紙紗復(fù)合制袋機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

紙紗復(fù)合制袋機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0可持續(xù)發(fā)展原則紙袋復(fù)合袋是采用紙袋復(fù)合制袋機(jī)技術(shù)生產(chǎn)的一種新袋，周?chē)h(huán)繞著無(wú)中等縫的穿織線。紙紗復(fù)合包裝袋既解決了傳統(tǒng)紙袋強(qiáng)度低、易破損等問(wèn)題,又解決了塑料袋廢棄后的“白色污染”問(wèn)題,屬于綠色包裝,符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。近年來(lái)研制的紙紗制袋機(jī),較好地解決了紙紗袋的生產(chǎn)和企業(yè)的效率問(wèn)題,但制袋機(jī)的自動(dòng)化、制袋精度和可靠性仍有待于進(jìn)一步提高。本文根據(jù)新型環(huán)保紙紗復(fù)合制袋機(jī)的工藝要求和控制性能指標(biāo),開(kāi)發(fā)了紙紗復(fù)合制袋機(jī)控制系統(tǒng),以提高制袋機(jī)的自動(dòng)化水平、工作的穩(wěn)定性和可靠性,并盡可能地解決目前紙紗復(fù)合制袋機(jī)存在的經(jīng)緯紗密度不均勻、切刀動(dòng)作丟失、亂刀和切不斷等問(wèn)題。1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求1.1紙紗復(fù)合制袋機(jī)工藝流程自動(dòng)紙紗復(fù)合制袋機(jī)主要由上紙機(jī)構(gòu)、折疊機(jī)構(gòu)、布紗機(jī)構(gòu)、上膠機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)、切斷機(jī)構(gòu)、擠壓定型機(jī)構(gòu)、報(bào)警機(jī)構(gòu)以及其他功能擴(kuò)展機(jī)構(gòu)(如印色、扎微孔等機(jī)構(gòu))組成,其平面圖如圖1所示。紙紗復(fù)合制袋機(jī)的工藝流程為:紙紗制袋機(jī)將來(lái)自牛皮紙卷的內(nèi)層紙折疊成矩形紙筒,并在袋長(zhǎng)牽引機(jī)構(gòu)的牽引下運(yùn)動(dòng);經(jīng)紗通過(guò)經(jīng)線布線架上的布線器,再通過(guò)上膠盒完成上膠和布線;然后將布好經(jīng)線的紙筒穿過(guò)緯線布線機(jī)構(gòu)的芯部,緯線機(jī)構(gòu)由2個(gè)盤(pán)形線架組成,2個(gè)盤(pán)形線架轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相反,把緯線纏繞在走過(guò)的紙筒圓周上,并經(jīng)外層紙折疊裝置折疊,使外層紙包裹在繞好線的紙筒上;通過(guò)5級(jí)擠壓定型輥使紙筒內(nèi)外層及經(jīng)緯線粘接在一起,在扎微孔機(jī)構(gòu)處使紙袋扎微孔完成放氣;最后由小芯胎折邊機(jī)構(gòu)將紙袋兩側(cè)折成M形;再通過(guò)定型機(jī)構(gòu)定型后,用切刀切成所需要的長(zhǎng)度并下線。1.2紙紗復(fù)合制袋系統(tǒng)原理通過(guò)研究定長(zhǎng)、定位剪切的控制方法以及紙袋線速度與袋長(zhǎng)、緯紗密度之間的協(xié)調(diào)關(guān)系,設(shè)計(jì)了一種基于PLC的制袋控制過(guò)程系統(tǒng)方案。該方案實(shí)現(xiàn)了紙紗復(fù)合制袋機(jī)的自動(dòng)化功能。該方案的主要控制參數(shù)具體設(shè)置如下。袋速(主機(jī)速度):1~20m/min;切袋長(zhǎng)度:600~1200mm;切袋誤差:±3mm;溫度范圍:20~85℃;溫度誤差:±3K;緯紗密度:30根/100mm~60根/100mm。(2)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性在連續(xù)制袋5萬(wàn)條的過(guò)程中,系統(tǒng)不應(yīng)出現(xiàn)死機(jī)、亂刀、失控等現(xiàn)象。制袋機(jī)工作在1~20m/min的袋速范圍內(nèi),并在加速或減速過(guò)程中系統(tǒng)應(yīng)平穩(wěn)過(guò)渡,運(yùn)行可靠,且能確保紙袋加工誤差在±3mm之內(nèi)。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明,目前的制袋機(jī)控制系統(tǒng)存在自動(dòng)化程度低、電器故障率高、整機(jī)系統(tǒng)可靠性低和穩(wěn)定性欠佳等問(wèn)題。因此,保證定長(zhǎng)、定位和裁切的準(zhǔn)確性是控制系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。2基于控制板的plc根據(jù)開(kāi)發(fā)委托單位提出的“突出控制的可靠性、穩(wěn)定性”要求,實(shí)施控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選型。在單片機(jī)、工控機(jī)和PLC等控制器中,選用便于與接觸器等傳統(tǒng)元器件集成、性價(jià)比較高的PLC為控制核心?；谟|摸屏技術(shù)的制袋機(jī)控制系統(tǒng),可以更好地滿足生產(chǎn)要求、提高生產(chǎn)效率。人機(jī)界面(HMI)是操作人員和機(jī)器設(shè)備之間進(jìn)行雙向溝通的橋梁,用戶可以通過(guò)HMI多功能顯示屏幕,組合文字、按鈕、圖形和數(shù)字等來(lái)處理或監(jiān)管實(shí)時(shí)變化的信息。2.1紙袋牽引傳動(dòng)鏈紙紗復(fù)合制袋機(jī)以PLC為控制中心,通過(guò)工業(yè)觸摸屏向PLC發(fā)送操作指令并顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),采用變頻器對(duì)袋長(zhǎng)牽引電機(jī)和緯紗電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。在紙袋牽引傳動(dòng)鏈系統(tǒng)中,設(shè)置有編碼器,從而對(duì)實(shí)際的袋速進(jìn)行測(cè)量;采用色標(biāo)傳感器檢測(cè)有色袋的切斷標(biāo)志,觸摸屏將溫度、壓輥壓力等信息傳輸給PLC,由PLC進(jìn)行反饋控制。此外,系統(tǒng)還能檢測(cè)各子系統(tǒng)故障現(xiàn)象,并將具體的故障信息送往觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。2.2視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主體模塊人機(jī)界面的選型綜合考慮了產(chǎn)品品牌、處理器的速度、內(nèi)存大小、屏的尺寸、顯示方式、接口類型、顯示分辨率、可靠性、穩(wěn)定性、使用壽命和價(jià)格等因素,以及工程的現(xiàn)場(chǎng)條件和控制要求,最后選用基于12.1英寸(1英寸=25.4mm)TFT液晶顯示屏的TPC1262H嵌入式一體化工控機(jī)。該一體化工控機(jī)還預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件(運(yùn)行版)。人機(jī)界面的主要功能是用觸摸屏控制下位機(jī)(PLC),以達(dá)到控制機(jī)器各部件的目的。其控制量有現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備(如電機(jī)等)的開(kāi)閉、牽引速度和緯紗密度(即控制主機(jī)變頻器和緯紗變頻器,以實(shí)現(xiàn)速度變化)以及上下膠槽溫度等。顯示對(duì)象有上下膠槽溫度、袋速、緯紗密度、切袋計(jì)數(shù)和旋編脈沖等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和機(jī)器動(dòng)畫(huà)的動(dòng)態(tài)顯示,可實(shí)時(shí)監(jiān)控各種變量的變化?？刂葡到y(tǒng)主要由開(kāi)始畫(huà)面、系統(tǒng)監(jiān)控、操作畫(huà)面和報(bào)警畫(huà)面等組成。通過(guò)組態(tài)形成的控制系統(tǒng)畫(huà)面,可使工作人員通過(guò)觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入、啟動(dòng)或停止整個(gè)機(jī)器,以及監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)和系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀況。2.3控制子系統(tǒng)自動(dòng)紙紗復(fù)合制袋機(jī)主要由5個(gè)控制子系統(tǒng)組成,即袋長(zhǎng)牽引子系統(tǒng)、切刀子系統(tǒng)、緯紗繞線子系統(tǒng)、溫度控制子系統(tǒng)和壓輥控制子系統(tǒng)。其中,袋長(zhǎng)牽引子系統(tǒng)是確保控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作的關(guān)鍵,本文將對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)介紹,并簡(jiǎn)要說(shuō)明其他子系統(tǒng)。2.3.1cp1h-sh40dr-a根據(jù)工廠生產(chǎn)工藝流程、生產(chǎn)過(guò)程特點(diǎn)及I/O點(diǎn)數(shù)規(guī)模等需求,結(jié)合工廠現(xiàn)有設(shè)備和控制要求,選用歐姆龍繼電器輸出型的CP1H-XA40DR-A作為本系統(tǒng)的PLC。它集成了24點(diǎn)輸入、16點(diǎn)輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn),并內(nèi)置4點(diǎn)模擬量輸入、2點(diǎn)模擬量輸出。CP1H-XA40DR-A是具有較強(qiáng)控制能力的控制器,它共有4個(gè)獨(dú)立的100kHz高速計(jì)數(shù)器、2路獨(dú)立的100kHz高速脈沖輸出、2個(gè)RS-485/RS-232C通信/編程口。2.3.2紙袋機(jī)長(zhǎng)、c袋長(zhǎng)牽引子系統(tǒng)由變頻器對(duì)主機(jī)(牽引電機(jī))速度進(jìn)行控制,它是解決袋長(zhǎng)精度的關(guān)鍵。編碼器檢測(cè)走袋速度并送入PLC,PLC控制變頻器,進(jìn)而控制電機(jī)速度。對(duì)未印刷的紙袋,PLC根據(jù)人機(jī)界面觸摸屏傳送的袋長(zhǎng)指令計(jì)算切刀周期;對(duì)印刷有色標(biāo)的紙袋,其切刀周期直接由色標(biāo)確定。(1)交流交流系統(tǒng)交流為實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)整和運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定,本系統(tǒng)采用2臺(tái)變頻器分別對(duì)牽引電機(jī)和緯紗繞線電機(jī)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)控制。變頻器的容量選定過(guò)程實(shí)際上是變頻器與電機(jī)的最佳匹配過(guò)程,最常見(jiàn)也較安全的選擇依據(jù)是使變頻器的容量大于或等于電機(jī)的額定功率。本系統(tǒng)選用歐姆龍3G3MV型變頻器,輸入為380V三相交流電源、輸出功率為3kW、額定電流為6.8A。在變頻調(diào)速的幾種控制方式中,PWM模式的V/F變頻器控制相對(duì)簡(jiǎn)單,機(jī)械特性硬度也相對(duì)較好,能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求。因此,系統(tǒng)采用PWM-V/F變頻器方式。(2)傳感器的選擇色標(biāo)傳感器的選擇主要考慮傳感器的截面形狀、截面面積、檢測(cè)距離、開(kāi)關(guān)頻率、光斑大小、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性和自學(xué)習(xí)能力等指標(biāo)。由于本系統(tǒng)中色標(biāo)傳感器用于控制切刀的動(dòng)作,故選擇的傳感器必須滿足響應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)定性好以及自學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的要求。所以,本系統(tǒng)選擇SICKKT1M-P1色標(biāo)傳感器。(3)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器在本系統(tǒng)中,旋轉(zhuǎn)編碼器的作用是實(shí)時(shí)采集袋長(zhǎng)牽引過(guò)程中的紙袋長(zhǎng)度,為此,選用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。考慮到系統(tǒng)對(duì)紙袋的精度要求較高,本系統(tǒng)選用DRS60旋轉(zhuǎn)編碼器。為提高袋長(zhǎng)精度,每次切袋后編碼器都需清零。2.3.3提刀時(shí)間的影響PLC產(chǎn)生切刀信號(hào)控制切刀電磁閥,進(jìn)而控制切刀。控制的關(guān)鍵在于提刀時(shí)間。提刀時(shí)間太長(zhǎng),會(huì)造成紙袋堆積,容易產(chǎn)生斜角;提刀時(shí)間太短,則切不斷紙袋,容易產(chǎn)生廢品。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn),確定本系統(tǒng)的切刀時(shí)間為5~10ms,以適應(yīng)不同的袋長(zhǎng)和袋速。2.3.4緯紗電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制緯紗繞線子系統(tǒng)采用變頻器聯(lián)動(dòng)調(diào)速。根據(jù)主機(jī)線速度(袋速)、主機(jī)傳動(dòng)比、牽引輥直徑、緯紗傳動(dòng)比和緯紗盤(pán)定子數(shù)等參數(shù),由PLC程序自動(dòng)計(jì)算出緯紗電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而確保整機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行以及緯紗密度的精確穩(wěn)定。2.3.5系統(tǒng)控制精度溫控子系統(tǒng)用來(lái)控制上下膠槽溫度,以便能夠讓經(jīng)緯紗可靠地粘合在上下層牛皮紙上。本系統(tǒng)溫控范圍為20~85℃,控制精度保持在±3K。系統(tǒng)控制對(duì)精度要求不高,但要求穩(wěn)定。所以選用性價(jià)比較高的Pt100溫度傳感器,再經(jīng)由溫度變送器送入PLC,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。2.3.6壓輥控制單元壓輥控制子系統(tǒng)對(duì)各個(gè)壓輥進(jìn)行加壓和減壓操作。當(dāng)壓力達(dá)到一定值后,通過(guò)PLC控制電磁閥的斷電和通電。系統(tǒng)控制流程圖如圖3所示。3控制系統(tǒng)本文設(shè)計(jì)的整機(jī)系統(tǒng)一直在蘭州金安新包裝有限公司進(jìn)行試生產(chǎn)。該自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)紙紗復(fù)合制袋機(jī)生產(chǎn)過(guò)程的上紙、布紗、上膠、控溫、折邊、翻邊、扎孔、剪切、復(fù)合、折邊、切袋計(jì)數(shù)和輸送等各個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化。主機(jī)速度(袋速)在1~20m/min范圍內(nèi)能夠確保系統(tǒng)在加速、減速過(guò)程中穩(wěn)定可靠。剪切袋長(zhǎng)在600~1200mm范圍內(nèi)設(shè)定生產(chǎn)時(shí),切袋誤差不超過(guò)±3mm。觸摸屏人機(jī)界面操作簡(jiǎn)單,可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的工作狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生小芯胎錯(cuò)位等嚴(yán)重故障時(shí),觸摸屏能實(shí)時(shí)顯示其故障,同時(shí)控制系統(tǒng)能夠緊急停止主機(jī)、緯機(jī),既不浪費(fèi)紙張,又保證設(shè)備和人身安全。與原有的控制系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性都有大幅度的提高,迄今已生產(chǎn)15萬(wàn)條紙袋(驗(yàn)收指標(biāo)為5萬(wàn)條紙袋),氣動(dòng)切刀工作正常,未出現(xiàn)不切、亂切、切不斷、失控等情況,整機(jī)系統(tǒng)也未出現(xiàn)其他故障。4維碼控制系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)有紙紗復(fù)合制袋機(jī)的精度和自動(dòng)化程度等問(wèn)題,在分析制袋工藝和加工過(guò)程的基礎(chǔ)上,對(duì)制袋機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì),研究并開(kāi)發(fā)了基于PLC的綠色環(huán)保型紙紗復(fù)合制袋機(jī)的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)綜合運(yùn)用人機(jī)界面組態(tài)軟件、觸摸屏、PLC、變頻器、編碼器和色標(biāo)傳感器等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了主電機(jī)和緯紗電機(jī)速度的匹配調(diào)節(jié)和平滑過(guò)渡,自動(dòng)