【文章內(nèi)容簡介】 繼停止，但由于慣性，會使包裝紙帶著紙球旋轉(zhuǎn)一個較小的角度，使包裝紙能完全包住紙球，然后再后退，同時夾鉗機構軸向運動，碰到限位開關時，軸向運動停止，而三個夾桿同時徑向運動，抓緊包裝紙的兩端，當碰到抓緊限位開關時，夾鉗機構軸旋轉(zhuǎn)90度后繼續(xù)向前移動，進行窩邊。窩邊到位，該機構就后退。到達3號工位時，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。從圖22的時序圖分析，包裝一個衛(wèi)生卷紙只需880ms，可為什么在1分鐘內(nèi)卻只能包60個啦，這里還有個PLC掃描周期的問題，本包裝程序中PLC掃描周期為120 ms。 隨著中國改革開放與WTO的加入，中國的工業(yè)正向高速化、流水化發(fā)展，而中國的傳統(tǒng)包裝業(yè)以手動與半自動為主，大大阻礙了高速化發(fā)展。目前國外已有卷紙包裝機，而且速度已經(jīng)達到120個/分，而我們國家的卷紙包裝還是半自動甚至有的小作坊還是手動操作，平均包裝速度僅僅能達 20個/分。如果引進國外產(chǎn)品，除了價格昂貴外而且也不利于本國的發(fā)展。因此研制高速包裝機已成為社會發(fā)展的必然。 為了滿足廠方的要求，本設計的高速卷紙包裝機包裝能力要求達到60個/Min。 我們知道包裝機速度越高，要求穩(wěn)定性和可靠性愈強。這就要求包裝材料供送速度快、精度高、定位準確，包裝材料質(zhì)量標準要符合規(guī)格，停機率低，以減少包裝材料損耗，且包裝材料的裝卸都要自動化等。一. 影響卷紙包裝機高速化的包裝材料的性質(zhì)有：(拉)強度要大 在高速包裝機中，包裝材料運動的線速度可達500m / min以上，同時包裝機都是間歇式運動，材料直徑大，材料運動慣性力大，所以應具有足夠的抗拉強度，防止被拉斷。在現(xiàn)行的卷紙包裝機材料供送機構中可通過增加沖擊力緩沖裝置來解決。 包裝材料在運行中，由于卷筒直徑大、包裝運行速度大，使之受到很大的拉力和慣性沖擊力，易造成包裝材料拉伸，影響包裝紙定位準確性，所以材料的伸縮性要小，以保證包裝機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程中，易產(chǎn)生靜電。當包裝材料按定長切斷后，在移送過程中，一旦發(fā)生靜電粘附時；就需馬上停機，所以靜電性越小越好。 傳統(tǒng)的包裝機在包裝材料切斷后迅速離開的辦法是用不等速機構。常見的不等速機構有:偏心鏈輪機構，偏置曲柄導桿機構，凸輪、齒輪組合機構，凸輪一四連桿組合不等速轉(zhuǎn)動機構以及非圓齒輪機構等。 由于偏心鏈輪機構的變速范圍有限，結(jié)構復雜，高速時易引起鏈條的跳動，而且傳遞的力不易過大，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。而凸輪齒輪組合機構，凸輪一四連桿組合機構因結(jié)構復雜，調(diào)整不方便，運動沖擊又大，因此不常用。 其中偏置曲柄導桿機構是目前高速包裝機中應用較多的一種不等速機構。它的結(jié)構比較簡單，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。傳動過程中，傳動角Y不等于90度，因此傳力特性不太好。當速度超過300r/ min時，整個機構的動力性能變壞，動載振動和動平衡較難解決。 在設計中我們利用控制精度高，動態(tài)響應快的6SE70系列變頻器及其配套電機來替代不等速機構，從而達到變速的目的，且使包裝機結(jié)構緊湊，慣性小。 在包裝過程中，通過嚴格的時序分析，知道要達到要求的速度，電機的啟動、停止的時間一定要快，也就是電機的響應速度要快。一般的步進電機從上升到運行平穩(wěn)的時間約需200400ms，達不到120 ms的要求。通過各種資料的查詢，發(fā)現(xiàn)松下MSMA 400W交流伺服電機從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒。因此，我們在要求快速啟停的控制場合⒃，利用松下MSMA400W交流伺服電機作為執(zhí)行電機。 整個控制系統(tǒng)以西門子S7300系列PLC作為基礎，其掃描速度在其他工業(yè)控制系統(tǒng)中處于領先地位，每1000條指令約需0. 3 ms。通過材料，機械，電氣的綜合考慮，我們的設計達到了預期目標，且在實驗室也調(diào)試成功。利用PLC可以構成多種控制系統(tǒng):單機控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)，分散型控制系統(tǒng)和遠程I/0控制系統(tǒng)⑺。由于卷紙包裝機控制對象較多，有放卷分切中的張力控制，包裝過程控制，送料過程中的同步控制，且被控對象比較集中，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，每個被控制對象與可編程控制器指定I/0相連接，因此各被控對象之間的數(shù)據(jù)、狀態(tài)的變換不需要另外設置專門的信號線路。該控制系統(tǒng)多用于控制對象所處的地理位置比較接近，且相互之間的動作有一定聯(lián)系的場合。單主機控制方式，對主機要求較高，危險相對集中。遠程I/0控制系統(tǒng)的控制結(jié)構比較獨特，類似于集中控制系統(tǒng)，又具有分散型控制系統(tǒng)的特點，經(jīng)常用于控制規(guī)模中等，控制對象比較分散、工程費用較低的場合。 PLC作為一種控制設備，用它單獨構成一個控制系統(tǒng)是有局限性的，主要是無法進行復雜運算，無法顯示各種實時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表，沒有良好的界面。這些不足，我們選用上位機來彌補。上位機完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的存貯、處理與輸出，以圖形或表格形式對現(xiàn)場進行動態(tài)模擬顯示、分析限值或報警信息，驅(qū)動打印機實時打印各種圖表。 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，輸入信號光電隔離，遠離強電布線，模擬量信號和脈沖信號采用屏蔽線傳遞，采用放射性一點接地等措施，消除或減弱共模和瞬變干擾。在軟件設計和編程上，加上一些抗干擾模塊。 運行方式分為手動、單步、周期及自動等四種操作方式⑻。：各工步都可單獨點動，按鈕釋放即停止運行；：按下啟動按鈕，運行一個工步，到位即停。再按啟動，則進入下一工步運行；：從初始位置開始，按啟動按鈕，程序自動完成一個周期的動作后返回第一步開始位置停止。：按啟動按鈕，程序完成一個周期的動作后又接著從第一步開始運行，自動循環(huán)。在自動方式下，中途若按下復位按鈕，則系統(tǒng)要繼續(xù)運行到第一步開始位置才停止；若按下停止按鈕，則運行立即停止，此時若再按啟動，系統(tǒng)即從該位置運行到第一步開始處停止。根據(jù)卷紙包裝機的實際運行情況，本系統(tǒng)采用自動運行和手動運行兩種方式。與運行方式的設計相對應，還必須考慮停止運行方式的設計?？删幊炭刂破鞯耐＿\方式有正常停運，暫時停運和緊急停運⑼三種。根據(jù)控制系統(tǒng)要求，由于包裝機運行期間采用循環(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行指令或設備出現(xiàn)故障或異常情況時才停止，因此本系統(tǒng)采用硬件切斷電源，使系統(tǒng)立即停車。包裝機控制功能要求：手動運行 可以用按鈕對包裝機的各個部分進行單獨控制，主要用于故障恢復與檢修全自動運行 按下啟動按鈕，系統(tǒng)即可連續(xù)、協(xié)調(diào)、周期性地循環(huán)完成各包裝動作，直到系統(tǒng)接收到停止運行信號。 在前面己經(jīng)說明，本系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)和工控機兩級控制的結(jié)構。PLC負責按鈕、行程開關和其它開關量信號的輸入，以及發(fā)出信號去控制接觸器、繼電器、變頻器等電氣元件，進而控制各電機的運行，同時控制相應指示燈的顯示。工控機用來進行參數(shù)的修改與設定、全自動控制、在線監(jiān)視、傳送信息等工作。工控機通過串行口與PLC相連，進行相互通信，所以工控機是通過發(fā)出命令去控制PLC的運行以達到進行全自動控制的目的。 卷紙包裝機控制系統(tǒng)主要器件包括工控機(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 本系統(tǒng)上位機選用研華IPC610工控機，128M內(nèi)存，10G硬盤，內(nèi)部底板上有4個ISA總線插槽、2個PCI總線插槽和一個CPU插槽，可以方便地進行系統(tǒng)擴展，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，運行WINDOWSNT操作系統(tǒng)，外接打印機，打印報表。工控機由一臺500VA的不間斷電源UPS供電，保證報表數(shù)據(jù)的完整記錄。下位PLC的選型及其模塊配置 在進行這項工作之前，需要對控制對象和控制任務進行統(tǒng)計和分析。然后確定系統(tǒng)的規(guī)模、機型和配值。據(jù)統(tǒng)計，該包裝機控制系統(tǒng)需要配置如下的不同性質(zhì)的I/0點： 80個開關量輸入； 50個開關量輸出； 15個模擬量輸入； 15個模擬量輸出； 根據(jù)對上述控制任務的分析，本項目選擇了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用，應用領域相當廣泛。其模塊化、無排風扇結(jié)構、和易于實現(xiàn)分布，易于用戶掌握等特點使得S7300成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務的方便又經(jīng)濟的方案。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擴展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實際應用選擇合適的模塊。當任務規(guī)模擴大并且愈加復雜時，可隨時使用附加的模塊對PLC進行擴展。SIMATIC S7一300所具備的高電磁兼容性和強抗振動，抗沖擊性，更使其具有最高的工業(yè)環(huán)境適應性。它具有很強的計算能力和完善的指令集，以及通過MPI接口和SINEC LANS聯(lián)網(wǎng)的能力，適用于高速的過程處理需要。本系統(tǒng)所用的主機模塊是CPU 3152DP，可以通過MPI轉(zhuǎn)接電纜或通訊模塊與計算機進行通訊，再加上其全面的診斷功能和完善的自我保護技術，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編程軟件功能強大，使用方便，也使開發(fā)過程變得簡單快捷。此外，S7 300系列PLC還具有模塊點數(shù)密度高，結(jié)構緊湊，性價比高，性能優(yōu)越，裝卸方便等優(yōu)點。根據(jù)I/0點數(shù)的確定要按照實際點數(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個數(shù)字量輸入模塊SM321 CDI32*24VDC):可提供總數(shù)為128路的開關量輸入通道；⒋ 3個數(shù)字量輸出模塊SM322 D032*24VDC/0. 5A:可提供總數(shù)為96路的開關量輸出通道；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的主要任務是接受外部開關信號(按鈕、行程開關、繼電器節(jié)點)的輸入，判斷當前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號去控制接觸器、繼電器等器件，以完成相應的控制任務。除此之外，另一個重要的任務就是接受工控機(上位機)的控制命令，以進行全自動包裝循環(huán)。圖24給出了本項目中配置的S7300PLC模板的型號和數(shù)量，下面對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，其裝載存儲器的基本容量為48K字節(jié)或80K字節(jié)，可用存儲卡擴充裝載存儲器，最大容量可達到512KB。，最大可擴充1024點數(shù)字量I/O或128路模擬量通道。CPU3152DP內(nèi)裝硬件實時時鐘。 CPU3152DP的操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動的用戶程序掃描過程。CPU響應哪個事件，操作系統(tǒng)自動調(diào)用該事件的組織塊OB 。 CPU315可調(diào)用128個功能塊FB ( 0127)； 128個功能調(diào)用FC（0127)； 127個數(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。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PLC系統(tǒng)的規(guī)模較大時，一個機架不能容納所有的模塊時，就要增添擴展機架，這時裝有CPU的機架稱為主機架。主機架和擴展機架之間通過接口模塊IM360和IM361形成統(tǒng)一的整體。每個機架的接口模塊通過總線連接器連接到I/O模塊。接口模塊是自組態(tài)的，無需進行地址分配。具有指示系統(tǒng)狀態(tài)和故障的發(fā)光二極管LED。如果CPU不確認此機架，則LED閃爍。一個系統(tǒng)可以有中央機架和最多三個擴展機架，每個機架最多八個擴展模塊，相鄰機架的間隔為4厘米到10米。 IM360必須安裝在S7300的0號主機架上，IM360和IM361之間的最大距離不超過10米。IM361接口模塊安裝在S7300的1號到3號的機架上:數(shù)據(jù)通過連接線368由IM360傳輸?shù)絀M361，再從IM361傳輸?shù)较聜€機架上的IM361；每個IM361需要一個外部24V電源，向擴展機架上的所有模塊供電?？赏ㄟ^電源連接器連接PS307負載電源。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，用來分擔CPU的通訊任務，并支持其它的通訊連接。它可以通過PROFIBUS FMS與PROFIBUS站點通訊。與編程器、人機界面裝置進行通訊。與其他SIMATIC S7系統(tǒng)進行通訊。CP343一5通訊處理器具有SIMATICS7300系統(tǒng)結(jié)構緊湊的優(yōu)點，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)場的開關觸點的狀態(tài)經(jīng)過光電隔離和濾波，將從過程傳輸來的外部數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為內(nèi)部S7300信號電平。然后送至輸入緩沖器等待CPU采樣，采樣時，信號經(jīng)過背板總線進入到輸入映像區(qū)。SM321數(shù)字輸入模塊具有32位獨立的輸入點，用于連接開關或2線接近開關(BERO)。數(shù)據(jù)采集部分與背板總線通過光電耦合器隔離。模塊的每個輸出點有一個綠色發(fā)光二極管LED顯示輸入狀態(tài)。輸入開關閉合即有輸入電壓時，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)部信號電平轉(zhuǎn)化為控制過程所需的外部信號電平。按負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