蔣銳，何邦貴，王巖，王超，姚傳紅

摘 ?要： 針對(duì)目前試卷袋手工封口和手工施膠入闈時(shí)間長(zhǎng)、效率低、可靠性差等缺點(diǎn)，對(duì)具體的生產(chǎn)工藝過程、控制需求和控制元件進(jìn)行了分析，并對(duì)控制方案進(jìn)行選擇，確定以PLC控制作為最佳的控制方案，進(jìn)行了PLC與伺服系統(tǒng)的連接和PLC與HMI通信連接，為進(jìn)一步的具體控制實(shí)現(xiàn)，軟硬件的選型和編程提供了參考，為后續(xù)試卷袋密封及自動(dòng)施膠自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 試卷袋;封口;施膠;PLC

中圖分類號(hào)： TP273 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.12.017

本文著錄格式：蔣銳，何邦貴，王巖，等. 試卷袋密封及自動(dòng)施膠控制流程研究[J]. 軟件，2019，40（12）：7376

Research on Test Bag Sealing and Automatic Sizing Control Process

JIANG Rui1， HE Bang-gui1， WANG Yan1， WANG Chao2， YAO Chuan-hong3

（1. Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China; 2. Yunnan Institute of Printing Technology，

Kunming 650231， China; 3. Yunnan Xinhua Fifth Printing Plant， Kunming 650224， China）

【Abstract】： In view of the shortcomings of manual sealing and manual sizing of the test bag， such as long time， low efficiency and poor reliability， the specific production process， control requirements and control components were analyzed， and the control scheme was selected to determine PLC control. The best control scheme， the connection between PLC and servo system and PLC and HMI communication connection， provide reference for further specific control implementation， software and hardware selection and programming， for subsequent test bag sealing and automatic glue automation. The realization laid the foundation.

【Key words】： Test bag; Sealing; Sizing; PLC

0 ?引言

試卷印制是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)過程，除了要保證傳統(tǒng)的印刷質(zhì)量外，更重要的是在整個(gè)生產(chǎn)過程中的安全、保密以及試卷的時(shí)效性[1]。由于試卷產(chǎn)品的多變性和多樣性，導(dǎo)致對(duì)試卷袋密封和施膠工作長(zhǎng)期停留在手工作業(yè)上，整個(gè)試卷的生產(chǎn)效率不高。而且未實(shí)現(xiàn)對(duì)試卷內(nèi)容的保密，試卷印制企業(yè)需要對(duì)能接觸到試卷內(nèi)容印、裝、封各環(huán)節(jié)工人進(jìn)行大量時(shí)間的入闈管理[2]。傳統(tǒng)的手工生產(chǎn)越來越難以滿足社會(huì)考試的需求，因此，急需研發(fā)試卷袋密封等關(guān)鍵技術(shù)以及集成創(chuàng)新形成的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，來提高企業(yè)試卷的保密性和生產(chǎn)效率。隨著PLC（可編程邏輯控制器）的出現(xiàn)[3]，運(yùn)用PLC來實(shí)現(xiàn)在試卷袋密封及自動(dòng)施膠流程的控制，將實(shí)現(xiàn)試卷袋生產(chǎn)自動(dòng)化，減少試卷印制企業(yè)員入闈數(shù)量，提高試卷生產(chǎn)效率和可靠性。

本文以實(shí)際研發(fā)改造項(xiàng)目為基礎(chǔ)，以試卷袋密封和自動(dòng)施膠為控制對(duì)象，通過PLC實(shí)現(xiàn)試卷袋不同尺寸、機(jī)械不同運(yùn)轉(zhuǎn)速度、施膠長(zhǎng)度和時(shí)間控制以及產(chǎn)品是否符合標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)，達(dá)到整個(gè)工藝流程的控制，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

1 ?試卷袋生產(chǎn)工藝過程分析

試卷袋密封及自動(dòng)施膠工藝的研究是在調(diào)研現(xiàn)有手工封口的基礎(chǔ)上，包括第一次涂膠、折舌、壓合、計(jì)數(shù)、第二次涂膠，梳理和構(gòu)建試卷袋由手工密封到設(shè)備自動(dòng)密封工藝過程。創(chuàng)新試卷袋自動(dòng)密封機(jī)構(gòu)方案，以機(jī)電一體化設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)試卷袋密封設(shè)備自動(dòng)化控制的方案。

2 ?功能控制需求分析

2.1 ?第一次涂膠機(jī)構(gòu)

如圖1，藍(lán)色部分代表移動(dòng)的試卷袋，在傳送帶上工作;黃色部分表示已經(jīng)設(shè)計(jì)出的噴嘴涂膠機(jī)構(gòu)。實(shí)際工作中，將傳送帶上的試卷袋傳送到涂膠機(jī)構(gòu)，當(dāng)試卷袋接近涂膠噴嘴時(shí)，噴嘴上的傳感器收到信號(hào)，對(duì)試卷袋進(jìn)行涂膠，第一次涂膠位置為如圖2所示的藍(lán)色部分，傳感器感應(yīng)到試卷袋到位后進(jìn)行涂膠，試卷袋離開即停止。

圖1 ?涂膠及傳送帶機(jī)構(gòu)

Fig.1 ?Gluing and conveyor mechanism

圖2 ?第一次涂膠位置

Fig.2 ?First glue position

為了滿足實(shí)際工作的所有需求，需要在機(jī)構(gòu)中添加點(diǎn)動(dòng)、連續(xù)運(yùn)動(dòng)兩種形式，同時(shí)為了保持機(jī)構(gòu)運(yùn)作安全，在啟動(dòng)連續(xù)運(yùn)動(dòng)后，不可以直接進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)作，需要有3秒左右時(shí)間，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行預(yù)熱，也起到對(duì)周圍人群進(jìn)行預(yù)警的作用。除了3秒的預(yù)熱預(yù)警，還需要具有急停的功能，以保證特殊情況機(jī)械和人身的安全。同時(shí)為了方便機(jī)械的維護(hù)，除了正常運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)械需要滿足反轉(zhuǎn)的功能。

出于安全考慮，需加入機(jī)構(gòu)開始運(yùn)作前的安全指示裝置，本次設(shè)計(jì)擬在傳送帶兩端加上警示燈，開始工作時(shí)需要亮1-2下，以起到安全警示的作用。

2.2 ?折舌機(jī)構(gòu)和壓合機(jī)構(gòu)

傳送帶通過上一個(gè)涂膠機(jī)構(gòu)后，進(jìn)入折舌機(jī)構(gòu)和壓合機(jī)構(gòu)，如圖3所示，當(dāng)折舌機(jī)構(gòu)和壓合機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)作時(shí)，試卷袋舌頭分別通過圖3中左下角紅色的上下折刀進(jìn)行折舌和后面上下壓緊皮帶進(jìn)行壓合，折舌效果如圖4所示。

圖3 ?折舌和壓合機(jī)構(gòu)

Fig.3 ?Folding tongue and pressing mechanism

圖4 ?折舌效果圖

Fig.4 ?Folding tongue renderings

2.3 ?計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)

為了方便試卷袋的計(jì)數(shù)、打包等工作，在壓合機(jī)構(gòu)后或者其中，可以加上光電傳感器對(duì)通過傳感器的試卷袋進(jìn)行感應(yīng)，通過傳感器傳到的感應(yīng)信息進(jìn)行試卷袋計(jì)數(shù)，以確定通過試卷袋的數(shù)目。

2.4 ?第二次涂膠機(jī)構(gòu)（試卷袋密封簽位置涂膠）

如圖5為二次涂膠機(jī)構(gòu)示意圖，二次涂膠機(jī)構(gòu)的涂膠部位由多個(gè)噴嘴組成，噴嘴置于支撐架上，支撐架與傳送帶連接，類似第一涂膠機(jī)構(gòu)。當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)作時(shí)，當(dāng)感應(yīng)到試卷袋由傳送帶帶動(dòng)到噴嘴下時(shí)，多個(gè)涂膠噴嘴同時(shí)噴膠，噴膠距離為此次涂膠所需寬度，第二次涂膠位置為如圖6所示的綠色部分，在噴嘴噴完固定的距離后，噴嘴就會(huì)停止噴膠的動(dòng)作。

圖5 ?二次涂膠機(jī)構(gòu)

Fig.5 ?Secondary spray mechanism

圖6 ?二次噴膠位置

Fig.6 ?Second spray position

二次涂膠機(jī)構(gòu)所需控制與一次涂膠類似，為了安全及維護(hù)性考慮，需要滿足兩個(gè)機(jī)構(gòu)的點(diǎn)動(dòng)、連續(xù)工作（3秒延遲后正式開始工作）、停止、急停、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)等功能。

由于設(shè)備中涉及到多個(gè)部分第一施膠機(jī)構(gòu)、折舌機(jī)構(gòu)、壓合機(jī)構(gòu)和二次施膠機(jī)構(gòu)等多個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，這些部分都需要點(diǎn)擊動(dòng)力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此，多機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)控制也是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，需要進(jìn)行順序的慎重安排，同時(shí)每個(gè)步驟都需要有相關(guān)的尖刺機(jī)構(gòu)，以使整個(gè)設(shè)備達(dá)到精確的運(yùn)行，確保試卷袋可以有良好密封，施膠精準(zhǔn)。各個(gè)部分相關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確無誤，以達(dá)到理想效果。

在運(yùn)作過程中，為了實(shí)際使用的方便和計(jì)數(shù)方便，需要設(shè)計(jì)一個(gè)顯示屏，進(jìn)行整個(gè)裝置的動(dòng)作控制以及機(jī)構(gòu)的狀態(tài)顯示。

3 ?試卷袋的過程控制方案

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，需要用到的輸出電器元

件有：傳送帶伺服電機(jī)、壓合機(jī)構(gòu)傳送帶伺服電機(jī)、二次涂膠傳送帶伺服電機(jī)、傳送帶伺服控制器、壓合機(jī)構(gòu)傳送帶伺服控制器、二次涂膠傳送帶伺服控制器、涂膠機(jī)構(gòu)的移動(dòng)噴嘴的橫移異步電機(jī)、折舌機(jī)構(gòu)傳送帶異步電機(jī)、涂膠電磁閥、需要用到的輸入電氣元件有：開關(guān)按鈕、旋轉(zhuǎn)開關(guān)、光電開關(guān)、對(duì)射開關(guān)、顯示元件為觸摸屏HMI顯示監(jiān)控。

3.1 ?PLC控制方案設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)里面，涂膠機(jī)的控制器可以采用單片機(jī)進(jìn)行控制，或者采用PLC進(jìn)行控制，又或者采用傳統(tǒng)的繼電器系統(tǒng)進(jìn)行控制。PLC是應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中一種數(shù)字運(yùn)算操作電子裝置[4]，PLC有著廣泛的應(yīng)用[5-6]。采用 PLC完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以達(dá)到穩(wěn)定、準(zhǔn)確以及快速三個(gè)自動(dòng)控制的方面，因此試卷袋密封的控制系統(tǒng)采用 PLC控制器來進(jìn)行設(shè)計(jì)，PLC控制作為整個(gè)試卷袋密封及自動(dòng)施膠設(shè)備控制系統(tǒng)的核心部件，控制著整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作順序、啟停，使整個(gè)系統(tǒng)可以順暢的，安全的運(yùn)行。由上述PLC的特點(diǎn)以及整個(gè)系統(tǒng)的控制需求進(jìn)行對(duì)應(yīng)，可以得知本次采用 PLC設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)難點(diǎn)基本都可以攻克。

3.2 ?PLC對(duì)伺服控制系統(tǒng)的控制

如圖7表示伺服系統(tǒng)的具體控制關(guān)系。本次設(shè)計(jì)采取的伺服系統(tǒng)型號(hào)在未進(jìn)行具體的選型前，暫時(shí)使用簡(jiǎn)單的臺(tái)達(dá)ASDA-A2[7]伺服系統(tǒng)作為PLC控制系統(tǒng)的控制硬件，再對(duì)伺服控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體的選型。在本次的伺服設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，采用的

圖7 ?PLC與伺服系統(tǒng)連接圖

Fig.7 ?PLC and servo system connection diagram

是位置模式（端子輸入），模式代號(hào)為PT，模式碼為00，位置脈沖是由CN1的PULSE（43），/PULSE（41），HPULSE（38），/HPULSE（29）與SIGN（37），/SIGN（36），HSIGN（46），/HSIGN（40）端子輸入，可以是開路，也可以是差動(dòng)（Line Driver）方式，本次接線采用的就是集極開路方法，PULSE（43）和SIGN（36）接到24V的正極，/PULSE（41）接到PLC的Y0，/SIGN（37）接到PLC的Y1，通過可編程邏輯控制器PLC控制脈沖端口，從而驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)傳送帶做持續(xù)的預(yù)設(shè)的速度運(yùn)動(dòng)。

3.3 ?PLC與HMI通信

在進(jìn)行伺服系統(tǒng)控制后，我們還需要對(duì)觸摸屏系統(tǒng)進(jìn)行控制。觸摸屏也俗稱HMI[8]，它是方便人們對(duì)PLC程序進(jìn)行直接操作，有了HMI的存在，操作員就可以直接在觸摸屏上對(duì)PLC的程序修改。因此與其他無法進(jìn)行通信或者通信比較困難的控制方式相比，修改觸摸屏參數(shù)將會(huì)非常簡(jiǎn)單。而且由于觸摸屏與整個(gè)系統(tǒng)的連接，我們可以實(shí)時(shí)對(duì)當(dāng)前伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)值進(jìn)行一個(gè)可視化的顯示以及修改。本次采用PLC控制，就可以解決試卷袋密封及自動(dòng)施膠系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通訊以及觀察整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況的目的。如圖8為PLC和HMI的通信連接示意圖。

4 ?結(jié)論

本文對(duì)試卷袋密封及自動(dòng)施膠控制流程進(jìn)行了研究，對(duì)其具體的生產(chǎn)工藝過程、控制需求和控制元件選取進(jìn)行了分析，基于PLC控制方式對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了連接和HMI進(jìn)行了通信連接，整個(gè)PLC系統(tǒng)可以完美契合伺服控制系統(tǒng)，可以通過對(duì)PLC系統(tǒng)的編程，對(duì)系統(tǒng)中伺服電機(jī)進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)，連續(xù)運(yùn)動(dòng)，正傳，反轉(zhuǎn)控制等，同時(shí)可以通過簡(jiǎn)單的修改對(duì)伺服電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié);除了伺服控制系統(tǒng)外，由于PLC控制系統(tǒng)可以完美支持對(duì)觸摸屏HMI的通信，因此需要進(jìn)行控制的需求都可以通過PLC系統(tǒng)進(jìn)行編制，然后在觸摸屏中進(jìn)行體現(xiàn)和控制。整個(gè)設(shè)計(jì)控制流程的研究為進(jìn)一步具體控制的實(shí)現(xiàn)，軟硬件的選型和編程提供了參考，為實(shí)現(xiàn)試卷袋密封及自動(dòng)施膠自動(dòng)化控制打下了基礎(chǔ)。

圖8 ?PLC與HMI通信連接圖

Fig.8 ?PLC and HMI communication connection diagram

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