基于PLC的噴膠控制系統(tǒng)設(shè)計
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，當加熱到一定溫度時轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄕ扯鹊牧鲃右后w，該液體噴涂在物體表面，并經(jīng)壓合可在短時間內(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)強度、熔化溫度、抗拉強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，EVA樹脂的粘結(jié)力及對被粘物體表面滲透力的降低。為了在熔融溫度、膠體流動性、浸潤性，以及凝固速度之間取得最佳的結(jié)合點，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，當加熱至80℃時，膠體開始軟化并熔動；135～200℃為熔化區(qū)域，此時膠體熱熔成可流動的液體，通過對該液體施加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度。在整個噴膠控制過程中，加熱溫度不可超過200℃，否則膠體有燃燒的危險。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
粘箱式紙板裝箱機的主要工序是將熱熔膠噴在紙板上，噴膠位置、噴膠長度及噴膠時間等參數(shù)的準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。控制器通過溫度檢測器和壓力檢測器判別熱熔膠的溫度和壓力，一旦達到工作要求，則驅(qū)動電磁閥換向，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，再通過電機帶動噴膠頭移動，即可在紙箱表面噴射出一定長度的膠條。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比的角度，綜合比較了PLC、單片機及工控機的控制特點，選用日本三菱(MITSUBISHI)公司的FX1N-40MR PLC作為控制器，實現(xiàn)點噴膠系統(tǒng)現(xiàn)場數(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，配制靈活等特點，既可以作為單獨的PLC控制機，在單一平臺上實現(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)場總線與多臺PLC組成分布式的大型控制系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)線的批量化操作控制。
文中的點噴膠控制系統(tǒng)應(yīng)用于紙箱的粘合，要求能夠在一個紙箱的三個受膠面上(兩個側(cè)面和一個頂面)實現(xiàn)準確的連續(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包括激活噴膠的輸入點、機器已經(jīng)準備運行的輸入點、加熱和壓縮空氣已足夠的輸入點以及檢測門被打開和急停被按下的檢測輸入點。系統(tǒng)所需要使用的輸出點包括控制頂噴膠和側(cè)噴膠氣閥開關(guān)用的輸出點、控制頂噴膠馬達離合器的接合或分離的輸出點、在機器運行中加熱降溫或壓縮空氣的氣壓不足需要停機的輸出點和在機器運行中門被意外打開或急停被按下需要停機的輸出點。
2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
PLC為周期掃描工作方式，因此將系統(tǒng)主功能設(shè)計成圖3所示的主程序。在每一個掃描周期內(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模塊、緊急停止與安全門開關(guān)檢測模塊等則設(shè)計為子程序供調(diào)用。
PLC一個掃描周期包括三個階段，依次為輸入掃描、程序執(zhí)行和輸出刷新。首先按下設(shè)備啟動按鈕，空氣壓縮機和熔膠系統(tǒng)工作，通過空氣壓力繼電器和溫控器檢測工作溫度和壓力，當這兩個參數(shù)達到設(shè)定值時，空氣壓力繼電器和溫控器的常開觸點閉合，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、噴膠時間及噴膠量等過程參數(shù)，同時檢測噴膠頭安全門是否全部關(guān)閉。由于噴膠工作室溫度達到150℃且以噴射方式工作，因此噴膠頭周圍安裝有有機玻璃的防護安全門，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)備實時運行狀況。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。
噴膠長度的控制實際是通過控制電機帶動噴膠頭沿設(shè)定軌跡運動來實現(xiàn)，電機的連續(xù)轉(zhuǎn)動和噴膠頭的同步噴膠即可獲得一個特定長度的膠條。通過在PLC內(nèi)設(shè)定噴膠時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)，當熔膠壓力達到設(shè)定值以后，電磁閥得電換向，噴膠頭打開開始噴膠；當達到設(shè)定時間以后，電磁閥失電再換向，噴膠頭關(guān)閉。
2．3 精度控制的補償算法
電磁閥是一種具有較大延時的執(zhí)行元件，它的開啟和關(guān)閉均需要經(jīng)歷一定的時間，雖然這個時間只有毫秒級，且當噴膠頭移動速度較低時，由于電磁閥延時打開或關(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，建立一個誤差修正補償?shù)臄?shù)學(xué)模型，即提供一個與相關(guān)影響因素有關(guān)的超前、滯后修正量，以補償由于電磁閥延遲所導(dǎo)致的位置及長度誤差。由于無法直接抽象出各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，因此采用高次多項式逼近法，構(gòu)造相應(yīng)的補償曲線如式(1)所示，利用最小二乘法進行多項式的擬合求解。
令：x表示噴膠頭移動的速度；y表示相應(yīng)的補償量，則選取m個實驗數(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)多項式進行擬合。考慮到精度與速度平衡統(tǒng)一，經(jīng)實驗驗證分析選取m=2，n=4，利用克萊姆(Cramer)算法求解出系數(shù)a)，a1，即可得補償曲線方程式：
y=φ(x)=a0+a1x (3)
對多個噴膠控制頭分別計算誤差補償曲線方程式，即可實現(xiàn)多個噴膠頭同時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、硬件兩部分進行。硬件調(diào)試主要檢查電控元件是否正常可靠工作，線路連接是否正確，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)線上的實際運行表明，PLC控制噴膠系統(tǒng)達到了實際生產(chǎn)的要求，系統(tǒng)可靠性高，易擴展，維護方便，抗干擾能力強。
4 結(jié) 語
紙箱封箱的熱熔膠噴射粘結(jié)工藝有著嚴格的順序控制要求，應(yīng)用PLC對噴膠過程進行控制，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。通過對影響噴膠速度和精度相關(guān)因素的研究，利用誤差補償模型的分析結(jié)果進行實時控制調(diào)整，使噴膠控制系統(tǒng)能夠?qū)Χ喾N規(guī)格類型的紙箱進行多方位、多形式、高準確度的噴膠加工，表現(xiàn)出良好的靈活性和可靠性。在對被控對象合理分析的基礎(chǔ)上并兼顧成本要求，該系統(tǒng)還具備良好的拓展性；在對系統(tǒng)軟硬件進行適宜調(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象。
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