基于PLC的制袋机机械手控制系统设计

引言

　　塑料包装袋具有轻便，易于携带，用途广泛的特点，给人们的生活提供了极大的方便。由于需求量非常大，对企业生产效率的要求较高。河南某公司是一家大型塑料包装袋生产企业，曾在塑料包装袋行业中占国内绝大部分的市场份额。近年来却面临种种问题的困扰，严重影响了企业的效益和发展。其生产设备多为七八十年代的老旧工艺设备，多为人工操作或采用传统的控制系统，生产效率低、故障率较高。因生产工艺陈旧、机械设备老化、生产效率低下、产能不足，严重影响了订单生产任务的交付。同时，旧设备功能单一，不能灵活调整生产工艺，不适应企业新的发展需求。为解决实际生产问题，此企业进行了生产设备的自动化改造，委托项目组进行了基于 PLC 的塑料制袋机控制系统的设计研发工作。

1 系统工艺分析

　　塑料制袋机用于制作各种规格的塑料包装袋或其他材料包装袋，一般来说以塑料包装袋为主要产品。塑料制袋机的主要任务是将上一工序生产的塑料膜筒进行加工，完成热切制袋、叠放、计数、机械手搬运、冲切成型、成品废料分离、折叠、成品袋排放等工序。

　　塑料制袋机动作流程分析如下。

　　1) 热切制袋、计数、叠放将吹膜工序生产的膜筒卷由热切刀根据尺寸规格要求切成两端封闭的膜筒段，两端封闭由热切刀在切割的过程中对膜筒进行加热完成，热切刀的温度需要进行控制，做到可靠粘合，温度的控制由温控仪来完成。热切的送料机构和热切刀传动机构由位置控制仪控制伺服电机同步动作完成，在热切刀驱动机构上设置有霍尔传感器，对热切完成的袋套进行计数，同时由压缩空气吹送完成袋套的叠放动作。

　　2) 物料转移热切袋套达到设定的计数值时，制袋机 PLC 收到脱袋信号，控制机械手完成抓取动作，抓紧到位后，移位电机通过同步带带动机械手移位到液压冲切位，经过减速位置时，进行降速，气动毛刷抹平板对袋套进行抹平。

　　3) 冲切成型在冲切位置，由霍尔式限位开关发送信号，PLC 停止机械手的移动，主压板和废料压板在气缸的驱动下压紧待切袋，成型冲切刀在液压增力气缸驱动下完成袋耳冲切。

　　4) 废料分离冲切完成后，主压板和液压冲刀复位，废料压板继续保持作用，主压板复位完成后，机械手夹持成品袋移位，完成成品和废料的分离。

　　5) 折叠机械手移动到折袋位置时，上下折叠气缸同时动作，夹持袋耳，机械手张开，放松夹持，前移一段设定的距离后，返回，从折叠板抓取折叠完成的成品袋，移送至包装区。

　　6) 成品袋排放机械手夹持加工完成的成品袋，移送至包装区张开，放下物料，移动至换向位置后，返回，经过冲切转盘时将废料推入废料回收箱，到达待机位置张开手爪，等待下一个工作循环。

　　正常生产状态下，制袋机依次完成上述动作，不断进行循环。为实现上述动作，制袋机系统配置了 5 只普通气缸、1 只液压增力气缸、1 只气动手爪。普通气缸为单作用气缸，分别用于主压板升降、废料压板升降、压平挡板升降和折袋托板、压板的升降; 液压增力气缸用于成型冲刀冲切; 气动手爪用于对待加工包装袋的加紧和放松。系统气动原理如图 1 所示。

 

图 1 系统气动原理图

图 1 系统气动原理图

　　为确保制袋机能够高效可靠地运行，制袋机机械手控制系统需要具备以下功能: ① 手动运行功能，由操作员根据需要进行单步的手动运行操作; ② 自动运行功能，制袋机机构及机械手根据预先设定的工序自动连续运行; ③ 具备用户权限设置功能，限制未授权人员对机械手的操作和对运行参数的修改; ④ 故障报警功能，当系统出现故障或发生误操作时，及时显示报警信息，提醒操作员。

2 系统设计

　　制袋生产车间布置有数十台制袋机组，每台机组在 PLC 控制下单独工作。根据厂方需求，系统采用单台机组独立控制的形式，每台 PLC 控制一台制袋机组，并配置人机界面，实现对控制单元的控制和工作状态的实时显示。系统设计考虑了日后设置生产车间监控系统的需求，独立控制单元可以通过加装通讯模块与监控中心上位机联网，实现可视化监控。PLC 控制系统的总体组成如图 2 所示。

控制系统组成

图 2 控制系统组成

　　2.1 系统硬件选型与 I / O 分配

　　通过分析制袋机的工艺流程，可以归纳出，系统对信号的处理集中为数字量的处理和控制，估算系统需要处理的开关型输入输出量点数约为 30 余点。系统需要配置人机界面，需要占用一个 ＲS － 232 通讯口，考虑到以后联网需求，PLC 主机单元应配置两个以上的通讯口。根据系统的功能需求和系统控制信号的数量，选择信捷 XC3 － 48Ｒ/E 型 PLC 作为控制主机，此机型配置 20 点继电器输出，28 点 NPN 输入，带有 2个通讯口，可以加装 BD 通信扩展板实现联网功能。根据系统对人机界面的功能要求，选择 OP320A。此人机界面能与主控 PLC 实时通讯，显示系统寄存器状态和数值，具有丰富的功能键盘，和报警列表功能，实时显示当前报警信息，并且具有很高的性价比。通过分析制袋机工艺流程，确定制袋机机械手控制系统 I/O 分配表如表 1 所示。

 

表 1 制袋机机械手控制系统 I/O 分配表

制袋机机械手控制系统 I/O 分配表

　　2.2 PLC 控制程序设计

　　根据对制袋机机械手控制系统功能的分析，系统的动作为典型的步进动作，可以采用顺序功能图语言( SFC) 进行控制程序的设计。系统动作流程包括复位流程、手动控制流程和自动控制工作流程。

　　1) 复位流程

　　系统启动时，操作者可通过人机界面 OP320A 的起动功能键或复位功能键对系统进行复位。复位过程中，机械手中速右移，至减速位置时张开机械手爪，到达待机位置停止，进入待机状态。顺序功能图如图 3左侧 SFC 图所示。

　　2) 手动控制流程

　　操作者将系统工作模式选择到手动状态时，可以通过 OP320A 功能键控制机械手工作台的左右移动和机械手爪的张开。对应的手动控制顺序功能图如图 3右侧 SFC 图所示。

复位与手动控制流程 SFC

图 3 复位与手动控制流程 SFC

　　3) 主工作流程

　　控制系统在主工作流程中需要完成物料抓取、机械手工作台左行、抹平挡板下降及复位、停机冲切、机械手工作台左行、机械手折袋( 该功能为可选) 、机械手放料、机械手工作台换向、高速右行、减速张开、冲切转台旋转、成品袋传送带前移等动作。具体工作流程顺序功能图如图 4 所示，其中右侧为宏步的展开序列。系统顺序功能图编制完成后，可以很方便的转换为控制梯形图程序。

　　2.3 软件界面软件设计

　　系统的人机界面选用的是 OP320A，采用无锡信捷电气公司的人机界面编辑软件，进行人机界面的编程。根据系统的功能需求，设计了 LOGO 界面、操作主菜单界面、工作参数界面、工艺选择界面等。系统初始界面和系统主界面如图 5 所示:

主工作流程 SFC

图 4 主工作流程 SFC

系统初始界面和主界面

图 5 系统初始界面和主界面

　　系统参数设置界面和系统功能选择界面如图 6所示。

　　2.4 系统调试

　　根据系统顺序功能图完成了 PLC 梯形图程序的编写。梯形图程序编写完成后，首先进行了模拟调试，根据工艺要求，向控制 PLC 发送模拟动作信号，在上位机界面下观察各个状态的输出动作。模拟调试正常后，进行了现场测试，期间发现了传感器故障和错误操作导致的控制系统异常动作，通过控制程序的改进，解决了异常动作的问题，实现了预期控制功能。

图 6 系统参数设置界面和功能选择界面

图 6 系统参数设置界面和功能选择界面

3 结论

　　此塑料制袋机机械手系统消除了原机械设备效率低、定位精度低、自动化水平低、浪费材料、人工成本高等缺点。使控制系统结构简单、功能适用、动作准确、可靠性高，在很大程度上提高了生产效率，降低了企业生产成本。经过近三个月的生产实践验证，此系统完全达到了预期性能指标，已应用于实际生产中，取得了很好的经济效益。