基于PLC和HMI的EPE燙貼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋凱旋+魏國(guó)亮

摘要摘要：目前，在EPE材料深加工領(lǐng)域主要采用人工作業(yè)的方式，普遍存在粘合效果較差、效率低下等問(wèn)題，鑒于此，設(shè)計(jì)了一種以PLC為主控制器，HMI為人機(jī)交互的EPE材料燙貼系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由送料、取料、燙料3個(gè)子系統(tǒng)組成，其中送料子系統(tǒng)由PLC通過(guò)高速脈沖方式向步進(jìn)電機(jī)下達(dá)定位命令，使得EPE材料能夠精確、快速地運(yùn)送至指定位置。取料子系統(tǒng)采用氣動(dòng)作為動(dòng)力來(lái)源，其中上下、前后以及卸料氣缸完成取料、燙料、粘料、卸料過(guò)程。燙料子系統(tǒng)主要由測(cè)量裝置和加熱裝置組成，采用PID溫度控制方式，精確控制加熱回路的溫度變化。實(shí)際使用表明，該設(shè)計(jì)方案適用于多種類(lèi)型EPE材料的粘合，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、移動(dòng)和輸送精確度高、粘合效果好、兼顧環(huán)保理念等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：EPE燙貼系統(tǒng)；PLC；HMI；實(shí)時(shí)監(jiān)控

引言

EPE（Expandable Polyethylene，即可發(fā)性聚乙烯）是一種新型的環(huán)保包裝材料，EPE具備易加工、無(wú)需開(kāi)模、壓縮形變恢復(fù)性好、彈性較強(qiáng)、清潔衛(wèi)生、便于回收循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)[1]，是傳統(tǒng)包裝材料的理想代替品。

將珍珠棉用作包裝品之前，需要根據(jù)被包裝對(duì)象的形狀將珍珠棉粘接起來(lái)。如今通常采用人工膠水粘合方式來(lái)粘接珍珠棉，存在的不足之處主要有效率低、人工成本較高、產(chǎn)品一致性差、品質(zhì)參差不齊。針對(duì)以上情況，開(kāi)發(fā)了基于HMI和PLC控制的EPE燙貼系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自動(dòng)化完成珍珠棉片材上料和底料的粘合，并適用于大面積多層EPE片材的粘合。1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該控制系統(tǒng)選用永宏FBs系列PLC，型號(hào)為FBs-32MA，具有20個(gè)24VDC數(shù)字量輸入（4點(diǎn)可達(dá)10KHz），12個(gè)數(shù)字量輸出（4個(gè)10KHz輸出），一個(gè)RS232或USB通訊端口（最大可擴(kuò)展到3個(gè)），HMI選用昆侖通態(tài)嵌入式一體化觸摸屏，型號(hào)為T(mén)PC1061Ti[2]。其中，PLC作為系統(tǒng)控制核心，氣動(dòng)元件和步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)模塊，HMI用于實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢等。

系統(tǒng)主要由送料、取料、燙料3個(gè)子系統(tǒng)組成。其中，送料子系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，主動(dòng)滾筒與步進(jìn)電機(jī)同軸連接并帶動(dòng)傳送帶運(yùn)動(dòng)，PLC通過(guò)高速脈沖輸出口向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出一定頻率及數(shù)目的脈沖完成定位信息的傳遞，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得傳送帶上的物料運(yùn)動(dòng)至指定位置[3]。取料子系統(tǒng)由取料板抓取物料，PLC控制上下、前后以及卸料氣缸完成取料、燙料、粘料、卸料過(guò)程。燙料子系統(tǒng)主要由加熱板組成，使EPE片材上料的底面受熱熔融、軟化，方便與底料粘合一起。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1送料子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

送料子系統(tǒng)主要完成將物料精確地傳送至指定位置，因此對(duì)于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置以及速度控制有著極高的要求。本系統(tǒng)選取性價(jià)比較高的步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，目前PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制方式主要有以下4種：①通過(guò)模擬量輸出方式進(jìn)行控制，該方式控制反應(yīng)較靈敏但成本較高并且容易受外界噪聲干擾；②通過(guò)數(shù)字I/O方式下達(dá)命令，該方式使用簡(jiǎn)單但應(yīng)用靈活度比較差；③通過(guò)通訊方式控制方式，因?yàn)橥ㄓ崊f(xié)議無(wú)標(biāo)準(zhǔn)并且受通訊反應(yīng)限制，因此應(yīng)用有瓶頸；④通過(guò)高速脈沖方式下達(dá)命令，該方式成本低廉容易準(zhǔn)確控制。綜合考慮，送料子系統(tǒng)選用具有4個(gè)高速脈沖輸出口的FBs-32MA型PLC，采用脈沖加方向的工作模式完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器速度及位置信息的傳送。其中，PLC的Y0輸出口為脈沖輸出口，Y1為方向輸出口[4]。FBs-32MA與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器端口連接原理如圖2所示。

2.2取料子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

氣缸負(fù)載大、動(dòng)作反應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)、易于安裝維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)[5]，因此取料子系統(tǒng)采用氣動(dòng)作為動(dòng)力來(lái)源，其中上下、前后以及卸料氣缸完成取料、燙料、粘料、卸料過(guò)程。如圖3所示，為了維護(hù)以及監(jiān)控方便，上下氣缸的上端及下端分別安裝了上極限傳感器、下極限傳感器，前后氣缸的前端及后端分別安裝了前極限傳感器、后極限傳感器。通過(guò)HMI顯示檢測(cè)到的傳感器數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)獲得氣缸的運(yùn)動(dòng)信息以及故障信息。

2.3燙料子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

燙料子系統(tǒng)主要由測(cè)量裝置和加熱裝置組成。測(cè)量裝置包括FBs-TC2溫度模塊及J型熱電偶，其中FBs-TC2通過(guò)擴(kuò)展輸入排線與FBs-32MA連接。加熱裝置包括固態(tài)繼電器以及加熱線圈，加熱線圈采用高頻加熱線圈，在加熱板底部產(chǎn)生渦流，瞬間可將燙料面板加熱至400多度，大大提高粘合速度，且受熱均勻，粘合效果較好。燙料子系統(tǒng)的溫度控制是利用溫度模塊（FBs-TC2）配合溫度規(guī)劃表格將外界當(dāng)前的溫度測(cè)量值當(dāng)作過(guò)程變量，并將所設(shè)定的溫度設(shè)定值與過(guò)程變量經(jīng)由溫控程序PID數(shù)學(xué)式運(yùn)算后，得到適宜的輸出控制值以將溫度控制在所期望的溫度范圍內(nèi)。并將PID運(yùn)算后的數(shù)值結(jié)果轉(zhuǎn)換為時(shí)間比例ON/OFF（PWM）輸出，經(jīng)由PLC輸出控制固態(tài)繼電器的通斷，進(jìn)而控制加熱回路，即可得到相當(dāng)精確的控制結(jié)果[6]。3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制軟件由PLC控制程序、HMI兩部分組成，如圖4所示，PLC控制程序主要完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的采集與處理、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行控制。HMI與PLC通過(guò)RS232接口進(jìn)行通信，可以直觀地顯示系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)、記錄已設(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)、存儲(chǔ)系統(tǒng)歷史報(bào)警信息以及相關(guān)手動(dòng)操作[7]。

3.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)主程序先調(diào)用初始化子程序，對(duì)系統(tǒng)中加熱板溫度、取料裝置中各氣缸狀態(tài)、送料裝置位置等參數(shù)進(jìn)行檢查并初始化。如圖5所示，在執(zhí)行完初始化子程序后，選擇控制信號(hào)來(lái)源，在手動(dòng)模式下，操作人員可以用HMI或者實(shí)體按鈕進(jìn)行啟停、回零、點(diǎn)動(dòng)等相關(guān)操作[8]。在自動(dòng)模式下系統(tǒng)將按照既定的工作流程運(yùn)行，直至設(shè)定的生產(chǎn)計(jì)劃完成，中途若出現(xiàn)氣缸不到位、加熱線圈未通電等異常狀況，系統(tǒng)將調(diào)用報(bào)警子程序進(jìn)行異常情況分析并依據(jù)報(bào)警等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的處理，而報(bào)警內(nèi)容、日期等信息將被存儲(chǔ)并顯示在HMI報(bào)警歷史頁(yè)面[9]。

3.2HMI監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

HMI選用昆侖通態(tài)嵌入式一體化觸摸屏，HMI監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控和操作控制兩部分組成，監(jiān)控主要指對(duì)系統(tǒng)中當(dāng)前溫度值、當(dāng)前生產(chǎn)量、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。在操作控制中可以人為地對(duì)系統(tǒng)中的生產(chǎn)量設(shè)定值、溫度設(shè)定值、功能按鈕、電機(jī)速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。運(yùn)用HMI監(jiān)控系統(tǒng)就可以及時(shí)對(duì)整個(gè)燙貼系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，極大地方便了現(xiàn)場(chǎng)人員的操作與調(diào)試[10]。

4應(yīng)用效果

本文提出了基于PLC和HMI的EPE燙貼系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高和穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具體從以下3方面加以驗(yàn)證：

（1）工作效率極大提高。在傳統(tǒng)的EPE材料深加工領(lǐng)域中，一般都是采用人工作業(yè)，通常完成兩層EPE材料的粘貼需要耗時(shí)1～1.5min（具體依據(jù)作業(yè)形式及片材面積），而且需要多人協(xié)作。應(yīng)用本系統(tǒng)則僅需20～30s便可完成兩層EPE材料燙貼，并且系統(tǒng)通常24小時(shí)工作，大大提升了加工效率，也節(jié)約了寶貴的人力資源。

（2）應(yīng)用范圍廣。傳統(tǒng)的加工方式包括有電熱風(fēng)吹方式、膠水粘合方式兩種，其中電熱風(fēng)吹方式只能加工小面積的產(chǎn)品，在加工大面積產(chǎn)品時(shí)，只能粘合產(chǎn)品的四周，中間則無(wú)法粘合；而膠水粘合方式雖能加工大面積的產(chǎn)品，但產(chǎn)品表面極易發(fā)黃，嚴(yán)重影響外觀。應(yīng)用本系統(tǒng)不僅可以適用于大面積珍珠棉片材的粘合，且取料穩(wěn)定、移動(dòng)和輸送精確度高、不需使用膠水、粘合速度快、受熱均勻，因此更加環(huán)保、產(chǎn)品外觀更好。

（3）系統(tǒng)調(diào)試方便。由HMI建立起友好的人機(jī)交互，因此相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)如送料設(shè)備運(yùn)動(dòng)速度、燙貼時(shí)間等，皆可在HMI界面上進(jìn)行輸入。并且由系統(tǒng)各處傳感器采集的信號(hào)也可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在HMI顯示界面上，對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)可充分加以監(jiān)控。

5結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于PLC和HMI的EPE燙貼系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)方案適用于多種類(lèi)型EPE材料的粘合，且具有取料穩(wěn)定、移動(dòng)和輸送精確度高、粘合速度快、受熱均勻、粘合效果好、兼顧環(huán)保理念等優(yōu)點(diǎn)。并且，系統(tǒng)在實(shí)際使用中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫娟）