GDX1包装机铝纸自动拼接系统的开发应用.doc

GDX1包装机铝纸自动拼接系统的开发应用刘贺阳1 张建勋2 孙天发1 王德吉3 1.河南中烟工业公司驻马店卷烟厂，驻马店市南海路1号 463000；2.河南中烟工业公司，郑州市农业东路29号 450016；3.中国烟草总公司职工技术培训中心，北林路7号 450008【关键词】 GDX1包装机；铝纸自动拼接；控制电路 【摘 要】 介绍了GDX1包装机原铝纸供给系统的工作过程，分析了原铝纸卷拼接系统存在的缺陷，详细阐述了自行开发的铝纸自动拼接装置方案与实施情况。实际运行效果良好，表明系统的设计方案是非常成功的。Development and Application Of Automatic Alufoil Reel-splicing System in GDX1 Packing Machine LIU HE-YANG1 ZHANG JIAN-XUN2 SUN TIAN-FA1 WANG DE-JI3 1.China Tobacco Henan Industrial Corporation Zhumadian Cigarette Factory， Nanhai Road，Zhumadian， Henan，4630002.China Tobacco Henan Industrial Corporation， Nongye East Road，Zhengzhou， Henan，450016) 3.Training Centre of National Tobacco Monopoly Bureau,Beilin RoadZhengzhou city, 450008, China【Keyword】GDX1 packing machine； automatic Alufoil reel-splicing； control circuit 【Abstract】 Workflow of GDX1 packing machine alufoil unwinding system was given firstly, and then its deficiencies were analyzed. Then a novice program developed by us and its implementation were detailed .Finally, the new program was put into practice, and its result demonstrates the new program is successful.1 机组现状及开发目的GDX1软盒包装机组是90年代初从意大利G.D公司引进的先进卷烟包装设备，包装速度为400包/分。经过技术上的消化吸收，近几年，上海烟机公司已推出代号为ZB25包装机组的国产化机型，机组性能逐渐成熟 ，市场占有率较高。但其小盒铝纸供给部分的左右盘转换依然采用手动拼接方式，过程较为复杂，影响了设备有效作业率。为此，我们针对GDX1包装机组非故障停机的三个项目（更换铝纸、小盒透明纸、条盒透明纸）对机组作业率造成的影响进行了统计。GDX1机组非故障停机情况统计表更换铝纸更换小盒透明纸更换条盒透明纸用时/次15秒11秒30秒次数/班25次10次2次总用时375秒110秒60秒生产时间/班10小时10小时10小时影响设备有效作业率1%0.3%0.17%从统计表可以看出，非故障停机项目中停机更换铝纸对设备作业率影响较大，同时操作工劳动强度也较大。基于以上两点考虑，我们决定设计开发GDX1包装机组铝纸自动拼接装置。2 原机组铝纸部位工作过程分析如图1 所示，当左（或右）盘铝纸用完后，机组停机，操作工需要手动盘车至电相位137147，用切刀将左（或右）盘铝纸切断，再将铝纸摆杆位置由左（或右）盘转向右（或左）盘，然后按下复位按钮，清除红色停机故障信息后，按启动按钮使机组再次启动运行。从停机到恢复运行，整个换纸过程熟练工需要15秒钟时间，每班需要更换25个铝纸，这样不仅操作工劳动强度大，而且还影响设备的连续运行，引起设备相关故障，设备运行效率也因此受到影响。图1 铝纸手动拼接示意图1、摆杆 2、铝纸盘 3、手动铝纸刀 4相位标记 5铝纸3 方案分析与实施GDX1机组电气控制部分采用意大利G.D公司自行设计开发的MICRO微机控制系统，所有的控制和工作过程都被综合在同一系统中，由一台电脑进行统一控制。应用程序采用专用高级语言G.D语言进行编写，由于该技术的编程语言专业性强，卷烟厂的生产车间作为设备的使用、维护部门，没有专业软件和通讯连接硬件，无法直接在原系统内部进行编程，因此我们选择独立外挂控制单元作为主控制器，设计一套逻辑控制程序，独立于原控制系统，在保留原手动拼接功能的基础上，实现自动拼接功能。按照就近取材和满足设计要求的原则，除全部引用原有系统的各检测装置外，在控制和执行机构上还需要增加相位控制和切刀驱动装置，通过主控制器输出信号，切断并释放用完的铝纸盘，转换使用另外一铝纸盘。此设计方案的最大优点是：在不改变原机组电器、机械结构和功能的条件下，能够实现不停机自动切换铝纸盘功能，且其成本低、易于开发调试。经过方案分析，确定整个铝纸自动拼接装置由外部检测元件、集成控制器、中间驱动器件、气动装置、转换纸盘机构和切纸机构组成。外部检测元件的选用情况如下：相位计数检测E2E-X5MF1-Z PNP型接近开关1件；原机组左右盘用完检测2S230、2S231，左右盘断纸检测2S232、2S233，铝纸摆臂位置检测2S259各1件；集成控制器采用西门子公司S7-200 8DI/6DO CPU222 PLC1件；中间驱动器采用原机组编号为V801、V814的固态继电器2件；气动装置选用35A-AAA-DDFA-1BA二位三通电磁阀和CQSB16-10S微型气缸各2件；转换纸盘机构采用原机组2Y612和2Y613电磁离合器驱动组件2套；切纸机构采用原机组动、静切纸刀组件2套。控制原理图如图2所示。2K8882Y999220V/AC电源地2Y888V801V8142/450 24VDC2/451 0VDC左侧固态继电器右侧固态继电器左侧切刀电磁阀右侧切刀电磁阀降速继电器1MI0.0I0.1I0.2I0.32MI0.4I0.5I0.6I0.7ML+1LQ0.0Q0.1Q0.22LQ0.3Q0.4Q0.5NL12/450 24VDC右侧断裂左侧断裂相位计数右侧用完左侧用完摆臂位置2S2332S2322S02S2312S2302S2592/451 0VDC图2 控制原理图3.1 电气控制部分的方案实施3.1.1 编写PLC程序及下载通过分析原机组铝纸供给部分的工作原理，我们进行了控制程序的编写，在保留原机组手动拼接功能基础上，满足自动转换功能。具体要求是：当左盘（或右盘）铝纸用完且车速运行在100包/分钟以上时，机组降低速度至100包/分钟，为切换纸盘作准备（由于GDX1机组铝纸转换部位机械结构的传动设计比较复杂，在切换铝纸时，若车速高于100包/分钟时，机组将出现铝纸短缺、阻塞等停机现象，长期运行会对该机械部件造成较为严重的磨损），到达拼接相位时，左盘（或右盘）切刀切断左盘（或右盘）铝纸，释放左盘（或右盘）电磁离合器，同时吸合右盘（或左盘）电磁离合器，引导另一纸盘供给工作。以此作为程序设计主题，并综合考虑了铝纸在运行中断裂、某一纸盘有供给故障、主动手动换纸、上电记忆状态、上电安全阻止切刀动作等因素，兼顾以上逻辑关系，根据西门子S7-200编程规范，利用西门子STEP7-Micro/Win32编程软件进行编程，并通过PPI协议下载至可编程控制器CPU222。程序流程图如图3所示。是铝纸用完机组运行否是否机组降速拼接相位到达切断用完铝纸释放用完铝纸吸合另一卷铝纸机组全速运行高速状态铝纸用完手动盘车铝纸断裂机组停机手动盘车图3 程序设计流程图3.1.2 设计安装控制电路GDX1机组MICRO系统配电柜为多层旋转设计，内部U型电器元件卡槽预留空间较大，在配电柜内安装S7-200 PLC 不成问题，但其电柜内外线路连接采用针孔式接插件，铝纸部位的线路没有多余端子可用，S7-200 PLC输入输出部分与外部检测、驱动器件的电气连接就需要另外打孔安装接插件，考虑到这样会破坏机组整体美观和密封性能，我们决定采用原机组拆除A400卸盘机后空置的线路进行配电柜内、外部分以及检测和驱动部分的电气连接，这样就巧妙的解决了配电线路连接问题。参考原电路图纸1242001、2000001、2000101、827501，连接外部检测元件和中间驱动固态继电器接线端子，左右盘用完检测和断纸检测PLC输入点取自原机组电柜内32位数字量输入模块N14，增加的相位计数检测和切刀电磁阀线路与电柜内部的连接都在图纸上进行了详细标注。3.1.3 降速信号的设计连接机组运行速度的降低需要通过控制变频器输出频率值的减少来实现，GDX1机组主电机驱动采用的是UNIDRIVE SP型变频器，通过分析、实验，我们把该变频器控制方式设定为A1Pr状态，利用其远程控制端子输入条件的变化来控制变频器输出频率发生变化，通过调整变频器预设速度参数，可精确控制变频器的输出频率，使机组在铝纸拼接过程中速度保持在100包/分钟，保证铝纸自动拼接的可靠性。3.2 机械部分的方案实施3.2.1 在2X11接线端子盒内打孔，安装固定电磁阀2Y888和2Y999。 3.2.2 设计加工气缸固定座和气缸与切刀连接组件 GDX1机组铝纸切刀部位各部件间设计较为紧凑，我们经过测量设计，加工了气缸固定座，利用机组铝纸压纸辊轴上的固定螺丝孔作为气缸固定座的固定孔，把气缸固定在切刀部位的机架前侧。气缸动作时，带动切刀切断用完的铝纸，我们在气缸与切刀之间的连接部分设计了连接组件，通过调整气缸杆螺丝行程，可调整活动切刀与固定切刀间隙，实现快速切断铝纸功能。3.2.3 气动部分采用6mm PVC软管进行主气路、电磁阀、气缸之间的连接。安装后的铝纸自动拼接示意图如图4所示。图4 铝纸自动拼接示意图1、 摆杆 2、铝纸盘 3、气管 4、气缸 5、挡板 6、对位标记 7、切纸刀 8、铝纸4 运行效果机组在正常的高速运行状态下检测到铝纸卷需要更换时，降低速度至100包/分钟，到达143度（根据机组个性，通过实验在137度147度之间进行最佳选择）拼接相位时，铝纸切刀动作，切断用完铝纸，释放该铝纸盘，同时牵引另一卷铝纸盘供给运行。整个换纸过程平缓稳定，达到了预期设计效果。该系统经过五个月的运行，自动拼接成功率达到100%，提高了设备有效作业率，降低了劳动强度，受到操作人员的好评。5 新拼接装置的特点1、实现GDX1机组铝纸拼接的自动化。本装置的铝纸切割、纸盘转换，均实现自动化操作,这是本装置的重要特点。2、大部分控制信号引用原机的检测信号，接入该装置的可编程控制器，与原设备溶为一体，达到既独立控制，又整体协调的效果。3、铝纸没用完但出现断裂、破损等情况时，可盘车至拼接相位，无需其它操作即可实现左、右铝纸盘的转换功能。4、操作简单、保养方便。新装置本着“就近取材、巧妙紧凑”的设计原则，在满足功能要求的前提下，尽可能使装置简单化；该装置运行稳定可靠，基本不需要日常维修；在保养上，只需要定期对执行元件（如气缸、电磁阀等）进行清洁保养即可。6 效益分析 1、本装置费用为：S7-200 PLC 2000元、电磁阀2002=400元、气缸2002=400元、相位计数检测300元、中间继电器200元、气缸固定座和连接组件200元，共计3500元。2、按每班更换铝纸25个，每次更换需要15秒钟计算，每班增加有效生产时间6.25分钟，按每班生产时间10小时计算，设备有效作业率可提高1%，每年可增加有效生产时间6.25分钟2班20天12月=50小时。GDX1机组生产速度400包/