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全自動化肥包裝碼垛機(jī)包裝生產(chǎn)線控制單元的設(shè)計

發(fā)布時間:2019-11-22 09:07:19 |來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

0 引言

現(xiàn)階段我國農(nóng)村使用的農(nóng)產(chǎn)品(如化肥、 種子等)的包裝仍沿用傳統(tǒng)的手工定量包裝, 生產(chǎn)效率低、 勞動強(qiáng)度大且精度低, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。為了改變這一現(xiàn)狀, 各農(nóng)機(jī)具生產(chǎn)公司、 科研院所都在致力于開發(fā)一種安全和高效的包裝機(jī)。某農(nóng)機(jī)化公司就開發(fā)了一套全自動定量化肥包裝機(jī), 此包裝機(jī)系統(tǒng)包括電子定量秤、 平臺、 供袋機(jī)、 裝袋機(jī)、夾口整形機(jī)、 折邊機(jī)、 立袋輸送機(jī)、 倒袋機(jī)、 過渡輸送機(jī)和碼垛機(jī)等多個組成部分。設(shè)備稱重能力為 800袋/h(每袋 25kg), 稱重精度±0. 2% , 包裝能力為 800袋/h, 總耗電量 20kW, 總耗氣量 40Nm 3 /h。本文詳細(xì)論述了此全自動定量化肥包裝機(jī)的包裝控制單元的設(shè)計方法。

1 總體闡述

整個包裝碼垛成套設(shè)備的控制系統(tǒng)由 4 個控制單元組成, 分別為稱重控制單元、 包裝控制單元、 輸送檢測控制單元和碼垛控制單元。每個單元都由相應(yīng)的控制核心及其輔助元器件各自組合成小的控制單元。本文詳細(xì)論述的是包裝控制單元的設(shè)計方法。

系統(tǒng)為檢測模塊、 操作模塊、 控制模塊模塊及執(zhí)行模塊組成。其中, 控制模塊的控制核心采用 PLC,檢模 塊 使 用 了 多 種 檢 測 元 件, 包 括 光 電 開 關(guān)、接近開關(guān)和正負(fù)壓檢測開關(guān)等。操作模塊采用觸摸式人機(jī)交互界面。執(zhí)行模塊包括交流接觸器、 電磁閥、 電動機(jī)以及氣缸等。
  

其工作過程為:電子秤啟動后, 可編程序控制器控制給料伺服電機(jī), 進(jìn)行粗給料動作和精給料動作;之后, 向 PLC 發(fā)出稱重結(jié)束信號, 同時等待包裝控制單元的允許卸料信號;待檢測到允許卸料信號后, 稱重控制單元將打開卸料斗, 投料并縫口。如果包裝控制單元在上述過程中產(chǎn)生故障, 則稱重控制單元停止工作,直至包裝控制單元完成本工作循環(huán)并停機(jī)。

包裝單元啟動后, 將給輸送檢測控制單元 1 個啟動信號, 同時輸送檢測單元也同樣送給包裝單元 1 個輸送檢測單元正常的信號。如果包裝單元沒有接收到這個信號, 則包裝單元停止運行, 直至輸送檢測單元排除故障方可正常運行。

生產(chǎn)線全線正常運行時, 當(dāng)包裝控制單元和碼垛控制單元建立連鎖時, 碼垛控制器向包裝控制器發(fā)出正常運行信號;當(dāng)碼垛單元出現(xiàn)故障報警停止時, 碼垛控制單元正常信號自動斷開, 包裝單元也停止運行, 直到碼垛控制單元正常運行為止;如果包裝控制單元和碼垛控制單元解除連鎖, 則各自都可獨立工作, 且互不影響。

2 關(guān)鍵部件及主要參數(shù)確定

2.1 電源部分

現(xiàn)場的 380V 動力電源接入控制柜后, 連接至總負(fù)荷隔離開關(guān)和漏電保護(hù)開關(guān)。

總負(fù)荷隔離開關(guān)為表面安裝形式, 帶有旋轉(zhuǎn)手柄, 在不打開控制柜門的情況下, 可方便地通過旋轉(zhuǎn)手柄完成主電源的開關(guān)動作。漏電保護(hù)開關(guān)可對操作人員和設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)。

包裝控制系統(tǒng)的每個電機(jī)都單獨加裝了空氣開關(guān), 從而保證電機(jī)的安全運行, 且便于維護(hù)。本系統(tǒng)所采用的電動機(jī)空氣開關(guān)集成了短路保護(hù)、 過載保護(hù)和斷相保護(hù)等多種保護(hù)功能, 省去了傳統(tǒng)的熱保護(hù)繼電器。

根據(jù)工藝要求, 夾口整形機(jī)、 折邊機(jī)和立袋輸送機(jī)在運動過程中需要一定的速度調(diào)節(jié), 所以利用變頻器技術(shù)對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。

裝袋機(jī)的橫進(jìn)小車在動作過程中需要進(jìn)行準(zhǔn)確的位置控制, 所以采用伺服電機(jī)去控制橫進(jìn)小車進(jìn)行往復(fù)運動, 完成取袋送袋動作。伺服驅(qū)動器主回路需要三相 380V 電源。采用單極小型斷路器對交流接觸器線圈的進(jìn)行過流保護(hù)。

現(xiàn)場所有控制單元的電器元件均為直流 24V, 保證了設(shè)備運行及人員操作的安全性。

2.2 可編程控制器(PLC)

可編程控制器是包裝控制系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)采用型號為 CQM1HCPU21 的歐姆龍 CQM1H 系列PLC, 利用其快速的 I/O 處理速度和豐富的擴(kuò)展接口等優(yōu)點, 完全實現(xiàn)了包裝控制系統(tǒng)的各項功能。本系統(tǒng)的 PLC 配置了 3 個 24V 直流輸入模塊(16點), 3 個繼電器輸出模塊(16 點), 1 個繼電器輸出模塊(獨立回路 8 點)。

輸入通道地址從左到右依次為 IR000 ~ 003。各種傳感器信號(如光電開關(guān)、 接近開關(guān)和正負(fù)壓檢測開關(guān)的開關(guān)信號)、 按鈕開關(guān)信號以及各種控制元器件的檢測信號都連接至 PLC 的輸入模塊。

輸出通道地址從左到右依次為 IR100 ~ 104,100通道控制操作面板指示燈、 蜂鳴器和伺服電機(jī)驅(qū)動器;101 和 102 通道控制電磁閥。以上各回路的 com端接24V 直流電源正極。103 通道控制交流接觸器(電動機(jī)和伺服驅(qū)動器主回路), 其 com 端接交流220V 電源;104 通道為 8 個獨立回路, 其中 10400 ~10403 用于變頻器啟停及復(fù)位, 公共端與變頻器的公共端 CM 相連, 10404 為電子秤聯(lián)鎖信號。公共端與電子秤輸出信號的公共端相連, 10405 用于伺服驅(qū)動器 24V 電源繼電器的控制, 公共端接直流 24V 電源正極;10406 和 10407 備用。

2.3 變頻器

為了對夾口整形電機(jī)、 折邊電機(jī)和立袋輸送電機(jī)的速度進(jìn)行控制, 本系統(tǒng)采用了 3 個富士 E11 系列變頻器。這種系列的變頻器體積小, 性能高。0. 5Hz 時電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩為 200% , 低速范圍轉(zhuǎn)矩脈沖比其他系列的變頻器約小 50% , 且具有各種智能化功能,如自動節(jié)能、 PID 控制、 自整定和 RS485 通信等,并增強(qiáng)了維護(hù)和保護(hù)功能, 如增加輸入電涌電流抑制和壽命預(yù)報等。變頻器的工作方式與加減速時間等參數(shù)均可通過操作面板設(shè)置。

2.4 伺服驅(qū)動器

為了對裝袋機(jī)的橫進(jìn)小車進(jìn)行準(zhǔn)確的位置控制,本系統(tǒng)采用伺服電機(jī)對橫進(jìn)小車的往復(fù)運動進(jìn)行控制, 而伺服驅(qū)動器具有使用方便、 控制方式靈活且響應(yīng)速度快的諸多優(yōu)點, 故選擇合適的伺服驅(qū)動器將大大提高控制系統(tǒng)的控制精度, 降低開發(fā)難度。伺服驅(qū)動器的可以通過接受外部脈沖和模擬量實現(xiàn)速度定位控制。本系統(tǒng)因要精確控制橫進(jìn)小車的往復(fù)運動,將通過接收到 PLC 發(fā)出的脈沖的個數(shù), 精確控制伺服電動機(jī)的速度與方向。

經(jīng)過選型, 本控制系統(tǒng)決定采用德國 某公司 SDS4000 系列伺服驅(qū)動器 SDS4101。
   

其中, DC24V 由 PLC 輸出端提供, 伺服使能、 報警清除、 CCW 驅(qū)動禁止、 CW 驅(qū)動禁止、 偏差計數(shù)器清零、指令脈沖禁止以及齒輪比換算等均由 PLC 向伺服驅(qū)動器發(fā)出信號;伺服準(zhǔn)備好、 伺服報警以及定位完成是伺服驅(qū)動器的輸出信號。

3 控制過程

本控制系統(tǒng)以日本可編程控制器為核心, 輸入元件采用德國某公司光電開關(guān)、 接近開關(guān)和日本 某公司的壓力開關(guān);輸出元件采用某公司的變頻器、 德國 的伺服驅(qū)動器、 某公司的交流接觸器和日本 某公司的電磁閥。

PLC I/O 配置為:CPU 單元自帶輸入 16 點, 擴(kuò)展16 點輸入模塊 3 個, 16 點輸出模塊 4 個, 總 I/O 點數(shù)為 128 點。包裝控制單元控制流程圖見圖 3 所示。
   

需特別說明的是取袋、 送袋和抓袋部分:當(dāng)處于工作位置的供袋盤中有包裝袋時, 取袋氣缸伸出, 取袋真空閥接通, 利用真空吸盤將空袋從供袋盤中吸住,待取袋真空開關(guān)檢測真空度滿足要求后, 氣缸桿縮回, 回到取袋回位后, 送袋氣缸縮回, 將空袋送入導(dǎo)向滾輪之間, 空袋由滾輪帶至斜板;當(dāng)空袋沿斜板下降并遮擋斜板下光電時, 托袋電磁閥與整形電磁閥接通, 托袋氣缸伸出, 帶動斜板上的托架托住袋子, 緩慢下降, 同時斜板兩側(cè)的整形氣缸帶動整形板向中間靠攏, 將空袋位置擺正。

托架托著袋子繼續(xù)下降, 橫進(jìn)小車離開抓袋臂運動區(qū)域后, 抓袋閥通電, 抓袋臂向下動作, 到抓袋位置后, 抓袋真空閥接通, 抓袋真空吸盤吸住空袋,并使抓袋閥斷電, 抓袋臂抬起至垂直位置后, 完成一次抓袋。對于 PLC 事實掃描的信號, 若發(fā)生故障信息。
    

4 實驗效果

根據(jù)以上方案設(shè)計完成的包裝機(jī)控制系統(tǒng), 經(jīng)過安裝和調(diào)試, 通過空負(fù)荷運轉(zhuǎn)和整機(jī)帶料調(diào)試等實驗環(huán)節(jié)的測試, 其復(fù)秤靈敏度為 ± 10g, 包裝能力為800bags/h, 誤差率低, 操作簡便, 完全滿足各項生產(chǎn)指標(biāo), 現(xiàn)已投產(chǎn)使用, 客戶反映良好。

5 結(jié)語

實踐證明, 在全自動化肥包裝機(jī)包裝控制單元應(yīng)用 PLC 技術(shù)、 變頻器技術(shù)及伺服驅(qū)動技術(shù)十分有效,其電控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單, 軟件編寫方便, 易于調(diào)試,節(jié)省人力物力, 大大降低了整機(jī)故障發(fā)生率, 提高了工作效率及設(shè)備可靠性。

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