卷纸包装机控制系统的总体设计

谢秋梅

摘要：本文介绍了卷纸包装机控制系统，包括卷纸包装机生产工艺，卷纸包装机速度影响因素，可编程控制系统的设计等。

关键词：包装机;控制;编程

本系统在电气控制部分设计时，充分考虑到用户的功能需求和与本系统机械部分的配合需求，在具体实现的过程中，又以系统的可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于使用的包装机设备。

一、卷纸包装机生产工艺概述

卷纸包装机主要功能是将来自卷纸库的卷纸以每分钟60个的速率包装成合格的小卷纸。包装纸以大卷筒的形式放在原料架上，当上位机发出命令时，放卷电机动作，开始放卷。放卷到一定长度（长度由色标来检测）时，通过色标信号向切纸机构发出指令。切纸机构采用交流变频调速电机，带动一个凸轮旋转，以带动切断刀上下运动，在凸轮上安装一个位置传感器，当凸轮转到某一位置时，切刀向上运动，二刀分离，当有色标信号时，刀又向下运动。切刀上、下的工作频率可由变频调速电机来调整，操作简便。切好的纸片经整理后放入纸片库中，等待推纸空心台送纸片。同时卷纸库的卷纸经过整理等待托盘推杆送卷纸筒。

包装过程通过包装工艺盘及其辅助机构来实现。包装工艺盘共有八个v形槽，三个加工工位，当包装纸和待包装的卷筒纸放入槽中后，由工艺盘载着其转动，依次送入各加工工位。工艺盘的转动是由交流电机通过皮带传动带动的，各加工工位的动作是通过顺序逻辑控制电磁阀进而带动执行机构动作的。工件从1号工位装入;在2号工位由夹钳机构完成前进，抓紧，旋转，窝边的动作，同时分别向托盘和推纸空心台发出送卷纸筒和送纸片信号;在3号工位，包装好的产品由于重力作用落入成品库。

由于这是一个典型的顺序控制，利用移位寄存器操作最为方便。设定一个8位移位寄存器，每位移位寄存器相应于一个V形槽，每120ms移位一次，控制相应的操作。当到2号工位时发出上料信号，推纸空心台推动纸片（其总的上升时间大于490ms小于640ms），托盘推动纸筒（其总的上升时间略小于640ms）同时以相同的速度前进，当工艺盘V形槽到达第一工位时，工艺盘停止，在此延时150ms，待放纸空心台压到纸片到位行程开关，停止，托盘压到托盘到位行程开关，托盘停止，完成了上料操作，当延时到，托盘和放纸空心台后退，同时，插纸板前进，托住纸筒与工艺盘一同运动。当到达2号工位时，工艺盘停止，延时250ms，同时发出上料信号，在此时段内，插纸板在工艺盘停止后也相继停止，但由于惯性，会使包装纸带着纸筒旋转一个较小的角度，使包装纸能完全包住纸筒，然后再后退，同时夹钳机构轴向运动，碰到限位开关时，轴向运动停止，而三个夹杆同时径向运动，抓紧包装纸的两端，当碰到抓紧限位开关时，夹钳机构轴旋转90度后继续向前移动，进行窝边。窝边到位，该机构就后退。到达3号工位时，成品落下，完成一次包装，这样如此循环，直到发出停止信号。包装一个小卷纸只需880ms，可为什么在1分钟内却只能包60個啦，这里还有个PLC扫描周期的问题，本包装程序中PLC扫描周期为120 ms。

二、卷纸包装机速度影响的分析和提高

随着中国改革开放与WTO的加入，中国的工业正向高速化、流水化发展，而中国的传统包装业以手动与半自动为主，大大阻碍了高速化发展。目前国外已有卷纸包装机，而且速度已经达到120个/分，而我们国家的卷纸包装还是半自动甚至有的小作坊还是手动操作，平均包装速度仅仅能达20个/分。如果引进国外产品，除了价格昂贵外而且也不利于本国的发展。因此研制高速包装机已成为社会发展的必然。

为了满足厂方的要求，本设计的高速卷纸包装机包装能力要求达到60个/Min。

我们知道包装机速度越高，要求稳定性和可靠性愈强。这就要求包装材料供送速度快、精度高、定位准确，包装材料质量标准要符合规格，停机率低，以减少包装材料损耗，且包装材料的装卸都要自动化等。

1.影响卷纸包装机高速化的包装材料的性质有：

（1）抗张（拉）强度要大

在高速包装机中，包装材料运动的线速度可达500m/min以上，同时包装机都是间歇式运动，材料直径大，材料运动惯性力大，所以应具有足够的抗拉强度，防止被拉断。在现行的卷纸包装机材料供送机构中可通过增加冲击力缓冲装置来解决。

（2）伸缩性要小

包装材料在运行中，由于卷筒直径大、包装运行速度大，使之受到很大的拉力和惯性冲击力，易造成包装材料拉伸，影响包装纸定位准确性，所以材料的伸缩性要小，以保证包装机工作的可靠性和包装质量。

（3）静电性要小

卷筒包装材料在卷曲和使用过程中，易产生静电。当包装材料按定长切断后，在移送过程中，一旦发生静电粘附时;就需马上停机，所以静电性越小越好。

2.机械结构的影响

传统的包装机在包装材料切断后迅速离开的办法是用不等速机构。常见的不等速机构有：偏心链轮机构，偏置曲柄导杆机构，凸轮、齿轮组合机构，凸轮一四连杆组合不等速转动机构以及非圆齿轮机构等。

由于偏心链轮机构的变速范围有限，结构复杂，高速时易引起链条的跳动，而且传递的力不易过大，因此它只适合于一些速度不太高、传递的力不太大的小袋包装机。而凸轮齿轮组合机构，凸轮一四连杆组合机构因结构复杂，调整不方便，运动冲击又大，因此不常用。

其中偏置曲柄导杆机构是目前高速包装机中应用较多的一种不等速机构。它的结构比较简单，加工方便，调节容易，成本低。但体积比较大，调整环节比较长。传动过程中，传动角Y不等于90度，因此传力特性不太好。当速度超过300r/min时，整个机构的动力性能变坏，动载振动和动平衡较难解决。

在设计中我们利用控制精度高，动态响应快的6SE70系列变频器及其配套电机来替代不等速机构，从而达到变速的目的，且使包装机结构紧凑，惯性小。

在包装过程中，通过严格的时序分析，知道要达到要求的速度，电机的启动、停止的时间一定要快，也就是电机的响应速度要快。一般的步进电机从上升到运行平稳的时间约需200—400ms，达不到120 ms的要求。通过各种资料的查询，发现松下MSMA 400W交流伺服电机从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒。因此，我们在要求快速启停的控制场合，利用松下MSMA400W交流伺服电机作为执行电机。

整个控制系统以西门子S7—300系列PLC作为基础，其扫描速度在其他工业控制系统中处于领先地位，每1000条指令约需0.3 ms。通过材料，机械，电气的综合考虑，我们的设计达到了预期目标，且在实验室也调试成功。

三、可编程控制系统控制方案的设计

利用PLC可以构成多种控制系统：单机控制系统，集中控制系统，分散型控制系统和远程I/0控制系统。由于卷纸包装机控制对象较多，有放卷分切中的张力控制，包装过程控制，送料过程中的同步控制，且被控对象比较集中，因此我们采取集中控制系统方案。每个被控制对象与可编程控制器指定I/0相互连接，因此各个被控对象之间的数据、状态的变换不需要另外设置专门的信号线路。该控制系统多用于控制对象所处的地理位置比较接近，且相互之间的动作有一定联系的场合。单主机控制方式，对主机要求较高，危险相对集中。远程I/O控制系统的控制结构比较独特，类似于集中控制系统，又具有分散型控制系统的特点，经常用于控制规模中等，控制对象比较分散、工程费用较低的场合。

PLC作为一种控制设备，用它单独构成一个控制系统是有局限性的，主要是无法进行复杂运算，无法显示各种实时图形和保存大量历史数据，也不能显示汉字和打印汉字报表，没有良好的界面。这些不足，我们选用上位机来弥补。上位机完成监测数据的存贮、处理与输出，以图形或表格形式对现场进行动态模拟显示、分析限值或报警信息，驱动打印机实时打印各种图表。

（作者单位：厦门盈趣科技股份有限公司）