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基于三菱PLC碼垛生產線運動控制系統設計

文：青島橡膠機械研究院杜鵑2018年第六期

摘要：本文所設計的全自動包裝碼垛生產線主要由自動定量包裝機、自動上袋機組、封口系統、倒袋機、金屬檢測機、重量檢驗機、檢選機、噴墨打印機、碼垛機等單元組成。通過可編程序控制器對整個生產線的工作過程進行自動控制，對運行過程中出現的故障或供料不足，供袋不及時、出垛不及時等，進行聲光報警。該設備具有操作簡單，運行可靠，維修方便等優點。

1前言

隨著科學技術的迅猛發展，生產力水平的不斷提高，人們對降低勞動強度、改善工作環境同時重視起來。石油化工、化肥、糧食等行業對包裝質量和勞動效率的要求也日益提高，從而促進了這些企業的現代化改造。而傳統的人工包裝由于其生產效率低下而成為這些行業產量和包裝質量提高的巨大障礙，已不能滿足現代化大生產的需要。用戶為了便于產品的運輸和存儲，對包裝要求更加嚴格，包裝已成為企業升級和獲得經濟效益的關鍵因素，因此盡快提高產品的包裝質量，是這些行業的迫切任務之一，也是用戶對這些行業的要求。國際上日本NEWLONG、英國BL、美國ORY等公司掌握了包裝先進技術。目前國內全自動包裝碼垛設備主要依靠進口，國產設備生產廠家較少，市場呼吁國產化的全自動包裝生產線。在新的世紀,隨著我國各項事業的蓬勃發展以及知識經濟所面臨的機遇和挑戰,包裝碼垛機械必將發揮越來越重要的作用,為國民生產產生不可估量的經濟效益。

包裝碼垛生產線是機電儀一體化高技術產品，適用于化工、糧食、食品及醫藥等行業。它可實現對粉、粒、塊狀物料（如塑料、化肥、合成橡膠、糧食等）的稱重、供袋、裝袋、折邊、封袋、倒袋整形、金屬檢測、重量復檢、批號打印、轉位編組、碼垛、托盤和垛盤的輸送等作業全部實現自動化。通過可編程序控制器，對整個生產線的工作過程進行自動控制，對運行過程中出現的故障或供料不足，供袋不及時、出垛不及時等，進行聲光報警。該設備具有操作簡單，運行可靠，維修方便等優點。包裝碼垛生產線簡單地講，它是由包裝機械和碼垛機械組成的，其中的主要部分還是包裝機械，碼垛機械是從包裝生產線上分離出來而發展起來。

2包裝碼垛自動生產線系統組成

包裝碼垛自動生產線主要應用于化工、糧食、食品及醫藥等行業中的粉、粒、塊狀物料的全自動包裝碼垛。包裝碼垛自動生產線可分為包裝部分和碼垛部分。包裝部分實現定量稱重、自動供袋、裝袋、夾口整形、折邊縫口、金屬檢測、重量復檢等功能。碼垛部分實現轉位編組、推袋壓袋、碼垛及托盤的提供和垛盤的輸送等功能。

1、電子稱重機是包裝機起始部機，其作用是完成物料的定值稱重、投料等作業。

2、自動供袋機是由供袋器、吸袋器、袋子傳送器、接袋器、取袋器等部件組成。全自動包裝供袋工作是由供袋機械自動完成，操作人員只要將空袋子按要求碼放到上袋機的備用倉中就可以了。

3、自動裝袋機是由過渡料斗、取袋開袋夾送裝置、翻門縮口裝置、機架等構成。過渡料斗是裝袋機聯接電子稱重機的過渡裝置，它可以存儲一袋物料，提高電子稱重機的稱重速度，減小物料落差，降低粉塵產生量，利于除塵，同時保證物料順利地導入裝袋機并防止裝袋機產生的振動傳遞到電子稱重機上。

4、轉位輸送機:將送來的料袋進行變換方位的設備。

5、編組機是是將轉位輸送機送來的料袋按碼垛要求實現2-3編組和3-2編組，即垛型每層為二袋豎、三袋橫或三袋橫、二袋豎并交替進行。

6、推袋壓袋、分層、升降機,推袋機將編號的料袋推至緩沖區,并在分層碼垛時整形壓平，推到分層機，分層機將料袋投放到升降機上的托盤,完成一層料袋的碼垛。

7、托盤倉:是存儲一定量的托盤,并自動完成托盤輸送過程的部分。

3控制系統硬件設計

由于包裝生產線的各種控制為開關量，而目前流行的PLC具有結構小巧、運行速度高、通用性好、可靠性高等特點，非常適合于工業現場的高溫、振動、粉塵等惡劣環境下的開關控制。所以選用PLC作為控制系統的核心部件。本包裝碼垛自動生產線動作關系復雜，I/O點數較多，以開關量控制為主，所以選擇日本三菱公司的FX2N系列PLC為控制核心部件。

3.1PLC控制系統硬件設計

PLC控制系統示全包裝生產線的核心部分，而在包裝過程中，動作多，運動復雜，這就要求控制系統具有很高的可靠性、良好的節能措施、很強的故障診斷能力，確保生產的穩定運行。由于包裝生產線的各種控制為開關量，動作關系復雜，I/0點數較多，選擇日本三菱公司的FX2N系列PLC。該系列PLC為模塊式結構，可以根據控制系統的需要靈活地組合成最佳的配置。

①硬件配置

硬件配置包括FX2N基本單元、FX2N擴展單元、檢測元件(光電開關、接近開關、真空開關等)、人機操作界面(按鈕、指示燈等)、控制元件(交流接觸器、變頻器、電磁閥等)以及執行元件(電機和氣缸等)。

②FX2N系列PLC輸入輸出擴展方法，FX2N系列PLC是由電源、CPU、輸入輸出和程序存儲器組成的單元型可編程控制器。其主機稱為基本單元，為主機備有可擴充輸入輸出點數的“擴展單元(電源I/0)和擴展模塊(I/0)”，此外，還可以連接特殊擴展設備，用于特殊控制。

在組織FX2N系列時，須考慮下述各點：

輸入輸出總點數控制在256點以內，其中輸入點數和輸出點數均不能超過184點；DC24V電源和DC5V電源的容量，基本單元和擴展單元內部裝有電源，可以對擴展模塊供給DC24V電源，對特殊模塊供給DC5V電源，因此擴展模塊和特殊模塊的耗電量應該控制在基本單元及擴展單元的電源范圍以內；

對于FX2N基本單元，外接特殊單元和特殊模塊的數量，最多不超過8臺。關于輸入輸出序號的編號問題，FX2N系列PLC使用如下的編號方法:

（1）輸入繼電器(X)、輸出繼電器(Y)的序號是由基本單元開始，按連接順序分配八進制數碼。

（2）特殊擴展設備和PLC使用PLC的FROM和T0指令進行數據信息交換，但是輸入輸出繼電器不占序號。

3.2控制系統電氣原理圖

系統供電電源采用三相四線制上機供電。供電電源等級為AC380±5％，50Hz。上電源經總的低壓斷路器QF0為整機供電。其中QFl給包裝部分電機M1.1～M10.1提供電源，QF2給碼垛部分電機M11.1～M20.1提供電源，QF3給檢測電機M21.1～M25.1提供電源，QF4為打印機、金檢、重量復檢的執行電機M26.1~M30.1提供電源。普通電機的主回路包括交流接觸器和熱繼電器，制動電機還包括制動單元的輔助回路。

整機的接地保護與系統的接地保護網相聯接。圖1為電氣控制系統主電路圖。

圖1為電氣控制系統主電路圖

4控制系統軟件設計

包裝碼垛自動生產線可自動完成稱重、供袋、取袋、裝袋、縫口、輸送、金屬檢測、重量檢測及碼垛等功能。全自動包裝碼垛生產線的機械系統主要包括全自動稱重單元、包裝單元、輸送檢測單元、碼垛單元。其主要工藝流程如下:物料自儲料斗進入包裝秤的給料裝置，通過粗、細給料，實現粗、細兩級加料。當秤斗中的物料重量達到最終設定值時，稱重終端發出停止加料信號，待空中的飛料全部落入秤斗后此次稱重循環結束，此時電子包裝秤等待裝袋機的投料信號。當自動裝袋機完成上袋后，發出訊號，使稱重箱打開卸料翻門，向包裝袋內投料，卸料后稱重箱關閉翻門，裝袋機張開夾袋器，包裝袋通過夾口整形機和立袋輸送機進入自動折邊機，包裝袋經折邊后，進入縫口機，當設在縫口機旁邊的光電開關檢測到包裝袋后，縫紉機開始工作，縫合包裝袋，當包裝袋離開縫紉機后，縫紉機停止，并自動切斷縫合線。包裝袋經過倒袋整形機進入金屬檢測機及重量復檢機，如果檢測不合格，在包裝袋通過自動撿選機時將被剔除，而合格的包裝袋則順利通過自動撿選機，再經噴墨打印機、過渡輸送機、緩停機等設備，將包裝袋輸送到碼垛單元，由轉位機根據碼垛工藝要求將料袋依次按“2袋豎-3袋橫”和“3袋橫-2袋豎”循環做轉位處理。這樣包裝袋便以2袋直或3袋橫的形式進入編組機，最后由碼垛機將包裝袋堆碼到托盤上，一般以碼8層為一垛。碼垛完成后，垛盤輸送機將其輸送出碼垛區，停放在叉車區域垛盤輸送機上。碼垛機所使用的托盤由托盤倉和托盤輸送機根據程序自動提供。圖2為包裝碼垛自動生產線工藝流程圖。