【正文】 器寫入常數(shù)便可以對(duì)延時(shí)進(jìn)行設(shè)置。若僅對(duì)時(shí)基脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)而不計(jì)算時(shí)間，定時(shí)器也就演變成了計(jì)數(shù)器。除此以外采用 PLC控制的設(shè)備體積、功耗、噪音明顯減小，壽命更長(zhǎng)、可靠性顯著提高，程序還帶有監(jiān)控與自我檢測(cè)功能，使其運(yùn)行更加一目了然。6 PLC與單片機(jī)控制系統(tǒng)比較單片機(jī)配置相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于不太復(fù)雜的自動(dòng)化項(xiàng)目，但其仍不適用于工業(yè)控制。單片機(jī)存在著編程語言復(fù)雜、接口工作繁瑣、可靠性較差等缺點(diǎn)，硬件上受 CPU、內(nèi)存及接口限制，軟件上受限于和 CPU 類型有關(guān)的編程語言，通用性、兼容性與擴(kuò)展性都比較差。盡管在數(shù)據(jù)處理上有優(yōu)勢(shì)，但鑒于工業(yè)控制多為開關(guān)量，因此它的特點(diǎn)無法得到充分發(fā)揮 [7]。因此，PLC具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。 BL300型自動(dòng)包裝機(jī)的設(shè)計(jì)要求考慮包裝機(jī)械實(shí)際控制要求，明顯更加適合使用 PLC 控制。它可以將邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)及算術(shù)運(yùn)算等各種復(fù)雜的控制程序，以指令形式放入內(nèi)部存儲(chǔ)器中，再根據(jù)所存儲(chǔ)的程序，經(jīng)過數(shù)模等 I/O 部件對(duì)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整及過程控制[25]。采取循環(huán)掃描的工作方式，它一般都由 CPU、內(nèi)部存儲(chǔ)器、輸入輸出系統(tǒng)及其它可選部件、功能擴(kuò)展模塊構(gòu)成。CPU 是 PLC 的核心部件，用來輸入各種指令程序，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)任控制任務(wù)。只讀存儲(chǔ)器 EPROM 用于存入控制程序和固定參數(shù)，隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM 則用于保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和各種計(jì)算的中間變量。I/O 系統(tǒng)的作用是可以使相關(guān)參數(shù)輸入 PLC 內(nèi)部及將實(shí)時(shí)內(nèi)部控制信號(hào)傳輸給外部設(shè)備。而這些狀態(tài)量進(jìn)出的通道包含模擬量和開關(guān)量輸入輸出、脈沖輸入等[2228]。本次設(shè)計(jì)中，合作廠家只有老式包裝機(jī)機(jī)械部分，并且提出要以較低的成本完成設(shè)計(jì)且自動(dòng)包裝機(jī)生產(chǎn)速度能達(dá)到 60 包/分鐘，包裝的質(zhì)量和袋長(zhǎng)精度較高，能保證長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)，故障率較低。針對(duì)上述條件和要求，需要做的工作有：在對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前還需對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行改進(jìn)，以方便實(shí)現(xiàn)電氣控制；設(shè)計(jì)一個(gè)與機(jī)械部分配套的控制系統(tǒng)，使其能自動(dòng)完成供膜、供料、縱封、橫封、剪切等動(dòng)作，并有配備有簡(jiǎn)單易操作的人機(jī)界面；根據(jù)上述要求試制成的樣機(jī)需要進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行的精確度和可靠性，并加以改進(jìn)。7 2 立式自動(dòng)包裝機(jī)機(jī)械系統(tǒng)前一章簡(jiǎn)單介紹了可編程控制技術(shù)的一些概況，本章將對(duì)立式包裝機(jī)的機(jī)械部分進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹并對(duì)原有部分機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以便更好的配合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，方便 PLC控制。在進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的改進(jìn)時(shí)，充分考慮了用戶對(duì)傳統(tǒng)功能的要求，也對(duì)部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化以方便批量生產(chǎn)和提高可靠性，盡量將其設(shè)計(jì)成一個(gè)機(jī)構(gòu)精簡(jiǎn)、可靠性較高且成本較低的機(jī)械系統(tǒng)。 立式自動(dòng)包裝機(jī)工作原理供膜日期打印縱封運(yùn)動(dòng)橫封運(yùn)動(dòng)切斷袋膜裝料成品圖 21 包裝機(jī)工作原理圖Fig. 21 Packing machine working principle diagram這種包裝機(jī)的工作原理見上圖。它是一種擁有日期打印、縱封、裝料、橫封、切斷等多種功能的包裝機(jī)械。其工作原理是將包裝材料安裝好后，由走袋電機(jī)將包裝材料往下牽引。材料通過打印設(shè)備時(shí)自動(dòng)打印日期。拉膜裝置內(nèi)測(cè)為高彈力橡膠，可以通過增加與薄膜的摩擦帶動(dòng)材料往下運(yùn)動(dòng)[3134]。材料經(jīng)成型器后，再由縱封裝置通過加熱將其縱向封合形成袋筒狀。下一步袋筒經(jīng)過橫封裝置進(jìn)行下橫封（上、下橫封同時(shí)進(jìn)行，切刀將連續(xù)的包裝袋由連接處切斷，刀片上方包裝袋為下橫封，刀片下方包裝袋為上橫封）。漏斗有料位檢測(cè)，通過控制送料機(jī)的啟動(dòng)停止使漏斗內(nèi)的物料始終保持在適當(dāng)高度，以這種方式來實(shí)現(xiàn)比較精確的計(jì)量精度。物料充填結(jié)束，溢出部分由刮板刮平。物料進(jìn)入已經(jīng)完成下橫封的袋筒后進(jìn)行上橫封，最后完成整個(gè)包裝流程的包裝袋通過自重落入設(shè)備外部的裝載包裝袋的容器。 立式自動(dòng)包裝機(jī)主要機(jī)構(gòu)原理傳統(tǒng)袋成型立式自動(dòng)包裝機(jī)結(jié)構(gòu)見下圖，從圖中能看到其主要由計(jì)量、拉膜、縱封、橫封等多種機(jī)構(gòu)構(gòu)成。8 圖 22袋成型包裝機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖Fig. 22 Forming packaging machine structure diagram圖 23 為傳統(tǒng)橫封機(jī)構(gòu)原理示意圖。該機(jī)構(gòu)主要由雙曲柄機(jī)構(gòu)組成，單個(gè)橫封器可以實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)。橫封器分為兩部分，采用彈簧連接，故這兩部分間可以形成相對(duì)位移：當(dāng)兩個(gè)橫封器相互擠壓時(shí)，中間有一段壓縮的行程，兩個(gè)橫封器接觸部分回轉(zhuǎn)中心的中心距小于兩者回轉(zhuǎn)半徑之和，則橫封頭在做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)在兩個(gè)回轉(zhuǎn)中心垂直平分線上互相擠壓并走過一段豎直的軌跡，在這段軌跡上，橫封機(jī)構(gòu)依次實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝袋的橫封和剪切，周而復(fù)始 [36]。圖 23 橫封機(jī)構(gòu)原理示意圖Fig. 23 Transverse sealing mechanism principle schematic diagram BL300型立式自動(dòng)包裝機(jī)主要機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)根據(jù)傳統(tǒng)的立式自動(dòng)包裝機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)，針對(duì) BL300 型立式自動(dòng)包裝機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)其主要機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)和改進(jìn)。圖 24 是 BL300 型立式自動(dòng)包裝機(jī)的側(cè)視圖；圖 25 是其主視圖；圖 26 是切刀裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中 1. 機(jī)架，2. 供料機(jī)構(gòu)，21. 支座，22. 角度調(diào)節(jié)螺桿，23. 進(jìn)料倉(cāng)，24.儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)，25. 成型器，26. 出料管，3. 供膜機(jī)構(gòu)，31. L 型立柱，32. 轉(zhuǎn)軸，33.摩擦盤，34. 傳動(dòng)桿，35. 控制桿，36. 供膜電機(jī)，37. 光電檢測(cè)控制裝置，5. 橫9 縱封口裝置，51. 封口支座，52. 縱向熱封器，53. 橫向熱封器，54. 切刀裝置，5411. 上左切孔，5412. 下左切孔，542. 右切刀座，5421. 上右切孔，5422. 下右切孔，543. 切刀驅(qū)動(dòng)器，544. 上切刀，545. 下切刀，6. 輸送機(jī)構(gòu)（選配），61. 輸送滾輪，62. 輸送帶，63. 分流隔板，7. PLC 電控箱，8.四個(gè)萬向滾輪，9. 四個(gè)支撐定位螺栓。圖 24 BL300型立式自動(dòng)包裝機(jī)側(cè)視圖Fig. 24 The lateral view of BL300 fullautomatic food packing machine圖 25 BL300型立式自動(dòng)包裝機(jī)主視圖Fig. 25 The front view of BL300 fullautomatic food packing machine10 圖 26 切刀裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 26 Cutter device structure diagram該立式食品自動(dòng)包裝機(jī)，包括機(jī)架、安裝在機(jī)架頂部的供料機(jī)構(gòu)、供膜機(jī)構(gòu)、橫縱封口裝置和輸送機(jī)構(gòu)以及 PLC電控箱。供膜機(jī)構(gòu)設(shè)在供料機(jī)構(gòu)一側(cè)，橫縱封口裝置安裝在供料機(jī)構(gòu)的下方，輸送機(jī)構(gòu)設(shè)在橫縱封裝置下方，PLC電控箱分別控制供料機(jī)構(gòu)、供膜機(jī)構(gòu)、橫縱封口裝置。供料機(jī)構(gòu)包括固定連接在機(jī)架頂端面上傾斜設(shè)置的支座、安裝在支座上的角度調(diào)節(jié)螺桿、進(jìn)料倉(cāng)以及儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)。料倉(cāng)通過角度調(diào)節(jié)螺桿傾斜安裝在支座的內(nèi)側(cè)壁上，儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)與進(jìn)料倉(cāng)的進(jìn)料口相連通，進(jìn)料倉(cāng)的出料口處安裝有成型器，成型器連通有垂直向下的出料管。儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)為量杯式料盤送料器，采用容積法計(jì)量，由上下料杯相套、料門為底構(gòu)成料杯。料量的大小由料杯的容積確定，下料杯可上下調(diào)節(jié)，上升時(shí)兩杯重疊容積變小，反之容易變大。該計(jì)量方法對(duì)于流動(dòng)性能好，顆粒均勻的物料計(jì)量較為準(zhǔn)確。供膜機(jī)構(gòu)包括固定連接在機(jī)架上的兩根相互平行的 L型立柱、橫向連接在兩根 L型立柱之間的轉(zhuǎn)軸、套裝在轉(zhuǎn)軸上的用于繞置包裝材料的摩擦盤、傳動(dòng)桿、控制桿、供膜電機(jī)以及光電檢測(cè)控制裝置。傳動(dòng)桿橫向安裝在轉(zhuǎn)軸下方，供膜電機(jī)輸出軸與轉(zhuǎn)動(dòng)桿端部相傳動(dòng)連接，光電檢測(cè)控制裝置位于控制桿下方。橫縱封口裝置包括安裝在機(jī)架一側(cè)且位于供膜機(jī)構(gòu)下方的封口支座、安裝在封口支座上的縱向熱封器和橫向熱封器以及設(shè)在橫向熱封器下方的切刀裝置。機(jī)械部分主要的改進(jìn)如下：進(jìn)料倉(cāng)內(nèi)側(cè)壁上均勻分布有若干根導(dǎo)流條，可使送料更加均勻。支座與機(jī)架頂面的傾斜角度可在 60176。至 90176。之間調(diào)節(jié)，方便不同種類物料的供送?？v封裝置下方增加了一對(duì)滾輪，完成縱封的袋筒在經(jīng)過滾輪的擠壓后，縱封效果更佳平整美觀。選用加重機(jī)架、切刀裝置增加防撞內(nèi)襯，有效減輕了連續(xù)生產(chǎn)時(shí)的震動(dòng)。11 機(jī)架底部安裝有四個(gè)萬向滾輪和四個(gè)支撐定位螺栓，方便設(shè)備的搬運(yùn)和固定。輸送機(jī)構(gòu)包括輸送滾輪和輸送帶以及安裝在機(jī)架上的四塊分流隔板，相鄰兩塊分流隔板之間間距相同，分流隔板的底邊與輸送帶之間具有間隙，可以在輸送過程中實(shí)現(xiàn)分流的目的。該機(jī)構(gòu)為選配裝置，如果沒有輸送要求，包裝袋剪切完后直接落下。在對(duì)原有傳統(tǒng)機(jī)械部分進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)之后的包裝機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化包裝，其包裝效果好。在包裝機(jī)上設(shè)計(jì)橫縱封口裝置，在橫封口裝置結(jié)合切刀裝置，可實(shí)現(xiàn)從縱封、橫封到供料，最后對(duì)包裝袋切斷的流程，方便實(shí)用。12 3 立式自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)前一章簡(jiǎn)單介紹了立式自動(dòng)包裝機(jī)的機(jī)械部分的概況，本章將結(jié)合包裝機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)采用 PLC技術(shù)對(duì)其進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)在進(jìn)行電氣控制部分設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了用戶對(duì)傳統(tǒng)功能的要求，并且以系統(tǒng)的可靠、經(jīng)濟(jì)與易用為準(zhǔn)則，盡量將其設(shè)計(jì)成一個(gè)功能比較齊全、可靠較性高且易于操作的控制系統(tǒng)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，先需要了解食品包裝機(jī)的生產(chǎn)工藝和流程。 本課題研究的主要內(nèi)容為了使包裝更加美觀大方、整齊有序、質(zhì)量上乘，需要包裝機(jī)具有更加精準(zhǔn)的動(dòng)作和定位，更高的速度和效率，這些都對(duì)它的控制提出了更高的要求。本包裝機(jī)主要實(shí)現(xiàn)袋裝食品封口，是將包裝材料經(jīng)過加熱軟化制成袋型容器后，再自動(dòng)完成計(jì)量充填、縱封橫封、切斷等全過程的自動(dòng)包裝機(jī)械[29]。該類型包裝機(jī)特點(diǎn)如下[30]：（1）結(jié)構(gòu)模組化。用一臺(tái)包裝機(jī)對(duì)不同物料和包裝材質(zhì)包裝時(shí)，對(duì)原機(jī)型做簡(jiǎn)單更改即可快速轉(zhuǎn)換為適合現(xiàn)有情況的新機(jī)型。（2）包裝高速化。（3）包裝精度高。由于采用多種新技術(shù)和精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合，使計(jì)量精度大大提高。色標(biāo)跟蹤光電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)袋長(zhǎng)的精確控制，使其更加精美。（4）控制智能化。很多先進(jìn)機(jī)型都通過智能儀表與觸摸屏對(duì)設(shè)備各種參數(shù)和控制過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和跟蹤。此外，機(jī)器一般都配有狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)與報(bào)警系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障便能迅速停機(jī)并且在屏幕上顯示故障及解決辦法。 基于 PLC的包裝機(jī)生產(chǎn)工藝概述本包裝機(jī)主要針對(duì)的是一些顆粒物或者粉末狀物體的包裝。在對(duì)類型相近的物體進(jìn)行包裝時(shí)會(huì)在同一臺(tái)機(jī)器上完成，這樣可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)也可以降低成本。只需要簡(jiǎn)單的更換配件便可以適用于更廣泛的包裝范圍。包裝材料的選擇在立式自動(dòng)包裝機(jī)設(shè)計(jì)中也非常重要。食品工業(yè)中廣泛選用塑料包裝。紙張經(jīng)過涂塑后生成的復(fù)合包裝材料被廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)，例如：面包、冰淇淋等。對(duì)包裝材料進(jìn)行牽引時(shí)會(huì)受到很大的張力，速度越快，張力越大，材料也越容易斷開。若包裝材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)不到要求，必定會(huì)影響包裝速度的提高。13 圖 31 包裝膜卷Fig. 31 Packaging roll films動(dòng)作復(fù)雜且頻率高、執(zhí)行器件多是包裝機(jī)械最顯著的特點(diǎn)[35]。傳統(tǒng)的包裝材料傳送多選用曲柄連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)間歇拉帶，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜而且調(diào)整起來相當(dāng)麻煩。當(dāng)需要更換物料或者更改包裝袋的尺寸時(shí)，調(diào)節(jié)尤為麻煩?，F(xiàn)在由電機(jī)與拉帶滾輪直接連接，由 PLC 或人機(jī)界面控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)拉帶，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)使調(diào)節(jié)變的方便很多。在小型立式自動(dòng)食品包裝機(jī)中，包裝材料的供送主要有袋長(zhǎng)和色標(biāo)控制兩種。前者適用于不帶色標(biāo)的包裝材料，后者由光電傳感器檢測(cè)色標(biāo)所在位置，而后發(fā)出電信號(hào)使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，此時(shí)供送物料，延時(shí)一段時(shí)間后再繼續(xù)輸送包裝材料，不斷循環(huán)[5]。本機(jī)采用了更先進(jìn)的后者。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，走袋電機(jī)牽引包裝材料并自動(dòng)打印日期。經(jīng)由縱封裝置時(shí)通過加熱將其封合。下一步袋筒經(jīng)過橫封裝置進(jìn)行下橫封形成袋筒狀等待供料。漏斗到位時(shí)有信號(hào)輸出，此時(shí)供料電機(jī)啟動(dòng)開始供料。料滿時(shí)通過信號(hào)控制停止供料，溢出部分由刮板刮平。物料進(jìn)入已完成下橫封的袋筒，待上橫封完成，最后切斷完成整個(gè)流程。由此可得，立式自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)輸入信號(hào)有：供膜檢測(cè)、橫封、縱封時(shí)最高和最低溫度的檢測(cè)、動(dòng)盤到位以及色標(biāo)、料滿檢測(cè)、日期打印、過載保護(hù)等。輸出信號(hào)有：走袋電機(jī)、打印、刮板、切刀和動(dòng)盤等數(shù)個(gè)電磁閥、供料電機(jī)、冷卻電機(jī)、橫縱封加熱管、空氣壓縮機(jī)以及聲光報(bào)警等。通過分析包裝機(jī)工藝可知，控制系統(tǒng)主要分為縱封、供料、橫封和切斷等幾大運(yùn)動(dòng)過程?？v封與橫封運(yùn)動(dòng)需要涉及到對(duì)溫度的控制。橫封結(jié)束后需要通過剪切機(jī)構(gòu)把已經(jīng)完成包裝的包裝袋和上部材料切斷。我們選擇 PLC 控制的方案是：先選定控制系統(tǒng)的大體方案，將多個(gè)傳感器采集到的信號(hào)傳送給 PLC 再去控制其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)并根據(jù)色標(biāo)確定橫封位置。PLC 除了實(shí)現(xiàn)對(duì)上述各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制以外，還要檢測(cè)其它過載信號(hào)。如14 果發(fā)生過載則斷電并進(jìn)行聲光報(bào)警，這樣可以在保證安全生產(chǎn)的同時(shí)也減少了因?yàn)楣收隙鴮?dǎo)致的一些不必要的浪費(fèi)。在這個(gè)立式自動(dòng)包裝機(jī)的控制系統(tǒng)中，最主要也最核心的部分就是 PLC。其次系統(tǒng)中需要采集有膜信號(hào)、動(dòng)盤到位、日期標(biāo)號(hào)等多個(gè)信號(hào)，因而要選用光電傳感器去檢測(cè)上述信號(hào)。需要判斷橫封、縱封的最低與最高溫度，因此需選用溫度傳感器。還要檢測(cè)色標(biāo)所在位置，因此要選用顏色傳感器。還需要選用一個(gè) 24V的電源模塊給控制電路中的傳感器、電磁閥和 A/D 模塊供電。橫封與縱封機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行熱封，因此還需要若干加熱管。而電機(jī)的過載保護(hù)一般都是由熱繼電器來完成。除此以外控制系統(tǒng)還需要