根據(jù)紙箱的寬度和高度調(diào)整夾緊機(jī)構(gòu)的寬度和壓緊機(jī)構(gòu)的高度，以適用箱體尺寸而進(jìn)行封裝?？刂葡到y(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)控制系統(tǒng)框架圖

2 控制系統(tǒng)開發(fā)流程

根據(jù)設(shè)計(jì)思路需要完成全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)控制系統(tǒng)硬件選型、輸入/輸出分配、設(shè)計(jì)原理圖、PLC編程、設(shè)備調(diào)試以及驗(yàn)證分析等工作[4]。

1）硬件選型。

分析全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)控制系統(tǒng)需要增硬件：加2個(gè)按鈕，分別為啟動(dòng)按鈕和停止按鈕；3個(gè)光電檢測(cè)開關(guān)，分別為入口光電開關(guān)、封箱開始光電開關(guān)及封箱完成光電開關(guān)；4個(gè)行程開關(guān)，分別為夾緊機(jī)構(gòu)上的行程開關(guān)、壓緊裝置上的行程開關(guān)、側(cè)臂上的行程開關(guān)以及上臂的行程開關(guān)；4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，分別為導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、夾緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)、壓緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)、皮帶驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。因?yàn)镻LC需要有9個(gè)數(shù)字量輸入和6個(gè)繼電器輸出，因此PLC選擇西門子S7-1200，型號(hào)為CPU1214C AC/DC/Rly；夾緊機(jī)構(gòu)在夾緊過程中，可能會(huì)存在因夾緊機(jī)構(gòu)上的行程開關(guān)失效導(dǎo)致夾緊機(jī)構(gòu)不能及時(shí)停止，為避免這種情況的發(fā)生，在夾緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)回路中增加熱繼電器；同理壓緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)回路中也增加熱繼電器[5]。各硬件詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)控制系統(tǒng)硬件參數(shù)

2）輸入/輸出分配。

根據(jù)全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和硬件選型，可以確定啟動(dòng)按鈕SB1、停止按鈕SB2、入口光電開關(guān)SQ1、封箱開始光電開關(guān)SQ2、夾緊機(jī)構(gòu)上的行程開關(guān)SQ3、壓緊裝置上的行程開關(guān)SQ4、封箱完成光電開關(guān)SQ5、側(cè)臂上的行程開關(guān)SQ6、上臂的行程開關(guān)SQ7應(yīng)接PLC的輸入端；導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行、夾緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)、壓緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)、皮帶驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行、夾緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)、壓緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)是由PLC輸出信號(hào)控制接觸器來間接控制。全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)控制系統(tǒng)輸入/輸出分配表如表2所示。

表2 全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)控制系統(tǒng)I/O分配表

3）設(shè)計(jì)原理圖并安裝接線。

根據(jù)全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)控制系統(tǒng)輸入/輸出分配表，在E-plan軟件中完成PLC的接線原理圖設(shè)計(jì)，如圖2所示，其中左側(cè)為PLC的供電電源和輸入端接線，右側(cè)為PLC的輸出端接線。按照全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)控制系統(tǒng)PLC的接線原理圖完成硬件的安裝和接線。

圖2 全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)控制系統(tǒng)PLC接線原理圖

4）PLC編程。

根據(jù)全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)的設(shè)計(jì)思路和I/O分配過程為：a.啟動(dòng)并初始化。按下啟動(dòng)按鈕，導(dǎo)軌電動(dòng)機(jī)和皮帶電動(dòng)機(jī)停止，夾緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)和壓緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，返回初始位置停止，全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)。b.封箱過程。入口光電檢測(cè)開關(guān)檢測(cè)到紙箱，導(dǎo)軌電動(dòng)機(jī)和夾緊機(jī)構(gòu)上的皮帶電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，導(dǎo)軌帶動(dòng)紙箱前進(jìn)靠近封箱開始光電檢測(cè)開關(guān)，夾緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)靠近紙箱和壓緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)壓緊裝置下壓，當(dāng)夾緊機(jī)構(gòu)接近紙箱時(shí)紙箱會(huì)觸碰到安裝在夾緊機(jī)構(gòu)的行程開關(guān)，夾緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)停止工作，當(dāng)壓緊裝置的行程開關(guān)碰到紙箱頂部時(shí)，壓緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)停止工作。夾緊機(jī)構(gòu)上的皮帶帶動(dòng)紙箱前進(jìn)，壓緊機(jī)構(gòu)帶著封箱機(jī)構(gòu)到達(dá)了適合封箱的位置，紙箱經(jīng)過膠帶封箱機(jī)構(gòu)完成封箱。封箱結(jié)束后，夾緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)和壓緊機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)和壓緊機(jī)構(gòu)返回初始位置，夾緊機(jī)構(gòu)和壓緊機(jī)構(gòu)都停止工作后，導(dǎo)軌電動(dòng)機(jī)和皮帶電動(dòng)機(jī)停止工作。此時(shí)全自動(dòng)膠帶封箱處于待機(jī)狀態(tài)，等待下一個(gè)紙箱進(jìn)入。c.停機(jī)。任意時(shí)刻按下停止按鈕，全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)都會(huì)停止工作。若無(wú)特殊情況，一般是在全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)才按下停止按鈕。PLC程序如圖3所示。

圖3 全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)PLC程序

5）設(shè)備調(diào)試及驗(yàn)證分析。

將編寫好的程序下載到PLC中，并完成設(shè)備調(diào)試。通過對(duì)比全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)、手動(dòng)膠帶封箱機(jī)、人工分別封50個(gè)紙箱所用時(shí)間驗(yàn)證設(shè)備性能。為了更好地模擬紙箱尺寸多變的情景，50個(gè)紙箱共有5種尺寸，每種尺寸有10個(gè)紙箱，封箱順序?yàn)殡S機(jī)排列，并進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)取平均值，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)、手動(dòng)膠帶封箱機(jī)、人工封箱時(shí)間對(duì)比

對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)封箱時(shí)間為0.836 s/個(gè)，手動(dòng)膠帶封箱機(jī)封箱時(shí)間為4.87 s/個(gè)，人工封箱時(shí)間為2.064 s/個(gè)。

手動(dòng)膠帶封箱機(jī)之所以用時(shí)最長(zhǎng)、工作強(qiáng)度最高的原因是：紙箱尺寸的變化導(dǎo)致每次封箱前都需要手動(dòng)調(diào)整夾緊機(jī)構(gòu)和壓緊機(jī)構(gòu)位置，再手動(dòng)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌完成封箱，大大降低了工作效率、增大了工作強(qiáng)度。手動(dòng)膠帶封箱機(jī)封箱更適合用于尺寸固定的紙箱封箱，只需要在一開始手動(dòng)調(diào)整夾緊機(jī)構(gòu)和壓緊機(jī)構(gòu)位置即可。因此，全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)則更適用于尺寸多變的紙箱封箱。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，紙箱封箱工作普遍采用人工封箱或使用手動(dòng)膠帶封箱機(jī)封箱。但是其封箱效率低、人工成本高的缺點(diǎn)明顯。針對(duì)此問題，在手動(dòng)膠帶封箱機(jī)的基礎(chǔ)上增加一套基于S7-1200PLC的控制系統(tǒng)，使膠帶封箱機(jī)能夠根據(jù)紙箱的大小調(diào)節(jié)夾緊機(jī)構(gòu)寬度和壓緊機(jī)構(gòu)高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸紙箱的快速封箱。通過生產(chǎn)驗(yàn)證，對(duì)于尺寸多變的紙箱封箱，該全自動(dòng)膠帶封箱機(jī)的工作效率高于人工封箱或使用手動(dòng)膠帶封箱機(jī)封箱，并且大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。