FFS 一體化包裝機(jī)電氣控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭圓成

（陜西延長中煤榆林能源化工有限公司，榆林 718500）

FFS 一體化包裝機(jī)是應(yīng)用聚乙烯（Polyethylene，PE）膜包材對粉料、顆粒料等進(jìn)行全自動制袋灌裝、封口的包裝裝置，包裝過程干凈高效，已被廣泛應(yīng)用于各產(chǎn)品加工領(lǐng)域。與傳統(tǒng)包裝裝置相比，PE 膜包材成本更低，防潮性能更好，可以有效減輕物料的運(yùn)輸存儲負(fù)擔(dān)。通過分析該一體化包裝機(jī)的機(jī)械構(gòu)成，研究利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術(shù)實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)的電氣系統(tǒng)控制功能。

1 一體化包裝機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動包裝機(jī)基本構(gòu)成包括機(jī)架、供料機(jī)構(gòu)、供膜機(jī)構(gòu)、封裝機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)及PLC 電控箱等。其中，封裝機(jī)構(gòu)多為雙曲柄機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過彈簧相連做圓周運(yùn)動，兩封裝器在回轉(zhuǎn)中心的垂直平分線上相互擠壓一段垂直軌跡實(shí)現(xiàn)包裝袋封裝剪切過程；供料機(jī)構(gòu)包括固定在機(jī)架上的支座、進(jìn)料倉及儲料機(jī)構(gòu)等，其中儲料機(jī)構(gòu)通過容積法計(jì)量；供膜機(jī)構(gòu)由固定在機(jī)架上的平行立柱、轉(zhuǎn)軸、摩擦盤、傳動桿、光電傳感器及供膜電機(jī)等構(gòu)成；封裝機(jī)構(gòu)安裝于供膜機(jī)構(gòu)下側(cè)封口支座處，包括橫封、縱封兩種方式，并安裝有切刀裝置[1]。

2 包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 基于PLC 技術(shù)的包裝機(jī)特點(diǎn)

FFS 一體化包裝機(jī)主要用于對粉料、顆粒料或類型相近物料的包裝，可以有效簡化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、降低成本，通過更換部分配件擴(kuò)大適用范圍。包裝機(jī)設(shè)計(jì)過程中，包裝材料的選取十分關(guān)鍵。包材受牽引時(shí)速率越快，會產(chǎn)生越大的張力，也更容易破損，因此包材抗拉強(qiáng)度不符合要求會大幅降低包裝速率。動作頻繁、執(zhí)行器件復(fù)雜是包裝機(jī)裝置顯著特征，以往包材傳動依靠連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行拉帶，當(dāng)需要更換物料或包裝袋尺寸時(shí)需要停機(jī)調(diào)節(jié)，效率較低。現(xiàn)階段，引入PLC或人工操控界面實(shí)現(xiàn)電機(jī)拉帶，由光電傳感器檢測袋長、色標(biāo)實(shí)現(xiàn)包材循環(huán)供送，大幅提升了效率。在系統(tǒng)啟動后，走袋電機(jī)驅(qū)動包材并打印日期，經(jīng)過縱封裝置加熱封閉、經(jīng)橫封裝置形成袋筒等待供料電機(jī)進(jìn)行裝料，期間由各檢測信號控制，溢出物料由刮板刮平，并進(jìn)行上橫封，完成包裝作業(yè)?？梢钥闯觯麄€(gè)包裝工藝中輸入信號包括PE 膜位置、縱封橫封溫度、料滿情況等，輸出信號包括各電機(jī)轉(zhuǎn)速、加熱管溫度等。

基于PLC 技術(shù)設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，首先確定控制系統(tǒng)整體方案，由各傳感器將檢測信號上傳PLC。其次，由PLC 控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行過載檢測。需要利用光電傳感器采集膜信號、動盤到位、日期標(biāo)號等多個(gè)信號，利用溫度傳感器檢測橫封、縱封溫度，利用顏色傳感器檢測色標(biāo)位置。最后，利用24 V 電源模塊為控制電路中傳感器、電磁閥及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊供電，在干加熱管熱封中熱繼電器對電機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)，具體包裝機(jī)系統(tǒng)循環(huán)工藝流程如圖1 所示。為不間斷持續(xù)作業(yè)工藝，供送下一個(gè)包裝袋前要確保橫封機(jī)構(gòu)能夠截?cái)喈?dāng)前包裝袋[2]。

圖1 包裝機(jī)循環(huán)作業(yè)工藝流程

由圖1 可以看出，包裝機(jī)運(yùn)行時(shí)需要供送薄膜，將膜卷放置在支撐機(jī)構(gòu)上，在不斷供給被裝貨物后，進(jìn)行高效自動的包裝并牽引到封口位置，然后進(jìn)行后續(xù)縱封、橫封工序，最后在熱封截?cái)嘞滦纬瑟?dú)立包裝，完成一個(gè)循環(huán)作業(yè)工序，將產(chǎn)品輸送至存儲點(diǎn)。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行方式及控制框圖

系統(tǒng)運(yùn)行分為手動、聯(lián)鎖自動兩種模式。其中：手動模式下，按動按鈕將手動開關(guān)閉合啟動程序，主要用于故障檢修維護(hù)作業(yè)；聯(lián)鎖自動模式下，按動按鈕后程序?qū)⒆詣勇?lián)鎖循環(huán)作業(yè)，各機(jī)構(gòu)完成一個(gè)循環(huán)后將自動回到初始狀態(tài)進(jìn)行下一循環(huán)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，需要結(jié)合實(shí)際工況考慮不同停止運(yùn)行方式，包括正常停運(yùn)、緊急停運(yùn)及暫時(shí)停運(yùn)3 種，確保包裝機(jī)不間斷作業(yè)過程中，只有當(dāng)作業(yè)任務(wù)完成后或操作人員停運(yùn)指令、設(shè)備運(yùn)行異常情況下才會停車，此時(shí)控制系統(tǒng)將直接切斷電源，包裝機(jī)停止工作[3]。

控制系統(tǒng)總體框圖如圖2 所示，包含中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、輸入輸出（Input Output，IO）單元、檢測元件、控制元件、執(zhí)行元件等。操作人員可根據(jù)觸摸屏、啟停按鈕對設(shè)備下達(dá)指令，如機(jī)器啟停、功能切換等。檢測元件將對物料位置、各機(jī)構(gòu)動作信號燈進(jìn)行檢測?？删幊炭刂破髯詣友h(huán)掃描IO 點(diǎn)實(shí)時(shí)狀態(tài)，依據(jù)編寫程序中的確定控制關(guān)系不斷更新輸出點(diǎn)狀態(tài)，并在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行位置檢測、故障報(bào)警等。通過接通斷開交流接觸器的觸點(diǎn)和電磁閥來控制電機(jī)啟停，從而實(shí)現(xiàn)從包材運(yùn)輸?shù)轿锪涎b入包裝的控制[4]。

圖2 系統(tǒng)控制

2.3 PLC 分析

2.3.1 PLC 分類

基于各行業(yè)的發(fā)展需要，PLC 各類特殊功能擴(kuò)展模塊及設(shè)備型號也較多，可以結(jié)合IO 點(diǎn)數(shù)的差異，將PLC 分為3 類：一是256 點(diǎn)以下的小型機(jī)，無模擬量；二是256～2 048 點(diǎn)的中型機(jī)，有64～128 路的模擬量；三是2 048 點(diǎn)以上的大型機(jī)，有128～512 路模擬量。因此，在一體化包裝機(jī)的設(shè)計(jì)中，要關(guān)注對PLC 的設(shè)計(jì)選擇，在基于實(shí)際需要對不同模板進(jìn)行配置組合后，提高PLC 應(yīng)用效果。當(dāng)前常見部分小型機(jī)做成配置模板固定的一體機(jī)，便于成套設(shè)備的選用。

2.3.2 PLC 結(jié)構(gòu)框架

結(jié)合FFS 一體化包裝機(jī)的需要，其PLC 主要包含CPU、存儲器、IO 系統(tǒng)及其他可選部件4 部分，其中CPU、存儲器及IO 系統(tǒng)是PLC 實(shí)現(xiàn)基本控制功能的必需組件，其他可選部件包括編程器、外部儲存、通信組件、擴(kuò)展接口、測試設(shè)備等其他功能模塊。依據(jù)實(shí)際使用工況，可自行開發(fā)其他功能模塊，如輸入輸出模塊、計(jì)數(shù)器等。

該包裝機(jī)PLC 結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示，在結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況后開發(fā)各特殊功能，其中包含內(nèi)置24 V、400 mA 直流電源對接近開關(guān)、傳感器供電，其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)需外接直流電源。

圖3 PLC 結(jié)構(gòu)

2.3.3 PLC 設(shè)計(jì)流程

第一，結(jié)合控制方案需要進(jìn)行硬件選型工作，然后基于容易擴(kuò)充的原則，確保PLC 控制系統(tǒng)具有領(lǐng)域應(yīng)用廣泛性、成熟可靠性。

第二，確保系統(tǒng)的軟硬件搭配與設(shè)備控制功能相協(xié)調(diào)，在工業(yè)設(shè)計(jì)中做好IO 點(diǎn)數(shù)估算和擴(kuò)展模塊功能完善工作，進(jìn)一步優(yōu)化選擇高性價(jià)比的PLC 系統(tǒng)。

第三，在開展IO 點(diǎn)的估算工作時(shí)，需要留有一定的余量，在數(shù)量統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上增加余量，一般將擴(kuò)充15%～25%作為最后選型的依據(jù)。

第四，結(jié)合本包裝機(jī)的工藝過程及具體點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)，綜合設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和控制系統(tǒng)PLC 的應(yīng)用性能，決定本包裝機(jī)選用FX2n-32MR-E/UL 型PLC，選用交流電源，輸入輸出點(diǎn)各16 個(gè)，繼電器輸出。該P(yáng)LC 為高性能小型PLC，附帶高速計(jì)數(shù)器，運(yùn)算能力強(qiáng)，程序容量達(dá)到16 k 步[5]，且具有執(zhí)行程序更快、通信功能更強(qiáng)和多功能擴(kuò)展模塊等特點(diǎn)，利于后期優(yōu)化該自動包裝系統(tǒng)。

3 實(shí)用性分析

完成一體化包裝機(jī)電氣控制設(shè)計(jì)后，分析其計(jì)量和走袋精度。分別選取由2 個(gè)包裝機(jī)完成包裝的青豆2 組（Ⅰ組和Ⅱ組），每組10 袋，通過標(biāo)尺測算袋長、天平稱量單包質(zhì)量，分析包裝機(jī)計(jì)量和走袋精確度，其中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 包裝機(jī)包裝參數(shù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從測算結(jié)果來看，包裝粒徑較小青豆時(shí)，兩組總質(zhì)量和單包質(zhì)量基本相同，極差、方差差值很小，可以看出包裝機(jī)計(jì)量穩(wěn)定，包裝機(jī)電氣改造效果良好。3 個(gè)月的設(shè)備試應(yīng)用情況顯示，設(shè)備的穩(wěn)定性較高，能夠保障自動化包裝精度和質(zhì)量，能滿足企業(yè)的發(fā)展需要。此外，在應(yīng)用中包裝機(jī)可視觸摸控制效果良好，不僅能實(shí)時(shí)了解包裝進(jìn)度和工況，還能通過人為操作提高包裝安全性。

4 結(jié)語

文章介紹FFS 一體化包裝機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)合PLC 控制技術(shù)進(jìn)行包裝機(jī)整體設(shè)計(jì)，以可靠實(shí)用為原則設(shè)計(jì)出功能齊全、易于操作的控制系統(tǒng)。對包裝機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行計(jì)量及走袋精度測試，從走袋質(zhì)量、袋長統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，該包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，可以保障包裝走袋的精度與質(zhì)量。