永宏PLC在一次性水杯包装机上的应用

1 引言

一次性塑料水杯开始广泛传播始于上世纪70年代末，凭借其便捷、卫生等特质，使其在餐饮业备受器重。塑料杯制造业的快速发展主要是因为这些塑料制品是方便和省时的。目前，塑料杯广泛应用于饮料店、热冷饮店、奶茶店、酒店、餐厅和咖啡店，提供各种塑料杯装的外带饮品和现场使用。产品图片参见图1-1所示。

图1-1 产品图片

一次性水杯包装机如图1-2所示，是当今一次性塑料杯行业最为常见的包装设备。随着我国经济的持续发展和科学技术的突飞猛进，该设备被广泛应用于一次性塑料杯制造领域的包装自动化作业，可以快速把一次性水杯按设定数量进行包装。很好的提高了生产效率、节约了人工成本，降低了劳动强度、改善了生产环境。

图1-2 一次性水杯包装机

2 系统设计方案

2.1 方案背景

一次性水杯包装机是根据传统的人工叠放塑料杯进行包装设计开发的一款全自动的包装设备，相对于人工操作包装，自动包装机械比人工更快，包装精度更高，无人工接触更加卫生。全自动包装机控制多采用PLC控制系统，PLC不但能满足客户的控制要求，而且系统稳定性好、可操控性高。本文主要以永宏PLC在一次性水杯包装机械上的应用为背景，对该方案的硬件设计、软件设计和实施结果（应用效果）进行了详细的阐述和说明。

2.2 客户需求

根据机械结构和工艺要求，客户要求拥有以下功能，首先要求可进行手动控制伺服电机、气缸等，有模拟启动和单独启动功能，HMI显示当前当前包装机运行状态、链条当前位置显示等功能。总而言之，一次性水杯包装机既需要很好的实现多种控制要求，同时也需要很好的实现多种工艺要求。一次性水杯包装机具体工艺及功能要求如表2-2所示。

表2-2 一次性水杯包装机具体工艺及功能要求

2.3 解决方案

根据控制及工艺要求，一次性水杯包装机控制方案主要包括系统硬件设计和系统软件设计；其中系统硬件设计包括硬件（产品）配置、机械结构、气动控制和电气控制等四部分；系统软件设计包括流程控制、I/O配置和程序设计等三部分；一次性水杯包装机的设计参数如表2-3所示；一次性水杯包装机实物图如图2-4所示。

表2-3 一次性水杯包装机设计参数

基于上述各项技术指标，一次性水杯包装机系统方案架构如图2-4所示。本方案控制系统采用永宏FBs系列高功能型PLC控制器，主要控制一次性水杯包装机的整体动作。上位机（操作系统）采用通用HMI操作界面，用于进行功能选择、参数设置和手动控制等用户操作。

图2-2 一次性水杯包装机系统方案架构图

3 系统硬件设计

一次性水杯包装机的系统硬件设计主要包括四部分：硬件配置、机械结构、电动控制和电气控制；其中硬件配置主要对电气产品的配置进行了说明，机械结构主要对结构的组成和结构的解析进行了说明，电动控制主要对电动部分的组成进行了说明，电气控制主要对主电路控制、控制电路控制和电气柜配线等进行了说明。

3.1 硬件配置

一次性水杯包装机需要控制3个伺服和1个步进电机及多个气阀。所以采用1台FBs-40MCT2-AC（主机）作为整台设备的控制系统；上位机采用HMI触摸屏界面用于数据监控及参数设置。伺服及步进电机采用伺服和步进驱动器控制；其它执行单元选用电磁阀等；检测单元选用光纤感应器和接近开关。整套配置方案能够帮助客户节约很多系统成本。一次性水杯包装机系统硬件清单如表3-1所示。

表3-2  一次性水杯包装机硬件明细表

3.2 电气控制

一次性水杯包装机的电气控制主要分为主电路和控制电路两部分。主电路采用AC220V供电，进线采用2平方的单芯红色PVC线、普通电机等采用1.5平方的单芯红色PVC线，零线采用1.5平方的蓝色单芯PVC线、地线采用2平方的单芯黄绿PVC线；主电路主要给开关电源、震动电机、步进驱动器等部件供电，并通过电源指示灯来进行电源显示；控制电路采用DC24V供电，信号或电源（+）线采用0.5平方的多芯红色PVC线、信号或电源（-）线采用0.5平方的多芯黑色PVC线；控制电路主要给PLC、HMI操作界面、传感器和指示灯等控制信号供电；控制电路还采用普通继电器等电气部件进行控制电路中间转换控制。一次性水杯包装机的电气控制中通讯控制接线主要为PLC与变频之间通讯控制。一次性水杯包装机主电路原理图如图3-3所示；一次性水杯包装机主站PLC控制电路原理图如图3-4所示。

图3-3 一次性水杯包装机主电路原理图

图3-4 一次性水杯包装机PLC控制电路原理图

一次性水杯包装机的电控柜配置主要包括对控制单元（PLC）、执行单元（步进电机、震动电机、普通电磁阀等）、供电单元（开关电源、空气开关电源插座等）和连接单元（端子台）的电气配线。

4 系统软件设计

一次性水杯包装机的系统软件设计主要包括三部分：流程控制、I/O点配置和程序设计；其中流程控制主要对工艺流程和控制流程进行了说明，I/O点配置主要对PLC输入输出点配置和直流电机控制器接线引脚配置进行了说明，程序设计主要对PLC程序和HMI程序进行了说明。一次性水杯包装机的系统软件设计架构图如图4-1所示。

图4-1 一次性水杯包装机系统软件设计架构图

4.1 流程控制

一次性水杯包装机工艺流程如图4-2所示，工艺流程主要分为三个部分：

（1）拉膜部分，链条松料部分，数杯部分。还有辅助的报警功能等。

（2）手动控制：对设备每个电机以及电磁阀单独操作。

（3）拉膜控制：拉动包装膜到设定长度并进行封装。

（4）链条送料控制：通过伺服链条对水杯进行推送。

（5）数杯部分：步进输送带输送水杯并通过高速计数进行数杯。

图4-2 一次性水杯包装机工艺流程图

5 结束语

    通过现场调试，一次性水杯包装机具有结构简单、操作简单、便于维护、生产效率高、生产质量高等优点，是一款性能稳定、用途广泛的通用机型，包装范围广、可实现多种杯子在一台机器上的包装，而且设备在高速运转下运行平稳、废品率低，使用寿命长，生产效率高；从而可以为客户提高生产效率，降低劳动强度，节约人工成本，改善生产环境。该设备在一次性塑料杯领域得到了越来越广泛的应用，以其高速度、高精度、高稳定性和很强的适用性，同时也得到了越来越多的客户认可。