缓冲袋气柱成型机控制系统

许文静

(江阴职业技术学院 机电工程系， 江苏 江阴 214433)

缓冲袋气柱成型机控制系统

许文静

(江阴职业技术学院 机电工程系， 江苏 江阴 214433)

根据实际控制要求，选用三菱的控制器，通过触摸屏进行人机对话，光电传感器对卷膜的位置进行识别，完成了硬件系统和软件平台的搭建。实践证明,采用该控制方案，性能安全可靠，降低了生产成本，自动化程度高，有效提高缓冲袋的生产效率和质量。

气柱成型机； PLC； 触摸屏

0 引 言

近年来，缓冲袋作为一种新型包装材料较多应用于各运输包装领域。它主要用在易碎商品的内层保护性包装上，如微电子产品、紧密仪器、打印耗材等，起到抗振防摔，防潮防静电。

缓冲袋的生产经印刷、复合、分切、制袋4个过程完成。缓冲袋气柱成型机是其中生产柱状空气垫的复合、分切设备。传统的缓冲袋制作方法比较困难，而且比较单一，在运输过程中，缓冲袋保持的时间比较短,极易造成漏气及密封性不好。且国内缓冲袋的生产主要以引进国外生产设备为主，存在成本高、维修困难等缺点[1]。

文中分析了PLC控制技术和触摸屏技术在缓冲袋薄膜气柱成型系统中的应用，设计了缓冲袋气柱成型的控制系统。将PLC和触摸屏结合，使现场操作更简便，对于控制程序和人机界面的灵活性有了很大的提升，使系统性能更加安全可靠。

1 缓冲袋气柱成型机的结构及工作原理

缓冲袋气柱成型机是将塑料薄膜经热压形成气柱状单元的成型设备。成型之后的缓冲袋分成袋装型和衬垫型。袋装型有全包产品(如Q型袋)、半包产品(如半Q型袋)、单面包产品(如U型袋)的袋型；衬垫型可分为无折点的单面衬垫、两折点的L型衬垫、三折点的U型衬垫及气泡组合[2]。袋装型如图1所示。

图1 缓冲袋外形

缓冲袋气柱成型机的结构由上卷膜机构、下卷膜机构、阀封拉膜机构、三层拉膜机构和收膜机构等组成，结构如图2所示。

上、下卷膜机构在刹车调速电机的带动下放膜，当涨膜机构滑动辊到底端，调速电机在涨膜机构上的光电开关控制下停止；当涨膜机构滑动辊到顶端，电机开始送膜。阀封拉膜机构由独立的步进电机控制，在阀封气缸升到位后开始拉膜，并且带有电眼跟踪功能，可自动纠正拉膜的距离。三层拉膜机构作用和阀封拉膜机构相同。收膜机构在刹车调速电机带动下收膜，调速电机开关由涨膜机构上的光电开关控制，涨膜机构滑动辊到底端，电机开始收膜，涨膜机构滑动辊拉到顶端，电机停止。

1.收膜机构； 2.涨膜机构; 3.三层拉膜机构; 4.热封1； 5.热封2; 6.阀封纠偏光电开关;7.阀封拉膜机构； 8.热封3; 9.下层卷膜机构； 10.上层卷膜机构

半成品(印刷好的三层薄膜)的加工需要经过放膜、热封、牵引、收膜等几个工序才能制成未充气的成品缓冲袋。

由图2可知，缓冲袋气柱成型机在具体工作时，首先将卷绕成筒的印刷薄膜进行放膜，放膜的长度由涨膜机构控制。当涨膜机构滑动辊到底端，调速电机停止放膜。在气缸的推力作用下，烫刀对三层薄膜进行热封，当热封结束烫刀抬起时(由光电传感器进行信号识别)通过拉膜机构指定气柱的宽度。烫刀上下循环一周期，薄膜就成形往前移动预先设定好的位置。然后经收膜机构牵引制成袋子。只有对热封、定长、定位、张力、温度进行全面控制，气柱成型机在成型过程中才能高效率、高质量。

缓冲袋气柱成型机工艺流程如图3所示。

图3 缓冲袋气柱成型机工艺流程

2 缓冲袋气柱成型机的控制要求

系统主要实现对三层薄膜进行传送并烫封成密封的气柱。具体的控制要求如下：

1)气柱密封性好，满足一定的气压；

2)气柱宽度可根据客户要求调节；

3)在系统正常运行的情况下，循环次数26.7 r/min，多重步骤速度13 r/min，平均速度8.2 m/min， 标示区域10 mm ，进料设定307.0 m，使其定位误差≤±0.2 mm，温度误差≤1 ℃，以确保烫封的平整性、牢度和精确的定位裁切。

在气柱成型过程中，膜长与主机速度、定长定位和薄膜进给间的协调控制是主要的控制难点[3]。为了防止操作过程中的失误,采用膜长主机速度的协调控制；提高生产速度及减少操作调整的重点是定长定位与薄膜进给的协调控制[4]。

整个成型系统的控制对象是几个执行装置的顺序或循环动作，被控量主要是限位开关和光电开关等的实时反馈。考虑到本系统的控制规模小，被控制量少，另外还根据用户的要求，在对整个项目的成本和综合效益的全面分析基础上，决定选择可编程逻辑控制器作为主控制器。

3 硬件设计

根据气柱成型机控制要求和控制功能的分析，数字量输入信号有8个，模拟量输入信号有2个，数字量输出信号有7个，模拟量输出信号有2个;考虑到以后的扩展，本设计保留一定的扩展余量(工业应用中一般保留 20% 左右)，因此，PLC机型选择三菱FX2N系列FX2N-32MR-D一台。 FX2N-32MR-D有16个数字量输入点，16 个数字量输出点，2 个模拟量输入点和 1 个模拟量输出点。FX2N系列具有性能优异、运行速度快、稳定可靠等优点。

3.1 I/O地址分配

缓冲袋气柱成型机控制系统输入信号、输出信号对应PLC 的I/O 地址分配见表1。

表1 I/O端子分配表

3.2 I/O接线

根据I/O分配表和气柱成型机的控制要求，给出PLC的I/O接线图，如图4所示。

图4 硬件电路接线图

通过电机使同步带传动来直接控制袋子的长度。缓冲袋气柱成型机的控制中心是PLC,通过调速器对驱动放膜的电机和收膜的电机进行调速控制,从而达到缓冲袋所要求气柱的宽度。在袋传动链系统中设有编码器,对实际的袋速可以进行在线测量,从而使送料在设定的周期内做变速运动。该系统能反映各个电机的故障现象,并通过触摸屏实时显示,减小了传统的继电-接触式控制系统的中间环节,减少了硬件和线路,提高了系统的稳定性。功能上的发展趋势是向着操作更简单和维修更方便的方向发展,使整个机械结构得到简化,自动化程度得到显著提高。

3.3其它主要硬件选型

在放膜电机和收膜电机启动之前,检测和控制条件均有效,则按下启动按钮使两台机低速启动、同步升速、协调运转,并在控制系统控制下升速,达到预定的运行速度而平稳工作。若机器一旦发生故障，可立即快速制停及切断电源,确保机器在启停中均能保持平稳，减小机械冲击，确保人身安全。

上、下卷膜机构采用可调速电机,根据制袋机工作情况,只要速度变化的范围内输出扭矩的要求不变,即必须采用恒扭矩调速电机,转速的范围为70～1 420 r/min可调。根据以上分析，文中采用精研生产的100YF200GV22，三层拉模机构和阀封拉模机构均采用三相步进电机驱动，步进电机通过和D306型号步进电机驱动器连接。选用D306型号步进电机驱动器，是因为它在控制方式上具有全数字式电流环控制，三相正弦电流驱动输出的优点，能实现三相混合式电机无低速爬行，无共振，噪音小等特点[5]。D306驱动器有一个拨码开关，通过开关可设置电机转步数等。

在热封过程中，加热的元件采用的是电热管。电热管的作用将电能转化为热能，由于其价格便宜、使用安装方便、无污染，所以被广泛使用在各种加热场合。与其它同热量的电热元件相比，管状电热管可节约5%的电热材料，同时，热效率可达到90%以上。因此，文中选用电热管型号AC220v-3X500W，能够满足加热塑料薄膜的工艺要求。

3.4触摸屏

运用可编程控制器可以提高控制系统的运行速度、可靠性和抗干扰能力。但触摸屏的使用与可编程控制器组成了一个桥梁，两者相辅相成形成了一个良好的人机界面，同时两者相互协调得到了越来越广泛的应用。一般由触摸检测装置和触摸屏控制器两个部分组成触摸屏[6]。触摸检测装置需要安装在显示器屏幕的前面，用于检测的触摸位置，接收到信号后传送给触摸屏控制器。触摸屏控制器的作用是从触摸检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再次传送给处理器CPU，它同时也可以接收处理器CPU发来的命令，并且执行发出命令。

4 软件设计

4.1 PLC控制程序设计

对于PLC与触摸屏的缓冲袋气柱成型机的控制系统，机器运作时程序繁多，并且每一步都有严格的逻辑关系。为了满足缓冲袋气柱成型机在生产中的需要，同时降低成本，采用威纶公司的触摸屏和FX2N系列的PLC对缓冲袋制袋机进行高效率的系统设计[7]。

根据方案要求，本系统控制采用模块化的结构，其基本思路是：首先通过威纶MT8000触摸屏设定好本次加工的参数，然后把送膜、卷膜及热封电源打开，上、放膜开始动作。当检测到信号时，3台主电机开始动作，同时进行光电检测，防止出现偏差。由人机界面可以控制热封电磁阀。当气路中电磁阀得电时，控制气缸动作，进行热封；当气缸到达下限位时，气缸上升，同时两位两通冷却电磁阀得电进行冷却。然后通过步进电机开始拉膜、收膜，当收膜检测到位时即符合参数，主电机自动停止运转。

4.2触摸屏界面设计

选用威纶公司的软件MT8000对气柱成型机进行触摸界面的设计，它可以对界面参数、手动及自动进行有效的调整[8]。基本参数设置如图5所示。

图5 基本参数设置图

在系统运行之前，最重要的就是设置参数。触摸屏可以将运行状态参数的大量数据通过电缆线传送到PLC中，比如制袋的速度、袋子的长度、热封的宽度等。只需要轻轻地触碰“参数画面”键便可以进入到参数画面设置当中需要改变的相应参数。

5 结 语

缓冲袋发展的趋势是势不可挡的。随着现代化水平的提高，越来越重视运输当中出现的一系列问题，尤其在一些运输当中会造成一些无法挽救的损失。经分析研究，影响缓冲袋制袋机效率的因素主要有：定位定长精确度较低、热封时的温度提升较慢，驱动电机带动的连杆机构磨损较为严重等。实践表明,缓冲袋气柱成型机控制系统设计性能安全可靠，操作方便，自动化程度高。同时，缓冲袋气柱成型机在未来的发展中会渐渐通过PLC与触摸屏建立通道连接，实现人机界面对参数进行简单有效调整，进而可以达到高效率的制袋。

[1] 戴远敬.立式袋成型包装机中常用拉膜机构分析[J].包装与食品，1998(12)：17-18.

[2] 李义生.立式袋成型-充填-封口机的现状及发展[J].包装与食品机械，1999(7)：9-11.

[3] 程永强.基于PLC和触摸屏的砌块成型机控制系统的设计[J].黎明职业大学学报，2010(3)：37-39.

[4] 吴富民.基于ARM的制袋机控制系统研究[D]：[硕士学位论文].南京：南京林业大学，2008.

[5] 刘伟.PWM技术在电机驱动控制中的应用[D]：[硕士学位论文].合肥：合肥工业大学，2009.

[6] 吴卫荣,丁慎平.PLC和触摸屏在AGV控制系统中的应用[J].现代制造工程,2012(12):115-117.

[7] 宋伯生.PLC编程实用指南[M].2版.北京：机械工业出版社,2013：21-22.

[8] 王春芳.富士触摸屏在流化焚烧炉监控系统中的应用技术[J].机电工程技术,2007(8):62,23.

[9] 戴群亮,戴宏亮,赵丁选,等.挖掘机工作装置电液伺服智能控制[J].长春工业大学学报:自然科学版，2005,26(4)：283-285.

[10] 殷翔,董正筑,王继燕.ADAMS和Matlab交互仿真的机械臂定位控制[J].长春工业大学学报:自然科学版，2005,26(4)：332-334.

Control system in a buffer bag gas column forming machine

XU Wen-jing

(Department of Mechatronic Engineering, Jiangyin Polytechnic College, Jiangyin 214433， China)

To meet the needs of practical control, both the hardware and software for the buffer bag gas column forming machine are established, in which mitsubishi controller, touch-panel human-machine interface and photoelectric sensor are used. It is showed that the control system can be applied to the buffer bag gas column forming machine with high efficiency.

buffer bag gas column forming machine; PLC; touch-panel.

2014-06-20

许文静(1978-)，女，汉族，江苏无锡人，江阴职业技术学院讲师，硕士，主要从事机电一体化及电气控制方向研究,E-mail:jessic_xwj@163.com.

TB 485.1; TB 486

A

1674-1374(2014)05-0557-05