【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 繼停止，但由于慣性，會(huì)使包裝紙帶著紙球旋轉(zhuǎn)一個(gè)較小的角度，使包裝紙能完全包住紙球，然后再后退，同時(shí)夾鉗機(jī)構(gòu)軸向運(yùn)動(dòng)，碰到限位開(kāi)關(guān)時(shí)，軸向運(yùn)動(dòng)停止，而三個(gè)夾桿同時(shí)徑向運(yùn)動(dòng)，抓緊包裝紙的兩端，當(dāng)碰到抓緊限位開(kāi)關(guān)時(shí)，夾鉗機(jī)構(gòu)軸旋轉(zhuǎn)90度后繼續(xù)向前移動(dòng)，進(jìn)行窩邊。窩邊到位，該機(jī)構(gòu)就后退。到達(dá)3號(hào)工位時(shí)，成品落下，完成一次包裝，這樣如此循環(huán)，直到發(fā)出停止信號(hào)。從圖22的時(shí)序圖分析，包裝一個(gè)衛(wèi)生卷紙只需880ms，可為什么在1分鐘內(nèi)卻只能包60個(gè)啦，這里還有個(gè)PLC掃描周期的問(wèn)題，本包裝程序中PLC掃描周期為120 ms。 隨著中國(guó)改革開(kāi)放與WTO的加入，中國(guó)的工業(yè)正向高速化、流水化發(fā)展，而中國(guó)的傳統(tǒng)包裝業(yè)以手動(dòng)與半自動(dòng)為主，大大阻礙了高速化發(fā)展。目前國(guó)外已有卷紙包裝機(jī)，而且速度已經(jīng)達(dá)到120個(gè)/分，而我們國(guó)家的卷紙包裝還是半自動(dòng)甚至有的小作坊還是手動(dòng)操作，平均包裝速度僅僅能達(dá) 20個(gè)/分。如果引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品，除了價(jià)格昂貴外而且也不利于本國(guó)的發(fā)展。因此研制高速包裝機(jī)已成為社會(huì)發(fā)展的必然。 為了滿足廠方的要求，本設(shè)計(jì)的高速卷紙包裝機(jī)包裝能力要求達(dá)到60個(gè)/Min。 我們知道包裝機(jī)速度越高，要求穩(wěn)定性和可靠性愈強(qiáng)。這就要求包裝材料供送速度快、精度高、定位準(zhǔn)確，包裝材料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要符合規(guī)格，停機(jī)率低，以減少包裝材料損耗，且包裝材料的裝卸都要自動(dòng)化等。一. 影響卷紙包裝機(jī)高速化的包裝材料的性質(zhì)有：(拉)強(qiáng)度要大 在高速包裝機(jī)中，包裝材料運(yùn)動(dòng)的線速度可達(dá)500m / min以上，同時(shí)包裝機(jī)都是間歇式運(yùn)動(dòng)，材料直徑大，材料運(yùn)動(dòng)慣性力大，所以應(yīng)具有足夠的抗拉強(qiáng)度，防止被拉斷。在現(xiàn)行的卷紙包裝機(jī)材料供送機(jī)構(gòu)中可通過(guò)增加沖擊力緩沖裝置來(lái)解決。 包裝材料在運(yùn)行中，由于卷筒直徑大、包裝運(yùn)行速度大，使之受到很大的拉力和慣性沖擊力，易造成包裝材料拉伸，影響包裝紙定位準(zhǔn)確性，所以材料的伸縮性要小，以保證包裝機(jī)工作的可靠性和包裝質(zhì)量。 卷筒包裝材料在卷曲和使用過(guò)程中，易產(chǎn)生靜電。當(dāng)包裝材料按定長(zhǎng)切斷后，在移送過(guò)程中，一旦發(fā)生靜電粘附時(shí)；就需馬上停機(jī)，所以靜電性越小越好。 傳統(tǒng)的包裝機(jī)在包裝材料切斷后迅速離開(kāi)的辦法是用不等速機(jī)構(gòu)。常見(jiàn)的不等速機(jī)構(gòu)有:偏心鏈輪機(jī)構(gòu)，偏置曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，凸輪、齒輪組合機(jī)構(gòu)，凸輪一四連桿組合不等速轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及非圓齒輪機(jī)構(gòu)等。 由于偏心鏈輪機(jī)構(gòu)的變速范圍有限，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高速時(shí)易引起鏈條的跳動(dòng)，而且傳遞的力不易過(guò)大，因此它只適合于一些速度不太高、傳遞的力不太大的小袋包裝機(jī)。而凸輪齒輪組合機(jī)構(gòu)，凸輪一四連桿組合機(jī)構(gòu)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整不方便，運(yùn)動(dòng)沖擊又大，因此不常用。 其中偏置曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)是目前高速包裝機(jī)中應(yīng)用較多的一種不等速機(jī)構(gòu)。它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，加工方便，調(diào)節(jié)容易，成本低。但體積比較大，調(diào)整環(huán)節(jié)比較長(zhǎng)。傳動(dòng)過(guò)程中，傳動(dòng)角Y不等于90度，因此傳力特性不太好。當(dāng)速度超過(guò)300r/ min時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性能變壞，動(dòng)載振動(dòng)和動(dòng)平衡較難解決。 在設(shè)計(jì)中我們利用控制精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的6SE70系列變頻器及其配套電機(jī)來(lái)替代不等速機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到變速的目的，且使包裝機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，慣性小。 在包裝過(guò)程中，通過(guò)嚴(yán)格的時(shí)序分析，知道要達(dá)到要求的速度，電機(jī)的啟動(dòng)、停止的時(shí)間一定要快，也就是電機(jī)的響應(yīng)速度要快。一般的步進(jìn)電機(jī)從上升到運(yùn)行平穩(wěn)的時(shí)間約需200400ms，達(dá)不到120 ms的要求。通過(guò)各種資料的查詢，發(fā)現(xiàn)松下MSMA 400W交流伺服電機(jī)從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒。因此，我們?cè)谝罂焖賳⑼５目刂茍?chǎng)合⒃，利用松下MSMA400W交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)。 整個(gè)控制系統(tǒng)以西門子S7300系列PLC作為基礎(chǔ)，其掃描速度在其他工業(yè)控制系統(tǒng)中處于領(lǐng)先地位，每1000條指令約需0. 3 ms。通過(guò)材料，機(jī)械，電氣的綜合考慮，我們的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，且在實(shí)驗(yàn)室也調(diào)試成功。利用PLC可以構(gòu)成多種控制系統(tǒng):單機(jī)控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)，分散型控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程I/0控制系統(tǒng)⑺。由于卷紙包裝機(jī)控制對(duì)象較多，有放卷分切中的張力控制，包裝過(guò)程控制，送料過(guò)程中的同步控制，且被控對(duì)象比較集中，因此我們采取集中控制系統(tǒng)方案。集中控制系統(tǒng)如圖23所示，每個(gè)被控制對(duì)象與可編程控制器指定I/0相連接，因此各被控對(duì)象之間的數(shù)據(jù)、狀態(tài)的變換不需要另外設(shè)置專門的信號(hào)線路。該控制系統(tǒng)多用于控制對(duì)象所處的地理位置比較接近，且相互之間的動(dòng)作有一定聯(lián)系的場(chǎng)合。單主機(jī)控制方式，對(duì)主機(jī)要求較高，危險(xiǎn)相對(duì)集中。遠(yuǎn)程I/0控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)比較獨(dú)特，類似于集中控制系統(tǒng)，又具有分散型控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，經(jīng)常用于控制規(guī)模中等，控制對(duì)象比較分散、工程費(fèi)用較低的場(chǎng)合。 PLC作為一種控制設(shè)備，用它單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)是有局限性的，主要是無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，無(wú)法顯示各種實(shí)時(shí)圖形和保存大量歷史數(shù)據(jù)，也不能顯示漢字和打印漢字報(bào)表，沒(méi)有良好的界面。這些不足，我們選用上位機(jī)來(lái)彌補(bǔ)。上位機(jī)完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存貯、處理與輸出，以圖形或表格形式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬顯示、分析限值或報(bào)警信息，驅(qū)動(dòng)打印機(jī)實(shí)時(shí)打印各種圖表。 為提高PLC及系統(tǒng)的抗干擾能力，在硬件配置與安裝上，交流電源使用雙層隔離，輸入信號(hào)光電隔離，遠(yuǎn)離強(qiáng)電布線，模擬量信號(hào)和脈沖信號(hào)采用屏蔽線傳遞，采用放射性一點(diǎn)接地等措施，消除或減弱共模和瞬變干擾。在軟件設(shè)計(jì)和編程上，加上一些抗干擾模塊。 運(yùn)行方式分為手動(dòng)、單步、周期及自動(dòng)等四種操作方式⑻。：各工步都可單獨(dú)點(diǎn)動(dòng)，按鈕釋放即停止運(yùn)行；：按下啟動(dòng)按鈕，運(yùn)行一個(gè)工步，到位即停。再按啟動(dòng)，則進(jìn)入下一工步運(yùn)行；：從初始位置開(kāi)始，按啟動(dòng)按鈕，程序自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后返回第一步開(kāi)始位置停止。：按啟動(dòng)按鈕，程序完成一個(gè)周期的動(dòng)作后又接著從第一步開(kāi)始運(yùn)行，自動(dòng)循環(huán)。在自動(dòng)方式下，中途若按下復(fù)位按鈕，則系統(tǒng)要繼續(xù)運(yùn)行到第一步開(kāi)始位置才停止；若按下停止按鈕，則運(yùn)行立即停止，此時(shí)若再按啟動(dòng)，系統(tǒng)即從該位置運(yùn)行到第一步開(kāi)始處停止。根據(jù)卷紙包裝機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，本系統(tǒng)采用自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行兩種方式。與運(yùn)行方式的設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，還必須考慮停止運(yùn)行方式的設(shè)計(jì)。可編程控制器的停運(yùn)方式有正常停運(yùn)，暫時(shí)停運(yùn)和緊急停運(yùn)⑼三種。根據(jù)控制系統(tǒng)要求，由于包裝機(jī)運(yùn)行期間采用循環(huán)工作方式，只有在工作結(jié)束或接收到操作人員的停止運(yùn)行指令或設(shè)備出現(xiàn)故障或異常情況時(shí)才停止，因此本系統(tǒng)采用硬件切斷電源，使系統(tǒng)立即停車。包裝機(jī)控制功能要求：手動(dòng)運(yùn)行 可以用按鈕對(duì)包裝機(jī)的各個(gè)部分進(jìn)行單獨(dú)控制，主要用于故障恢復(fù)與檢修全自動(dòng)運(yùn)行 按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)即可連續(xù)、協(xié)調(diào)、周期性地循環(huán)完成各包裝動(dòng)作，直到系統(tǒng)接收到停止運(yùn)行信號(hào)。 在前面己經(jīng)說(shuō)明，本系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)和工控機(jī)兩級(jí)控制的結(jié)構(gòu)。PLC負(fù)責(zé)按鈕、行程開(kāi)關(guān)和其它開(kāi)關(guān)量信號(hào)的輸入，以及發(fā)出信號(hào)去控制接觸器、繼電器、變頻器等電氣元件，進(jìn)而控制各電機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)控制相應(yīng)指示燈的顯示。工控機(jī)用來(lái)進(jìn)行參數(shù)的修改與設(shè)定、全自動(dòng)控制、在線監(jiān)視、傳送信息等工作。工控機(jī)通過(guò)串行口與PLC相連，進(jìn)行相互通信，所以工控機(jī)是通過(guò)發(fā)出命令去控制PLC的運(yùn)行以達(dá)到進(jìn)行全自動(dòng)控制的目的。 卷紙包裝機(jī)控制系統(tǒng)主要器件包括工控機(jī)(另配顯示器)、PLC、變頻器等。它們的選擇都是以在保證功能的前提下盡可能地選擇可靠性高和使用方便的產(chǎn)品為依據(jù)，具體情況如下： 工控機(jī) 本系統(tǒng)上位機(jī)選用研華IPC610工控機(jī)，128M內(nèi)存，10G硬盤，內(nèi)部底板上有4個(gè)ISA總線插槽、2個(gè)PCI總線插槽和一個(gè)CPU插槽，可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，另外選配飛利浦105A型顯示器，可清晰地顯示各種圖形和文字，運(yùn)行WINDOWSNT操作系統(tǒng)，外接打印機(jī)，打印報(bào)表。工控機(jī)由一臺(tái)500VA的不間斷電源UPS供電，保證報(bào)表數(shù)據(jù)的完整記錄。下位PLC的選型及其模塊配置 在進(jìn)行這項(xiàng)工作之前，需要對(duì)控制對(duì)象和控制任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。然后確定系統(tǒng)的規(guī)模、機(jī)型和配值。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該包裝機(jī)控制系統(tǒng)需要配置如下的不同性質(zhì)的I/0點(diǎn)： 80個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入； 50個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出； 15個(gè)模擬量輸入； 15個(gè)模擬量輸出； 根據(jù)對(duì)上述控制任務(wù)的分析，本項(xiàng)目選擇了Siemens的模塊化中小型PLC系統(tǒng)S7300，它能滿足中等性能要求的應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。其模塊化、無(wú)排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、和易于實(shí)現(xiàn)分布，易于用戶掌握等特點(diǎn)使得S7300成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務(wù)的方便又經(jīng)濟(jì)的方案。S7300系列所具有的多種性能遞增的CPU和豐富的且?guī)в性S多方便功能的I/0擴(kuò)展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的模塊。當(dāng)任務(wù)規(guī)模擴(kuò)大并且愈加復(fù)雜時(shí)，可隨時(shí)使用附加的模塊對(duì)PLC進(jìn)行擴(kuò)展。SIMATIC S7一300所具備的高電磁兼容性和強(qiáng)抗振動(dòng)，抗沖擊性，更使其具有最高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。它具有很強(qiáng)的計(jì)算能力和完善的指令集，以及通過(guò)MPI接口和SINEC LANS聯(lián)網(wǎng)的能力，適用于高速的過(guò)程處理需要。本系統(tǒng)所用的主機(jī)模塊是CPU 3152DP，可以通過(guò)MPI轉(zhuǎn)接電纜或通訊模塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，再加上其全面的診斷功能和完善的自我保護(hù)技術(shù)，使其具有極高的可靠性，極其適合本系統(tǒng)的需求。除此之外，它自帶的STEP7編程軟件功能強(qiáng)大，使用方便，也使開(kāi)發(fā)過(guò)程變得簡(jiǎn)單快捷。此外，S7 300系列PLC還具有模塊點(diǎn)數(shù)密度高，結(jié)構(gòu)緊湊，性價(jià)比高，性能優(yōu)越，裝卸方便等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)I/0點(diǎn)數(shù)的確定要按照實(shí)際點(diǎn)數(shù)再加20 %30%的備用量及其特性，配置了如下的模塊⑾：⒈ 2個(gè)模擬量輸入模塊(SM331 AI8*12Bit):可提供具有12位分辨率的總數(shù)為16路的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道；⒉ 4個(gè)模擬量輸出模塊SM332(AO 4*12Bit):可提供具有12位分辨率的總數(shù)為16路的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道；⒊ 4個(gè)數(shù)字量輸入模塊SM321 CDI32*24VDC):可提供總數(shù)為128路的開(kāi)關(guān)量輸入通道；⒋ 3個(gè)數(shù)字量輸出模塊SM322 D032*24VDC/0. 5A:可提供總數(shù)為96路的開(kāi)關(guān)量輸出通道；⒌ 中央處理單元CPU3152DP；⒍ 通訊處理器CP3435⒎ 接口模塊IM360和IM361。 在本系統(tǒng)中，PLC的主要任務(wù)是接受外部開(kāi)關(guān)信號(hào)(按鈕、行程開(kāi)關(guān)、繼電器節(jié)點(diǎn))的輸入，判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號(hào)去控制接觸器、繼電器等器件，以完成相應(yīng)的控制任務(wù)。除此之外，另一個(gè)重要的任務(wù)就是接受工控機(jī)(上位機(jī))的控制命令，以進(jìn)行全自動(dòng)包裝循環(huán)。圖24給出了本項(xiàng)目中配置的S7300PLC模板的型號(hào)和數(shù)量，下面對(duì)使用的這些模塊作具體介紹⑿：PLC的中央處理器CPU3152DP CPU3152DP是S7一300的大腦，其裝載存儲(chǔ)器的基本容量為48K字節(jié)或80K字節(jié)，可用存儲(chǔ)卡擴(kuò)充裝載存儲(chǔ)器，最大容量可達(dá)到512KB。，最大可擴(kuò)充1024點(diǎn)數(shù)字量I/O或128路模擬量通道。CPU3152DP內(nèi)裝硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘。 CPU3152DP的操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動(dòng)的用戶程序掃描過(guò)程。CPU響應(yīng)哪個(gè)事件，操作系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用該事件的組織塊OB 。 CPU315可調(diào)用128個(gè)功能塊FB ( 0127)； 128個(gè)功能調(diào)用FC（0127)； 127個(gè)數(shù)據(jù)塊DB（120保留)。OB、FB、FC、 DB的容量均不大于8KB。此外，還有38個(gè)系統(tǒng)功能塊SFC集成在操作系統(tǒng)中供用戶調(diào)用；有9個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊SDB裝載S7300系統(tǒng)參數(shù)。 CPU3152DP適用于要求高速處理和中等I/O規(guī)模的任務(wù)。它可以裝載中等規(guī)模的程序，并具有中等的指令執(zhí)行速度。接口模塊IM360和IM361 當(dāng)PLC系統(tǒng)的規(guī)模較大時(shí)，一個(gè)機(jī)架不能容納所有的模塊時(shí)，就要增添擴(kuò)展機(jī)架，這時(shí)裝有CPU的機(jī)架稱為主機(jī)架。主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架之間通過(guò)接口模塊IM360和IM361形成統(tǒng)一的整體。每個(gè)機(jī)架的接口模塊通過(guò)總線連接器連接到I/O模塊。接口模塊是自組態(tài)的，無(wú)需進(jìn)行地址分配。具有指示系統(tǒng)狀態(tài)和故障的發(fā)光二極管LED。如果CPU不確認(rèn)此機(jī)架，則LED閃爍。一個(gè)系統(tǒng)可以有中央機(jī)架和最多三個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，每個(gè)機(jī)架最多八個(gè)擴(kuò)展模塊，相鄰機(jī)架的間隔為4厘米到10米。 IM360必須安裝在S7300的0號(hào)主機(jī)架上，IM360和IM361之間的最大距離不超過(guò)10米。IM361接口模塊安裝在S7300的1號(hào)到3號(hào)的機(jī)架上:數(shù)據(jù)通過(guò)連接線368由IM360傳輸?shù)絀M361，再?gòu)腎M361傳輸?shù)较聜€(gè)機(jī)架上的IM361；每個(gè)IM361需要一個(gè)外部24V電源，向擴(kuò)展機(jī)架上的所有模塊供電。可通過(guò)電源連接器連接PS307負(fù)載電源。通訊處理器模塊CP3435 CP3435通訊處理器是用于PROFIBUSFMS總線系統(tǒng)的SIMATICS7300的通訊處理器。它內(nèi)部帶有微處理器，用來(lái)分擔(dān)CPU的通訊任務(wù)，并支持其它的通訊連接。它可以通過(guò)PROFIBUS FMS與PROFIBUS站點(diǎn)通訊。與編程器、人機(jī)界面裝置進(jìn)行通訊。與其他SIMATIC S7系統(tǒng)進(jìn)行通訊。CP343一5通訊處理器具有SIMATICS7300系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，其9針D型連接器用于連接PROFISUS , 4針端子排用于連接外部24V直流電源電壓。32路數(shù)字輸入模塊SM321 數(shù)字輸入模塊SM321向外提供電源，將位于現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的狀態(tài)經(jīng)過(guò)光電隔離和濾波，將從過(guò)程傳輸來(lái)的外部數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部S7300信號(hào)電平。然后送至輸入緩沖器等待CPU采樣，采樣時(shí)，信號(hào)經(jīng)過(guò)背板總線進(jìn)入到輸入映像區(qū)。SM321數(shù)字輸入模塊具有32位獨(dú)立的輸入點(diǎn)，用于連接開(kāi)關(guān)或2線接近開(kāi)關(guān)(BERO)。數(shù)據(jù)采集部分與背板總線通過(guò)光電耦合器隔離。模塊的每個(gè)輸出點(diǎn)有一個(gè)綠色發(fā)光二極管LED顯示輸入狀態(tài)。輸入開(kāi)關(guān)閉合即有輸入電壓時(shí)，LED亮。32位數(shù)字輸出模塊SM 322 D032*24DC/ 數(shù)字輸出模塊將S7300的內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)化為控制過(guò)程所需的外部信號(hào)電平。按負(fù)載回路使用的電源不同分為:直流輸出模塊、交流輸出模塊和交直流兩用輸出模塊