基于PLC的纸尿裤包装袋封口控制系统设计.pdf

收稿日期：2022-11-23作者简介：汪岚（1978），女，福建泉州人，黎明职业大学智能制造工程学院教授，研究方向为过程控制及优化。基金项目：泉州市高层次人才创新创业项目（编号：2019C045R）。摘要：为解决纸尿裤包装袋封口环节人工操作效率不高且劳动强度大的弊端，在分析工艺流程的基础上，搭建以FX5U PLC、运动控制器、伺服驱动单元以及人机界面等关键器件为核心的系统硬件，利用GX Works 3软件编写控制程序，利用EasyBuilder Pro V 6.02软件组态人机界面，设计了一款纸尿裤包装袋封口控制系统，实现了纸尿裤包装袋全自动封口以及人机界面对生产过程的实时监控，提高了生产效率和智能化程度。关键词：封口控制系统；FX5U PLC；运动控制器；伺服驱动单元；人机界面中图分类号：TB486.3文献标志码：A文章编号：2096-0425（2023）03-0011-04纸尿裤因使用方便等优点受到了市场的广泛认可和欢迎，需求量逐年增长。在纸尿裤包装过程中，封口是最后一个环节，即将已装入纸尿裤产品的塑料包装袋进行封口。随着控制技术的不断发展，封口前面的工序已基本实现自动化生产，而封口工序仍有许多厂家采用人工操作，既不利于连续生产，又存在效率不高和封口质量不稳定等弊端。为满足厂家对不同规格纸尿裤包装袋大规模的封口需求，有效提高生产效率和成品率，实现纸尿裤包装袋自动封口成为必然趋势。鉴于 PLC控制具有较高的稳定性和可靠性，易于与外界扩展模块搭建控制电路且延展性好，1本文基于 PLC、运动控制器、交流伺服单元和触摸屏等设计了一款纸尿裤包装袋封口控制系统。搭载该控制系统的封口设备不仅能实现封口过程自动化，还能通过修改人机界面上的生产参数来满足多规格包装袋的封口要求，实用性强。1纸尿裤包装袋封口设备结构及工艺流程分析纸尿裤包装袋封口设备主要由机架本体、送包、进料、推手、开袋、封口和出包6个模块构成，如图1所示。将已装入纸尿裤产品的包装袋从送包口送入，完成开袋、插角、纵向封切，最后输出包装成品，具体工艺流程为：系统上电进包皮带运行包装袋到达进料口抬起挡料杆开袋皮带运行包装袋到达开袋模块打开包装袋气腔推手到位并将包装袋推到封口模块夹板调整包装袋位置左右插角、上下热合封口插角、封口板、推手归位出包，不断将纸尿裤包装袋密封好，送出成品。2封口控制系统的硬件设计封口控制系统硬件结构框图见图 2。触摸屏基于以太网的通信方式发送和接收封口现场的工作状态及生产参数等数据，实现系统的可视化控制。以PLC 为主控单元，结合运动控制器控制伺服驱动器，通过 SSCNET III/H 光纤总线2驱动封口设备的推手升降、进退，封口等伺服电机做多轴联动，从而实现包装袋自动封口；位置检测单元检测包装袋是否运动到基于基于 PLCPLC的纸尿裤包装袋封口控制系统设计的纸尿裤包装袋封口控制系统设计汪岚（黎明职业大学智能制造工程学院，泉州 362000）图 1封口设备结构示意图送包模块进料模块推手模块开袋模块封口模块出包模块挡料杆江苏工程职业技术学院学报Journal of Jiangsu College of Engineering and Technology第23卷 第 3 期2 0 2 3 年 9 月DOI：10.19315/j.issn.2096-0425.2023.03.003Vol.23，No.3Sept.2 0 2 3位，并将状态反馈给 PLC控制器，PLC控制器判断分析后向相应的继电器或电磁阀发送命令，控制电机或气缸等执行机构运动，控制封口设备完成如平台升降、封口吸气等动作。图 2中，控制系统核心器件的选型分别为：PLC 的型号为 FX5U-80M，运动控制器模块的型号为 FX5-80SSC，内置电子凸轮功能；伺服驱动器和伺服电机的型号分别为 MR-JE系列和 HG-SN系列，伺服电机自带 17位分辨率的编码器，与运动控制器模块形成闭环控制，利于伺服轴的精准控制；触摸屏型号为 MT8102iP，用来显示系统参数、工作状态和报警信息等，具体硬件组态见图3。3封口控制系统的软件设计3.1输入/输出点的设计系统选用的 FX5U-80MT PLC控制器内置 40个输入点和 40个输出端，能满足设计要求。系统部分关键输入输出地址分配情况见表 1。3.2控制流程设计程序设计为自动、手动两种控制模式，可在触摸屏上进行选择。自动控制模式下，PLC读取触摸屏上的相关指令和生产参数后对位置传感器检测到的包装袋位置进行分析处理，生成控制指令发送给运动控制器模块，运动控制器模块控制伺服驱动器驱动各伺服电机按设定运动趋势协同运动，这期间伺服电机利用内部的编码器将自身位置信息实时反馈给运动控制器，实现电机运动的精准控制。系统选用的FX5-80SSC运动控制器可支持8轴且自带电子凸轮，适合用来实现多轴系统运动。用户只需在模块中设定好各运动轴的电子凸轮曲线，伺服电机即可根据曲线上对应的位置数据进行运动，通过多电机联动执行包装袋的传送、开袋、插角、封口等一系列工序，实现包装袋的自动封口。手动控制则是分别对各设备、开关和执行机构进行单独控制，人工判断是否执行某一操作，主要在前期设备调试时使用。封口控制流程如图 4所示。纸尿裤包装袋封口设备伺服驱动器伺服电机（推手进退）伺服驱动器伺服电机（推手升阵）伺服驱动器伺服电机（封口开合）伺服驱动器伺服电机（插角控制）伺服驱动器伺服电机（进包皮带）伺服驱动器伺服电机（开袋皮带）触摸屏光电开关限位开关指示灯以太网位置检测单元PLC控制模块运动控制器模块SSCNET/H变频器平合升降电机等电磁阀吸气气缸等伺服驱动单元图 2封口控制系统硬件框图图 3伺服控制系统硬件组态以太网MT8102iPSSCNET/HFX5U-80MTFX5-80SSCPOWERRUNERROR运动控制 CPU轴 1轴 2轴 3轴 4轴 5轴 6推手进退推手升降 封口开合 插角控制开袋皮带控制进包皮带控制MR-JEMR-JEMR-JEMR-JEMR-JEMR-JE1212江苏工程职业技术学院学报2023年3.3程序设计系统利用支持 FX5U 系列 PLC 的 GX Works 3软件编写主程序，3-4包括自动运行程序和手动控制程序等，本文以自动读取对应电子凸轮曲线程序和手动控制平台升降程序为例进行说明，具体程序见图5、图6。图 5中，自动控制模式下，各轴回归原点，根据推手当前位置值 D 与轴 1进给当前值 L的大小关系，读取各伺服轴对应的凸轮曲线。当 DL时，轴 1到轴 4分别调用凸轮号 1、3、5、7对应的凸轮曲线数据；反之，当 D=U1G2400轴 1进给当前值（L）M220回归原点指示K1U1G36474轴 1凸轮号K3U1G36674轴 2凸轮号K5U1G36874轴 3凸轮号K7U1G37074轴 4凸轮号K2U1G36474轴 1凸轮号K4U1G36674轴 2凸轮号K6U1G36874轴 3凸轮号K8U1G37074轴 4凸轮号DU1G2400轴 1进给当前值（L）MOVMOVMOVMOVMOVMOVMOVMOV图 5自动读取伺服轴的电子凸轮曲线程序图 6手动控制平台升降程序(2409)(2415)(2421)(2427)M10 X10M11 X11M12 X12M13 X13前平台上升触摸键前平台上升限位信号前平台下降触摸键前平台下降限位信号后平台上升触摸键后平台上升限位信号后平台下降触摸键后平台下降限位信号Y10Y11Y12Y13前平台上升控制继电器前平台下降控制继电器后平台上升控制继电器后平台下降控制继电器汪岚：基于 PLC 的纸尿裤包装袋封口控制系统设计第 3期13133.4人机界面组态设计利用威纶通公司的 EasyBuilder Pro软件组态人机界面（主要包含自动控制界面和手动控制界面）下载至 MT8102iP触摸屏。5当纸尿裤包装袋封口控制系统处于调试或故障状态时，可进入手动控制界面，观察各平台、风机和气缸的运行状态或进行逐个对象的手动控制，设计见图 7。系统在自动运行状态时，自动界面显示系统各设备的运行状态和生产参数。利用人机界面与PLC的通信可实现封口生产过程的监控、生产参数的显示和设定，设计见图 8。界面功能清晰、操作简单方便，可从自动控制界面的下方按钮切换进入各参数界面，调整相关参数以适应多种规格包装袋的封口要求，提高了系统的可视化和智能化水平。4测试结果及分析在某精密机械有限公司生产的封口机上搭载本文所设计的控制系统，在触摸屏上设置相关的工艺参数，运行设备进行现场数据测试。以 100包产品为测试对象，设备操作与人工操作的封口结果见表 2。由表 2 可见，搭载本系统的封口设备在生产效率、产品合格率、人员劳动强度和包装占用空间等方面具有优势。该系统的研制有效地提高了封口作业的效率和产量，节省了劳动力，具有很好的推广价值。参考文献：1孟亚男，张振怀，孟凡超.基于 PLC的给料分拣自控系统J.化工自动化及仪表，2022，49（3）：351-353.2虎玉荣.半钢子午胎两次法成型机的系统升级和优化J.橡塑技术与装备，2018，44（13）：40-44.3肖福娟，初晓艺，林彬，等.基于 PLC和触摸屏的智能护理床模拟控制系统J.科学技术创新，2021（29）：81-83.4张还.三菱 FX系列 PLC设计与开发原理、应用与实训M.北京：机械工业出版社，2009.5俞涛，王国超，王宁.雷达电子模块散热模拟测控系统设计与开发J.火控雷达技术，2021，50（4）：69-77.（责任编辑：王晓燕）Design of the PLC-Based Control System of Automatic Sealing for Diaper PacketsWANG Lan（College of Mechanical and Electrical Engineering，Liming Vocational University，Quanzhou 362000，China）Abstract：In order to address the problems of inefficiency and labor-intensity of manual operation in the sealingof diaper packets，a sealing control system was designed with EasyBuilder Pro V 6.02 based on the technologicalprocess of the sealing.The system was built with such key hardware as FX5U PLC，motion controller，servo driveunit and human-machine interface，and its control program was written with GX Works 3.With the system，theautomatic sealing was realized and the real-time monitoring was fulfilled by human-machine interface，whichimproved both efficiency and intelligence of the production.Key words：control system of sealing；FX5U series PLC；motion controller；servo drive unit；human-machine interface图 7手动控制的组态界面设计图 8自动控制的组态界面设计测试项目生产效率产品合格率人员劳动强度包装占用空间人工操作结果10包/min15包/min87%高袋内有空气，占用空间大设备操作结果30包/min97%低袋内无空气，占用空间小表 2设备操作与人工操作结果对比1414江苏工程职业技术学院学报2023年