基于PLC控制的包装码垛生产线的设计

摘要：我国的聚丙烯(PP)产量占世界产量的10％以上，而长期以来国内聚丙烯产品的包装却一直处于人工套袋的半自动包装状态。针对PP树脂的特点，专门设计了全自动包装码跺生产线工艺流程，介绍了以PLC为基础的全自动包装码跺生产线控制系统，重点说明了控制系统的硬件配置、输入输出分配和软件设计。全自动包装码垛线改变了国内PP产品包装的落后局面，值得在PP包装领域推广。
关键词：全自动包装码垛生产线；PLC；控制系统；聚丙烯

    聚丙烯具有耐温、耐油、抗冲击等特性，有良好的加工性能。以往聚丙烯包装主要分为人工称量、手封口、人工堆放等。当闪蒸釜中的物料经闪蒸结束，乙烯气检验合格后，打开釜底的气动球阀和手动球阀，包装工手拿包装袋，撑开袋口，袋底搁在磅秤上(事先定为50 kg)让聚丙烯物料靠重力的作用自由落料进入包装袋。包装工在接料的同时用眼睛盯着磅秤，当磅秤的秤砣稍稍翘起，即迅速换上另一只包装袋进入下一袋的包装。称量完毕手封口，由工人搬到仓库堆放好。这样计量误差大，效率低。若包装工的动作过于迅速，包装袋中的物料极有可能低于实际值，给用户造成损失，引起纠纷。若动作过慢物料超出定量值，无疑会给厂方造成一定经济损失。由于聚丙烯自身极易产生静电，加上所需包装的是粉状物料，包装现场粉尘较大，对工人的健康是有害的。整个包装过程全靠手工来完成，劳动强度很大。所以聚丙烯包装生产中采用PLC控制系统可以节省原料，提高包装速度，进而提高生产效率，同时还降低工人的劳动强度。

1 聚丙烯包装生产线的工艺概述
    聚丙烯包装生产线具体分为称重、封口、推倒传输、检验、码垛等部分，相比而言称重和码垛是最重要、最复杂的两个部分。图1是包装线的工艺流程图。

    系统的运行方式共分为手动、单步、周期及自动4种操作方式。
    1)手动  各工步都可单独点动，按钮释放即停止运行；
    2)单步  按下启动按钮，运行一个工步，到位即停。再按启动，则进入下一工步运行；
    3)周期  从初始位置开始，按启动按钮，程序自动完成一个周期的动作后返回到第一步开始位置停止；
    4)自动  按启动按钮，程序完成一个周期的动作后又接着从第一步开始运行，自动循环。在自动方式下，中途若按下复位按钮，则系统要继续运行到第一步开始位置才停止；若按下停止按钮，则运行立即停止，此时若再按启动，系统即从该位置运行到第一步开始处停止。
    根据聚丙烯包装系统的实际运行情况，本系统采用自动运行和手动运行两种方式。与运行方式的设计相对应，还必须考虑停止运行方式的设计。可编程控制器的停运方式有正常停运、暂时停运和紧急停运3种。根据控制系统要求，由于包装系统运行期间采用循环工作方式，只有在工作结束或接收到操作人员的停止运行指令或设备出现故障或异常情况时才停止，因此本系统采用硬件切断电源，使系统立即停车。

2 控制系统硬件总体设计
    控制系统硬件框图如图2所示。

2．1 电子称量部分的组成
    电子秤主要由秤体和电子称量控制系统两个部分组成。其秤体部分又是由贮料仓、给料装量、称量斗、夹袋器等组成。电子秤量控制系统则是由称量传感器、称重控制仪表和控制执行元件组成，如图3所示，其中称重传感器是很重要的组成部件。

    包装秤给料装置以大小两种流量向称量斗供给物料。称重传感器将重量信号转换为电信号，并传送给称重控制仪表。称重控制仪表测量重量值并对整个称量过程进行程序控制，构成一个自动称量控制系统。

    根据该过程的流程要求设计，系统中开关量输入信号有启动按键、停机键、斗门状态、夹袋夹紧等检测信号。开关量输出有粗细进料电磁阀、放料电磁阀、夹袋器等控制信号和一些显示、报警输出信号。数字量通道接收传感器重量输入信号，其中称重斗门关闭和夹袋夹紧检测用接近开关，缓冲料门、称重斗门和夹袋由电磁阀带动气缸来控制。称重过程图如图4所示。

    理想状态下，大给料、小给料共同完成额定重量值的95％给料量，且在很短时间内完成。接着大给料停止，小给料再完成额定重量值的5％～10％给料量，且占用较长时间。说明大给料用以提高包装速度，小给料的缓慢给料可以保证称量准确度。实际生产中这两段的重量与时间参数要根据具体情况不断调整才能达到最佳状态。检测装置如图5所示。

2．2 封口机
    在得到下料完毕后，封口机得到一个信号，封口机就加热封口针，接着就开始工作封口。封口延时以便能完全封好。
2．3 推倒装置
    在封口完毕后，感应器发出信号给推倒装置，推倒装置推倒包装袋使袋子平放传输带上，以便传输带把袋子运走。
2．4 重量检测器
    该检测由光电开关I、Ⅱ控制，当料袋进入该装置时，光电开关I被料袋遮挡；当料袋被完全载于称体上时，光电开关Ⅱ被遮挡，系统通过压力传感器开始采集数据直至复检结束；若重量合格(测量精度50 kg动态)，料袋进入下道工序；重量超差的料袋，系统发出报警信号，该料袋进入拣选机时，拣选机将其剔除。

    图6是用来检测出包装生产线上是否有次品并将其剔除。光电开关I的信号作为移位寄存器的数据输入信号，当检测到一个次品时，光电开关I变为ON，其余时间为OFF。光电开关Ⅱ的信号作为移位脉冲输入信号，每检测到一个产品就产生一个脉冲，产品之间的间隔是固定的。光电开关Ⅱ检测到一个次品，移位寄存器就开始跟踪，直到它到达传送带上的一个预定位置时，电磁阀动作，控制汽缸将次品推出。而正品则继续随传送带前行。次品排出时光电开关Ⅲ检测出，该信号作为移位脉冲和电磁阀的复位信号。
2．5 金属检测器
    料袋通过金属检测器时，若料袋中不含金属颗粒和金属颗粒较小时，该检测器不发出任何信号，料袋被送到下一道工序；当料袋含有金属颗粒大于或等于2 mm时，该金属器通过电控系统发出信号，该料袋在拣选机上被剔除。
2．6 码垛机
    码垛机的水平皮带机将包装机输送来的合格料袋通过缓冲。由压袋机加以辊压，使袋形平整，再由转袋装置使物料回转90°或180°(目的是使包装缝纫口全部在内侧，排层后整齐)。然后由排层输送机使料袋每层横3竖2打层。排满8层后，由托盘托出垛，并由储存辊道输送机暂存，最后山叉车运出码垛。

3 软件的设计
    控制系统流程图包装码垛自动生产线控制系统可分为电子称重部分、包装机组控制部分和码垛机组控制部分，之间通过联锁来进行整个系统的控制。称重系统流程图如图7所示，包装控制系统流程图如图8所示，码垛控制系统流程图如图9所示。

4 结束语
    该码垛机PLC自动控制系统集中了PLC、传感器、电机驱动、气动等先进技术，设备复杂，然而操作简单，系统运行稳定可靠，码垛速度快，垛型整齐、美观，生产能力不低于1 200袋／h。
    在延安化工厂成品车间应用，各项指标达到了技术要求，大量减少了成品的占地面积，极大提高了生产效率，深受用户的好评。