PLC在切片包装系统中的应用

1 引言
济南正昊化纤新材料有限公司化工三厂有一套年产15万吨聚酯熔体的装置，后面配套装置为年产7万吨短丝，剩余熔体经切粒机切成聚酯切片后包装成一吨袋装外销。包装机选用航天部十二所的一吨袋装自动称量包装系统，共有两套。系统采用可编程控制器进行自动控制，本文将重点讨论PLC在包装系统中的应用技术。

2 系统总体
此包装系统总体运用机电一体化技术。可编程控制器(PLC)和称重指示控制仪F701组成测控系统来完成切片的称量、计量、包装的生产工艺过程。该系统以PLC为控制中心，配以称重指示控制仪、气动执行机构、电动执行机构、自动控制部件和机械装置，实现切片的动态在线称重计量和包装工作。系统总统框图如图1。
2.1 电控系统
包装机的控制部件由两部分组成。
(1) 盘装部分：由主控柜、副控柜和两个现场操作盒组成。主控柜内主要有PLC和称重指示控制仪F701以及码盘设定器、袋计数器等。副控柜主要为交流接触器和热继电器，分别控制M1风机电机、M2提升机构电机、M4传送机构电机，其中提升机构由于有升有降，所以用了两个接触器。现场操作盒AR1用于料口升降控制，AR2用于传送控制。
(2) 现场部分：
3个电机M1、M2、M3；
4个两位五通电磁阀配合气缸分别控制投料门1(电磁阀YV1)、投料门2(电磁阀YV2、)排料门(电磁阀YV4)和袋口夹松开(电磁阀YV5)；
6个限位开关，SQ1为投料门关位置，SQ3为排料门关位置，SQ4、SQ5、SQ6、SQ7分别对应装袋提升机构的料口上位、下位、上限、下限；
3个称重传感器BP1、BP2、BP3；
1个光电开关SQ11用于检测料包到传送链板尽头。
主要的机械装置有称量料斗、板式输送机、装袋机构、控制门、排料门等。由于切片是粒状的均匀颗粒，同粉状物料相比流动性好且不粘附，所以靠自重来落料即可，料斗也不用做特殊操作。其中控制门采用的是双闸门，控制门1和2全开时为快投料，控制门2关闭1开启时为慢投料。

图1 系统总体框图
2.2 包装工艺过程
(1) 称量过程：此系统有自动和手动两种操作方式，但手动方式也是由PLC实现的。手动方式主要用于调试、维修和排除故障，所以以自动操作为例介绍。
PLC向F701发扣除皮重信号后 (此时净重立即设置为0) ，打开控制门1和2，由料仓向称量料斗快投料(快投料速度约23kg/s)，当达到预置值时关闭控制门2，将快投料改为慢投料(速度约为2kg/s)，当料量达到落差值时关闭控制门1，投料结束。稳定后PLC向F701发数据保持信号，F701自动的与设置的不足、过量、上限值比较，若适量则“称好”灯亮，若过量或欠量则“超差”灯亮并报警。
(2)提升机构动作及放料过程：将空袋夹在放料口上加好，按AR1的“料口升”按钮待“称好”灯亮后料口自动升到上位，风机启动充气15s，充气结束后打开排料门开始放料，当F701发出接近零信号后5s关闭排料门，然后自动松开袋口夹，同时袋计数加1，PLC向F701发一个皮重复位命令信号(取消去皮重操作)，装满料的袋脱离料口放置在传送机上。
(3)传送过程：按AR2的“传送启动”按钮，M4启动自动传送一个袋位停止，由人工扎袋口，料口自动降至下位。以后每称好一袋，按传送启动按钮袋即顺序向前传送一个工位。如此循环往复。用叉车及时将传送机上的袋叉走。
欠量时允许通过按“慢投”按钮进行补料并自动达到适量;过量时系统除报警外无纠正措施，须按“强制”按钮打开排料门放料。

3 PLC控制系统
3.1 硬件配置
此包装系统的核心控制部分即为PLC。PLC选用的是性价比高和扩展性较好的欧姆龙的C200HE，其硬件配置如图2所示：

图2 PLC布置图
(1) CPU选用SYSMAC C200HE-CPU 42-E，程序容量为7.2k字。
(2)数字量输入卡件(DI)共有4个。型号均为B型ID212的DC输入单元，此卡件支持16点直流电压输入。共使用了32个输入量，包括称重指示控制仪F701的控制输出信号和按钮、旋钮、限位开关的输入。
(3)数字量输出卡件(DO)共有3个。型号为B型OC222继电器输出单元2个，此卡件支持12点继电器输出;A型OD411晶体管输出单元1个，此卡件支持8点输出。共用了20个输出量，包括电磁阀、电机的控制信号、信号灯指示和送到F701的控制信号。
(4) 电源和底板。电源选用PA204，底板选用8槽底板。

3.2 PLC的程序
C200HE的程序用易于理解的梯形图来表示，当使用普通编程器时须把梯形图转换为助记符来输入。C200HE的程序结构虽不是模块化的，但在本系统中通过使用联锁和联锁解除指令-IL(02)和ILC(03)以及跳转和跳转终了指令-JMP(04)和JME(05)使的程序结构类似于模块化。此系统的程序共使用了4组IL、ILC指令。第一组用于检测控制门和排料门的限位开关是否到位，这两个限位开关到位与否是程序步进的关键点，若不到位程序将会停止， 影响包装进度，所以必须及时报警通知操作人员。第二组内嵌套了2组JMP、JME指令，分别对应从称量到放料的自动操作过程和手动操作过程。第三组用于自动传送过程， 第四组用于手动传送过程。
此包装系统的重量检测并未使用模拟量输入卡件，而是通过使用三个并联的称重传感器和称重指示控制仪F701共同检测出来。F701是专门用于单一物料重量称量和控制的仪表，重量这一模拟量信号由F701来处理，而PLC与F701全部是数字量的交接信号。这样使此系统的PLC处理的全是数字量信号，在使控制精度大大提高的同时也使的编程相对简单，无需使用复杂的命令，而且由于重量在掉电再送电后，及运行中发生故障停止运行至排除故障恢复运行后不发生变化，所以不用考虑数据保持功能，即不需使用PLC内的特殊存储器和相应的命令。自动操作程序流程图如图3所示。
下面结合投放料程序梯形图PLC语句来说明一下此包装系统的自动投料过程及PLC与称重指示仪F701的交接信号的关系。用到的DI信号有00000(接近0)、00001(预置值)、00002(落差值)、00003(量不足)、00004(量过量)，以上信号均是从F701送到PLC，还有00009(自动方式的旋钮开关)、00301(限位开关SQ1，投料门关闭时闭合)、00303(限位开关SQ3， 排料门关闭时闭合);DO信号有00700(去皮重信号)、00701(皮重复位信号)、00701(数据保持信号)，以上信号均从PLC送到F701，00600(投料门1开)、00601(投料门2开)、00602(排料门开)、00603(袋口夹松开)。在PLC程序中落差值这一信号有时也当作终值信号使用，因为重量到落差值时关闭控制门结束投料，时间上只存在阀门关闭用时的间隔，落差值的大小就是关闭控制门后还没有落到料斗内的切片重量。程序梯型图如图4所示。
投料条件：第 1、2句是系统第一次开机或每班第一次开始自动包装时的启动条件，此时投料门关闭着将进行投料了。第3句是是第二包开始包装的启动条件， 此时上一包已投料完毕，袋口夹已松开投料门也关闭着。第4句是在上两个条件任意一个满足且排料门关闭着时具备了投料条件。
投料过程：第5句是在投料前PLC向F701发一个0.12秒的脉冲进行去皮重操作，此时F701将净重立即设置为0。第6、7、10、11句，内部I/O位09010是重量未到预置值，这之前00600、00601均动作打开投料门1、2，此时为大投料；预置值00001到时09010为0，此时00601失电投料门2关闭改为小投料。03009是重量未到终值(落差值)，这之前00600动作打开投料门1，即预置值已到而终值未到时投料门1开着，此时为小投料，终值到时03009为0，00600失电关闭投料门1，结束投料。
放料过程：第8、9句是称量斗终值已到4.5s后，PLC向F701发数据保持指令，此时进行重量比较。第12、13句，03006是充气结束标志，排料控制09012为重量未超差且充气结束后为1，此时00602得电打开排料门放料，放料到接近0后5s09012为0，00602失电关闭排料门可保证料已排尽。第14句是排料结束后PLC向F701发一个0.12s的脉冲进行皮重复位操作，即取消投料前的去皮重操作。这样循环返回后再进行去皮重操作，保证每次称量的都是净重量。

图3 自动操作程序流程图

图4 投放料程序梯形图
4 结束语
包装是产品进入流通领域的必要条件，而实现包装的主要手段是使用包装机械。称量包装的准确与否将直接影响到企业的信誉和经济效益。C200HE虽是比较早期的产品，但由于包装机的操作人员就在现场，并不需要连接工控机、操作面板等显示操作设备，配以信号灯和报警音响即可，而且处理的信号全部是数字量的，所以C200HE在此包装系统中也是性价比很高的配置。此包装系统最大包装能力为32袋/H，操作人员只需2至3人，操作简单方便。控制系统采用PLC控制，可确保系统的可靠性和控制精确度。称量精度设计为1000kg±0.8k，该系统自使用以来，经过计量部门两次测试，整个系统的动态计量精度优于0.2‰。自装置开车产品外销以来也没有客户反映产品有重量问题，很好的维护了公司信誉。
作 者 ：济南正昊化纤新材料有限公司 李 锋 杜宏伟 朱学余

本文摘自《PLC&FA》