基于PLC的噴膠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 現(xiàn)代商業(yè)生產(chǎn)流通領(lǐng)域中，產(chǎn)品都離不開包裝，而紙箱包裝又在該領(lǐng)域中得到最廣泛的應(yīng)用。常見的紙板式裝箱機(jī)主要有粘箱式和釘箱式兩種。粘箱式的工作原理是利用熔膠系統(tǒng)將熱熔膠熔解為液體，再通過電磁閥控制噴嘴閥芯，在壓縮空氣的作用下將熔化了的熱熔膠呈條狀噴射到紙箱表面，熱熔膠冷卻后即完成粘合。粘箱式工藝由于不含金屬釘而更有利于保證內(nèi)包裝物品的安全性，對(duì)于內(nèi)裝軟質(zhì)物體和液態(tài)物體就顯得更為重要，同時(shí)也顯著提高了紙箱的強(qiáng)度，有利于被包裝物品的長(zhǎng)途運(yùn)輸。另外，由于無需除釘，紙箱回收再利用的環(huán)保效果明顯，該方法中熱熔膠封合控制的好壞直接影響到到產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本。根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的噴膠控制系統(tǒng)，可根據(jù)紙箱規(guī)格形式的不同，靈活地調(diào)整膠體的噴射長(zhǎng)度、噴射方式及噴射時(shí)間，實(shí)現(xiàn)噴點(diǎn)、噴條或噴霧等多種出膠形式。

1 熱熔膠特性分析
    乙烯一醋酸乙烯共聚物(EVA)是噴膠系統(tǒng)普遍使用的一種熱熔膠，它是一種不需溶劑，不含水分的固態(tài)可熔性聚合物。EVA在常溫下為固體，當(dāng)加熱到一定溫度時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄕ扯鹊牧鲃?dòng)液體，該液體噴涂在物體表面，并經(jīng)壓合可在短時(shí)間內(nèi)完成粘結(jié)固化。它的主要構(gòu)成成分為EVA樹脂、增粘劑和粘度調(diào)節(jié)劑。作為主成分的EVA樹脂直接決定著熱熔膠的性能，如粘結(jié)強(qiáng)度、熔化溫度、抗拉強(qiáng)度以及耐溫變形性能等。增粘劑一般采用聚合松香或萜烯，它的加入主要是防止溫度下降時(shí)，EVA樹脂的粘結(jié)力及對(duì)被粘物體表面滲透力的降低。為了在熔融溫度、膠體流動(dòng)性、浸潤(rùn)性，以及凝固速度之間取得最佳的結(jié)合點(diǎn)，常采用微晶石蠟或石蠟作為粘度調(diào)節(jié)劑。熱熔膠的溫度與物理狀態(tài)特性如圖1所示。

    圖1中：80～135℃為軟化區(qū)域，當(dāng)加熱至80℃時(shí)，膠體開始軟化并熔動(dòng)；135～200℃為熔化區(qū)域，此時(shí)膠體熱熔成可流動(dòng)的液體，通過對(duì)該液體施加5×104～1×105Pa的壓力，可控制膠體噴射到被粘物體表面的膠體長(zhǎng)度。在整個(gè)噴膠控制過程中，加熱溫度不可超過200℃，否則膠體有燃燒的危險(xiǎn)。EVA熱熔膠的冷卻固化通常是在室溫下完成的，較理想的溫度以15～26℃為宜，濕度應(yīng)保持在50％左右。

2 PLC控制噴膠系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    粘箱式紙板裝箱機(jī)的主要工序是將熱熔膠噴在紙板上，噴膠位置、噴膠長(zhǎng)度及噴膠時(shí)間等參數(shù)的準(zhǔn)確控制都直接影響到紙箱成型的質(zhì)量、美觀和成本的控制，熱熔膠系統(tǒng)控制原理如圖2所示?？刂破魍ㄟ^溫度檢測(cè)器和壓力檢測(cè)器判別熱熔膠的溫度和壓力，一旦達(dá)到工作要求，則驅(qū)動(dòng)電磁閥換向，然后壓縮空氣經(jīng)膠管、膠分配器和開關(guān)被送到噴嘴，熔融狀態(tài)的EVA被噴射到紙箱表面，再通過電機(jī)帶動(dòng)噴膠頭移動(dòng)，即可在紙箱表面噴射出一定長(zhǎng)度的膠條。噴射結(jié)束后，電磁閥復(fù)位，壓縮空氣被截止而終止噴膠。通過人機(jī)接口可設(shè)置和顯示相關(guān)過程控制參數(shù)。

2．1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
    從噴膠的加工工藝特性與性價(jià)比的角度，綜合比較了PLC、單片機(jī)及工控機(jī)的控制特點(diǎn)，選用日本三菱(MITSUBISHI)公司的FX1N-40MR PLC作為控制器，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)噴膠系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換及控制功能。三菱FX1N-40MR PLC具有結(jié)構(gòu)緊湊，通用性強(qiáng)，配制靈活等特點(diǎn)，既可以作為單獨(dú)的PLC控制機(jī)，在單一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)高速離散控制和復(fù)雜過程控制；也可以作為I／O子站，通過現(xiàn)場(chǎng)總線與多臺(tái)PLC組成分布式的大型控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的批量化操作控制。
    文中的點(diǎn)噴膠控制系統(tǒng)應(yīng)用于紙箱的粘合，要求能夠在一個(gè)紙箱的三個(gè)受膠面上(兩個(gè)側(cè)面和一個(gè)頂面)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的連續(xù)噴膠和間斷噴膠，PLC控制系統(tǒng)的I／O分配如表1所示。系統(tǒng)所需要使用的輸入點(diǎn)包括激活噴膠的輸入點(diǎn)、機(jī)器已經(jīng)準(zhǔn)備運(yùn)行的輸入點(diǎn)、加熱和壓縮空氣已足夠的輸入點(diǎn)以及檢測(cè)門被打開和急停被按下的檢測(cè)輸入點(diǎn)。系統(tǒng)所需要使用的輸出點(diǎn)包括控制頂噴膠和側(cè)噴膠氣閥開關(guān)用的輸出點(diǎn)、控制頂噴膠馬達(dá)離合器的接合或分離的輸出點(diǎn)、在機(jī)器運(yùn)行中加熱降溫或壓縮空氣的氣壓不足需要停機(jī)的輸出點(diǎn)和在機(jī)器運(yùn)行中門被意外打開或急停被按下需要停機(jī)的輸出點(diǎn)。

2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    PLC為周期掃描工作方式，因此將系統(tǒng)主功能設(shè)計(jì)成圖3所示的主程序。在每一個(gè)掃描周期內(nèi)該主程序均被執(zhí)行，而頂噴膠控制模塊、側(cè)噴膠控制模塊、空氣壓力與加熱檢測(cè)模塊、緊急停止與安全門開關(guān)檢測(cè)模塊等則設(shè)計(jì)為子程序供調(diào)用。

    PLC一個(gè)掃描周期包括三個(gè)階段，依次為輸入掃描、程序執(zhí)行和輸出刷新。首先按下設(shè)備啟動(dòng)按鈕，空氣壓縮機(jī)和熔膠系統(tǒng)工作，通過空氣壓力繼電器和溫控器檢測(cè)工作溫度和壓力，當(dāng)這兩個(gè)參數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，空氣壓力繼電器和溫控器的常開觸點(diǎn)閉合，噴膠工作的初始條件完成，否則易出現(xiàn)不噴膠或溢出而非噴射的現(xiàn)象。然后PLC讀取通過控制面板輸入的噴膠方式、噴膠時(shí)間及噴膠量等過程參數(shù)，同時(shí)檢測(cè)噴膠頭安全門是否全部關(guān)閉。由于噴膠工作室溫度達(dá)到150℃且以噴射方式工作，因此噴膠頭周圍安裝有有機(jī)玻璃的防護(hù)安全門，在正常工作狀態(tài)下，安全門關(guān)閉，既保證工作安全，又便于觀察設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況。如果安全門由于某種原因突然被打開，則設(shè)備緊急停止，待安全門正常關(guān)閉后，按下復(fù)位按鈕，設(shè)備繼續(xù)工作。之后，電磁閥得電換向，噴膠頭打開，熔膠在自身的壓力下噴出。
    噴膠長(zhǎng)度的控制實(shí)際是通過控制電機(jī)帶動(dòng)噴膠頭沿設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，電機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)和噴膠頭的同步噴膠即可獲得一個(gè)特定長(zhǎng)度的膠條。通過在PLC內(nèi)設(shè)定噴膠時(shí)間便可以在要求的范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)膠量的大小。通過控制噴膠頭以間歇方式工作可在紙箱側(cè)面獲得斷續(xù)的膠段。噴膠頭的打開與關(guān)閉由電磁閥的換向?qū)崿F(xiàn)，當(dāng)熔膠壓力達(dá)到設(shè)定值以后，電磁閥得電換向，噴膠頭打開開始噴膠；當(dāng)達(dá)到設(shè)定時(shí)間以后，電磁閥失電再換向，噴膠頭關(guān)閉。
2．3 精度控制的補(bǔ)償算法
    電磁閥是一種具有較大延時(shí)的執(zhí)行元件，它的開啟和關(guān)閉均需要經(jīng)歷一定的時(shí)間，雖然這個(gè)時(shí)間只有毫秒級(jí)，且當(dāng)噴膠頭移動(dòng)速度較低時(shí)，由于電磁閥延時(shí)打開或關(guān)閉造成的誤差較小?？紤]到生產(chǎn)效率的因素，提高噴膠頭移動(dòng)速度成為必然，但由此造成的誤差也明顯增大。為了盡可能減小此誤差所造成的影響，在分析噴膠頭移動(dòng)速度、噴膠壓力及電磁閥閉合特性相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立一個(gè)誤差修正補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型，即提供一個(gè)與相關(guān)影響因素有關(guān)的超前、滯后修正量，以補(bǔ)償由于電磁閥延遲所導(dǎo)致的位置及長(zhǎng)度誤差。由于無法直接抽象出各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，因此采用高次多項(xiàng)式逼近法，構(gòu)造相應(yīng)的補(bǔ)償曲線如式(1)所示，利用最小二乘法進(jìn)行多項(xiàng)式的擬合求解。

   
    令：x表示噴膠頭移動(dòng)的速度；y表示相應(yīng)的補(bǔ)償量，則選取m個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(xi，yi)，其中i=1，2，…，n。通過最小二乘法構(gòu)造如式(2)所示的關(guān)系矩陣，求解關(guān)于a0，a1，…，am的線性方程組，可得x，y之間的近似函數(shù)關(guān)系。

   
    令：ωi=1，即取{1，x，…，xm)為基函數(shù)的代數(shù)多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。考慮到精度與速度平衡統(tǒng)一，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析選取m=2，n=4，利用克萊姆(Cramer)算法求解出系數(shù)a)，a1，即可得補(bǔ)償曲線方程式：
    y=φ(x)=a0+a1x (3)
    對(duì)多個(gè)噴膠控制頭分別計(jì)算誤差補(bǔ)償曲線方程式，即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)噴膠頭同時(shí)多工位的粘箱加工控制。

3 系統(tǒng)調(diào)試
    PLC控制系統(tǒng)的調(diào)試分軟、硬件兩部分進(jìn)行。硬件調(diào)試主要檢查電控元件是否正?？煽抗ぷ鳎€路連接是否正確，抗干擾措施是否合理。軟件調(diào)試先分模塊再系統(tǒng)總體調(diào)試，逐步分析程序運(yùn)行是否符合控制要求，消除異常情況的發(fā)生。經(jīng)在某紙箱粘箱生產(chǎn)線上的實(shí)際運(yùn)行表明，PLC控制噴膠系統(tǒng)達(dá)到了實(shí)際生產(chǎn)的要求，系統(tǒng)可靠性高，易擴(kuò)展，維護(hù)方便，抗干擾能力強(qiáng)。

4 結(jié) 語
    紙箱封箱的熱熔膠噴射粘結(jié)工藝有著嚴(yán)格的順序控制要求，應(yīng)用PLC對(duì)噴膠過程進(jìn)行控制，可最大程度地消除傳統(tǒng)繼電器接觸器控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)。通過對(duì)影響噴膠速度和精度相關(guān)因素的研究，利用誤差補(bǔ)償模型的分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)控制調(diào)整，使噴膠控制系統(tǒng)能夠?qū)Χ喾N規(guī)格類型的紙箱進(jìn)行多方位、多形式、高準(zhǔn)確度的噴膠加工，表現(xiàn)出良好的靈活性和可靠性。在對(duì)被控對(duì)象合理分析的基礎(chǔ)上并兼顧成本要求，該系統(tǒng)還具備良好的拓展性；在對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行適宜調(diào)整的情況下，該系統(tǒng)可以適用于新的加工形式和控制對(duì)象。