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聚氨酯密封膠是一種高強度室溫濕氣固化的粘合劑，它具有彈性好、粘接性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車玻璃粘接、車身密封、船舶、機械、電子、軍工、建筑等眾多的領(lǐng)域。 該密封膠在常溫及生產(chǎn)過程中呈高粘度的軟膏狀，流動性差，粘度大，按工藝要求灌裝到包裝大桶中難度很大。 多年來業(yè)內(nèi)采用的傳統(tǒng)灌裝方式大部分工作靠手工完成，灌裝效率低，勞動強度大，灌裝精度差，難以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

基于 PLC 及智能稱重儀表， 應(yīng)用 PLC 與智能儀表的串行通信技術(shù)，采用電液比例控制，解決了密封膠灌裝過程的控制難點， 采用大桶下降式灌裝方式，實現(xiàn)了灌裝過程自動化。

1 密封膠灌裝系統(tǒng)

目前，業(yè)內(nèi)采用的傳統(tǒng)灌裝方式是一種灌裝桶固定、大桶內(nèi)灌裝壓盤及灌裝橡膠軟管隨著桶內(nèi)膠量增加而上升的灌裝方式。 這種灌裝方式具有橡膠軟管需頻繁更換、灌裝勞動強度大、每桶的灌裝量誤差大于1kg 、灌裝一致性差等缺點。

為此，研制了灌裝管和壓盤固定不動、灌裝桶隨桶內(nèi)膠量增加而自上向下移動的大桶下降式自動灌裝機，其工作原理如圖 1 所示。

膠泵（ MAAG 泵）出膠管為倒 U形不銹鋼鋼管，固定于灌裝機的大桶上方。 制膠機出膠口與膠泵之間緊密連接，如同一體。 放置大桶的底盤與兩側(cè)的液壓系統(tǒng)導(dǎo)桿連接，隨兩側(cè)液壓缸內(nèi)導(dǎo)桿的上、下移動同步移動，通過電液比例調(diào)節(jié)閥控制液壓導(dǎo)桿的移動速度 ［ 1 ］ 。

整個灌裝過程在 PLC 控制下，按照復(fù)雜的控制算法，由電液比例控制系統(tǒng)完成。

灌裝時將空桶放在處于換桶位（最低位置）的托盤上，換桶位光電開關(guān)檢測到大桶的存在，如果此時按下“啟動”按鈕，進油電磁閥打開，同時油泵運轉(zhuǎn)，在油壓作用下活塞桿上升，空桶隨托盤同步上升。 空桶上升至其桶底與壓盤距離 10mm 時，上位光電開關(guān)動作，關(guān)閉上升電磁閥及油泵，空桶停止上升。 然后打開膠泵，密封膠自倒 U 型管緩慢擠入大桶內(nèi)，根據(jù)控制策略，在 PLC 及比例閥的計算、控制下，大桶緩慢下降，至膠滿位置時，膠滿位光電開關(guān)得到信號，關(guān)膠泵，下降一定距離后，進行刮膠，刮膠完畢后全速降至最低位置，最后換桶，一個灌裝循環(huán)完成 ［ 2 ］ 。

2 控制難點與控制策略

2.1 控制難點

由于在整個灌裝過程中，膠泵的出膠量是不均勻的，因此，灌裝時大桶的下降速度不是勻速運動。 當(dāng)出膠速度快時，大桶的下降速度就要適當(dāng)加快，否則，過多的進膠量就會自壓蓋與大桶內(nèi)壁間的排氣縫隙溢出，造成大桶灌裝量難以控制，使灌裝過程失??；而當(dāng)膠泵出膠速度減慢時， 大桶下降速度亦要適當(dāng)調(diào)慢，否則，空氣就會自壓蓋與大桶內(nèi)壁間的排氣縫隙進入大桶，使桶內(nèi)膠中混有空氣，造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，甚至成為廢品；同時，在下降過程中，托盤的載重隨著桶內(nèi)膠量的增加越來越重。 因此，灌裝時，大桶下降速度要在比例閥的控制下，隨膠泵出膠速度的變化進行及時調(diào)節(jié)，這是該灌裝系統(tǒng)的控制難點。

2.2 控制策略

密封膠制膠機為美國 ROSE 公司生產(chǎn)的 HPB-550 型高性能混合攪拌設(shè)備 ［ 3 ］ ，制膠機（含膠泵）的四角分別安裝在 GSE 公司（美國）的 4 個 7300 型稱重傳感器上，制膠機及所生產(chǎn)的密封膠總重量由 GSE 公司的 Model 355I.S. 型智能稱重儀表精確測量，出膠量可由稱重儀表精確測出。 最初，試圖采用在自動灌裝機大桶托盤下安裝稱重傳感器的辦法測出灌裝重量，但由于灌裝下降過程存在沖擊、 振動等多種干擾因素，實際測得的數(shù)值波動很大，無論如何處理都難以精確求得灌裝過程的灌裝量。 為此，采用了通過智能稱重儀表與 PLC 高速通信的辦法，獲得了大桶灌裝量 Q 的準(zhǔn)確值。

為了對灌裝下降過程進行有效控制，并取得一定的灌裝精度，必須使大桶下降速度與膠泵的出膠速度相匹配。

在灌裝過程中， 設(shè)在某時間間隔 Δt 內(nèi)膠泵出膠量為 ΔQ ，大桶下降的高度為 Δh ，大桶的底面積為 S ，密封膠密度為 ρ ，在灌裝下降過程中，應(yīng)保持：

左側(cè)Δh/Δt為在 Δt 時間內(nèi)大桶下降的平均速度，右側(cè)中的ΔQ/Δt為膠泵在 Δt 時間內(nèi)的平均出膠速度。 當(dāng)Δt→0 時，有：

上式左邊的微分項dh/dt為某一時刻大桶下降的瞬時速度， 右邊的微分項dQ/dt為同一時刻膠泵的瞬時出膠速度。

欲在灌裝過程中既不使空氣進入大桶又不致于使密封膠自桶內(nèi)四周縫隙溢出，大桶下降速度與膠泵出膠速度應(yīng)滿足上式。

在控制程序中，只要取 Δt 足夠小，就可以保證每桶的灌裝精度。

由于灌裝過程下降速度很慢（每分鐘 2cm 左右），根據(jù)灌裝調(diào)試經(jīng)驗， 取 Δt=1s ， 就可以既保證灌裝成功，又能使灌裝精度達到要求。 Δt 也是 PLC 對比例閥進行調(diào)節(jié)的時間間隔。

成功的灌裝過程實際上是一個大桶下降速度跟隨膠泵出膠量變化的隨動過程。

在灌裝下降過程中，以膠泵出膠量 Q 為控制系統(tǒng)的輸入，采用 PID 調(diào)節(jié)原理 ［ 4 ］ ，調(diào)節(jié)比例閥流量以控制大桶下降速度 V ，實現(xiàn)閉環(huán)控制，控制框圖如圖 2 所示。

圖中， h 由直線位移傳感器測得， Q 由制膠機的稱重儀表測得，并通過稱重儀表與 PLC 的高速串行通信傳送給 PLC 。 大桶的灌裝量為 ρSh ，實時控制保證 h 的精度，就可以保證灌裝量的精度。

3 控制系統(tǒng)硬件[5-6]

根據(jù)工作原理與控制策略， 以 PLC 為控制核心，組建控制系統(tǒng)。 PLC 輸入、輸出信號配置如表 1 所示。

根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模， 本著控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊的原則，選用帶兩路模擬量輸入、 一路模擬量輸出、 2 個 RS-485 接口的西門子 S7-200 系列 PLC （ CPU224XP ）即可滿足系統(tǒng)要求。 一路模擬量輸入信號為直線位移傳感器信號，是一個由直線位移傳感器測得的與灌裝深度h 成正比的電壓信號。 一路模擬量輸出信號為比例控制閥輸入信號，是一個與比例閥流量成正比的電壓信號。 由于選用的電液比例控制閥為帶壓力補償?shù)牧髁靠刂崎y，因此可以在負(fù)載變化的工況下，獲得穩(wěn)定的調(diào)節(jié)流量。

PLC 硬件配置如圖 3 所示。

自動灌裝過程電控系統(tǒng)的工作原理： 將空桶放在換桶位（最低位）時，如果桶位正常，則換桶位光電開關(guān)CK 導(dǎo)通，此時按下工作開始按鈕 SB4 ，油泵馬達起動，空桶上升，如果桶位不正常，則按下 SB4 也無動作，避免了桶位不正上升時卡桶事故的發(fā)生； 當(dāng)上升至最高位時，高位光電開關(guān) HK 導(dǎo)通，關(guān)閉油泵，停止上升，PLC 進行灌裝前的參數(shù)初始化計算；適當(dāng)延時后，膠泵打開，密封膠進入空桶底部，此時 PLC 采集到灌裝深度信號，通過串口通信不斷獲得膠泵出膠量，按照控制策略，隨著膠量的增加，大桶緩慢下降，完成整個灌裝過程。

4 PLC 與智能稱重儀表串行通信的實現(xiàn)

4.1  PLC 通信協(xié)議及參數(shù)設(shè)定 ［ 7 ］

西門子 CPU224XP 模塊集成了 2 個串行通信的RS-485 標(biāo)準(zhǔn)接口，將其中一個用于程序開發(fā)、調(diào)試，另一個用于同稱重儀表通信。

 

4.1.1 字符數(shù)據(jù)格式

S7-200 采用異步串行通信方式，傳送字符數(shù)據(jù)格式有兩種： 10 位字符和 11 位字符。 此處采用 11 位字符數(shù)據(jù)， 1 個起始位、 8 個數(shù)據(jù)位、 1 個偶校驗位、 一個停止位。 傳輸速率為 9600bps 。

4.1.2 通信協(xié)議

S7-200 支持多種通信協(xié)議，協(xié)議定義了主站和從站兩類通信設(shè)備。 主、從站間的通信協(xié)議有 PPI 、 MPI 、Profibus3 個標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和一個自由口協(xié)議。 根據(jù)智能稱重儀表的通信情況，本控制系統(tǒng)采用自由口協(xié)議。 當(dāng)選擇自由口模式且主機處于 RUN 方式下， 用戶可通過發(fā)送 ／ 接收中斷、發(fā)送 ／ 接收指令編寫的程序來控制串行通信口的運作。當(dāng)主機處于 STOP 方式時，自由口通信被終止，通信口切換到正常的 PPI 協(xié)議操作。 通信協(xié)議在通信程序中由 SMB30( 通信口 0) 或 SMB130（通信口 1 ）設(shè)置為允許自由口通信模式。

4.1.3 參數(shù)設(shè)置

CPU224XP 自由口通信模式的通信參數(shù)由串口 1初始化子程序設(shè)置。 設(shè)置內(nèi)容包括通信協(xié)議、波特率、字符數(shù)據(jù)格式等內(nèi)容。

4.2 智能稱重儀表通信協(xié)議及參數(shù)設(shè)定 ［ 8 ］

Model 355I.S. 型稱重儀表僅有 2 個 RS-232 通信口 COM1 、 COM2，無RS-485 接口。 使用 COM2 口作為與 PLC 的通信口，通過一個有源 RS-232/485 轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn) PLC 與稱重儀表的串行通信。

4.2.1 通信協(xié)議

Model 355I.S. 型稱重儀表可預(yù)置 13 種標(biāo)準(zhǔn)傳輸格式或根據(jù)需要定制傳輸格式，灌裝過程僅需要某一時刻制膠機的總重量，為減少與 PLC 之間通信幀的長度，采用定制傳輸格式。 該儀表通信時的字符、數(shù)字字母全部采用 ASCII 碼形式，用到的控制字符很多，使用時可從儀表手冊查得。

為了簡化 PLC 的通信程序，將 Model 355I.S. 設(shè)置為遠程主指示器模式。 Model 355I.S. 將按定制傳輸格式連續(xù)地向 PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)， 而 PLC 以中斷方式定時接收數(shù)據(jù)。采用最簡單的傳輸格式，如“ □□□□1345.7□kg□Net ”，共 17 個 ASCII 碼，其中有 6 個空格、 5 個數(shù)字、 1 個小數(shù)點、 5 個字母。 重量數(shù)據(jù)定義為帶一位小數(shù)的 5 位數(shù)，單位為 kg 。

4.2.2 參數(shù)設(shè)置

為實現(xiàn) Model 355I.S. 與 PLC 自由口的通信，通過儀表鍵盤對 Model 355I.S. 相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，如表 2 所示。

其它參數(shù)使用默認(rèn)值，與 PLC 保持一致。 完成設(shè)置后， Model 355I.S. 就具備了與 PLC 通信的基本條件。

4.3 PLC 通信程序的設(shè)計

自由口接收數(shù)據(jù)既可以采用自由口接收指令，也可以使用接收字符中斷控制來接收數(shù)據(jù)。 根據(jù)系統(tǒng)情況，采用中斷方式。 端口每接收一個字符會產(chǎn)生一個中斷，端口 1 產(chǎn)生中斷事件 25 。 在執(zhí)行連接到接收字符中斷事件上的中斷程序前， 接收到的字符存儲在SMB2 中，奇偶校驗狀態(tài)存在 SMB3.0 中，通過中斷訪問 SMB2 和 SMB3 來接收數(shù)據(jù)。

PLC 通信程序由串口 1 初始化子程序及自由口接收中斷程序組成。 串口初始化子程序主要完成串口1 數(shù)據(jù)格式、 自由口協(xié)議及波特率等參數(shù)的設(shè)置等功能， 通信中斷程序主要功能是將來自 Model 355I.S. 的數(shù)據(jù)幀循環(huán)存放到緩存區(qū)中。 該緩存區(qū)由 85 個字節(jié)組成，可以循環(huán)存放 5 幀數(shù)據(jù)。 自由口緩存區(qū)由定時取數(shù)據(jù)中斷程序提取有效的重量數(shù)據(jù)，并存放到另一個數(shù)據(jù)區(qū)，由數(shù)據(jù)處理子程序進行處理。

5 控制系統(tǒng)軟件[9]

控制主程序完成自空桶位置檢測到大桶灌裝完畢的整個自動灌裝過程，其順序控制圖（ SFC ）如圖 4 所示。

6 結(jié)語

根據(jù)密封膠生產(chǎn)及灌裝工序的特殊性， 對控制硬件、軟件進行了大量的調(diào)試工作。 該自動灌裝系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)期的功能，每桶灌裝誤差控制在 200g 以下，且每桶的灌裝量不再受生產(chǎn)工人操作水平影響，大大提高了大桶灌裝量的一致性，解決了密封膠灌裝過程的控制難點，克服傳統(tǒng)灌裝方式的缺點，實現(xiàn)了灌裝過程自動化，降低了操作工人勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，改善了勞動環(huán)境。 使用一年多證明，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。

 

參考文獻

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