聚氨酯密封膠是一種高強度室溫濕氣固化的粘合劑，它具有彈性好、粘接性好等優點，廣泛應用於汽車玻璃粘接、車身密封、船舶、機械、電子、軍工、建築等眾多的領域。 該密封膠在常溫及生產過程中呈高粘度的軟膏狀，流動性差，粘度大，按工藝要求灌裝到包裝大桶中難度很大。 多年來業內采用的傳統灌裝方式大部分工作靠手工完成，灌裝效率低，勞動強度大，灌裝精度差，難以實現自動化生產。

基於 PLC 及智能稱重儀表， 應用 PLC 與智能儀表的串行通信技術，采用電液比例控製，解決了密封膠灌裝過程的控製難點， 采用大桶下降式灌裝方式，實現了灌裝過程自動化。

1 密封膠灌裝係統

目前，業內采用的傳統灌裝方式是一種灌裝桶固定、大桶內灌裝壓盤及灌裝橡膠軟管隨著桶內膠量增加而上升的灌裝方式。 這種灌裝方式具有橡膠軟管需頻繁更換、灌裝勞動強度大、每桶的灌裝量誤差大於1kg 、灌裝一致性差等缺點。

為此，研製了灌裝管和壓盤固定不動、灌裝桶隨桶內膠量增加而自上向下移動的大桶下降式自動灌裝機，其工作原理如圖 1 所示。

膠泵（ MAAG 泵）出膠管為倒 U形不鏽鋼鋼管，固定於灌裝機的大桶上方。 製膠機出膠口與膠泵之間緊密連接，如同一體。 放置大桶的底盤與兩側的液壓係統導杆連接，隨兩側液壓缸內導杆的上、下移動同步移動，通過電液比例調節閥控製液壓導杆的移動速度 ［ 1 ］ 。

整個灌裝過程在 PLC 控製下，按照複雜的控製算法，由電液比例控製係統完成。

灌裝時將空桶放在處於換桶位（最低位置）的托盤上，換桶位光電開關檢測到大桶的存在，如果此時按下“啟動”按鈕，進油電磁閥打開，同時油泵運轉，在油壓作用下活塞杆上升，空桶隨托盤同步上升。 空桶上升至其桶底與壓盤距離 10mm 時，上位光電開關動作，關閉上升電磁閥及油泵，空桶停止上升。 然後打開膠泵，密封膠自倒 U 型管緩慢擠入大桶內，根據控製策略，在 PLC 及比例閥的計算、控製下，大桶緩慢下降，至膠滿位置時，膠滿位光電開關得到信號，關膠泵，下降一定距離後，進行刮膠，刮膠完畢後全速降至最低位置，最後換桶，一個灌裝循環完成 ［ 2 ］ 。

2 控製難點與控製策略

2.1 控製難點

由於在整個灌裝過程中，膠泵的出膠量是不均勻的，因此，灌裝時大桶的下降速度不是勻速運動。 當出膠速度快時，大桶的下降速度就要適當加快，否則，過多的進膠量就會自壓蓋與大桶內壁間的排氣縫隙溢出，造成大桶灌裝量難以控製，使灌裝過程失敗；而當膠泵出膠速度減慢時， 大桶下降速度亦要適當調慢，否則，空氣就會自壓蓋與大桶內壁間的排氣縫隙進入大桶，使桶內膠中混有空氣，造成產品質量不合格，甚至成為廢品；同時，在下降過程中，托盤的載重隨著桶內膠量的增加越來越重。 因此，灌裝時，大桶下降速度要在比例閥的控製下，隨膠泵出膠速度的變化進行及時調節，這是該灌裝係統的控製難點。

2.2 控製策略

密封膠製膠機為美國 ROSE 公司生產的 HPB-550 型高性能混合攪拌設備 ［ 3 ］ ，製膠機（含膠泵）的四角分別安裝在 GSE 公司（美國）的 4 個 7300 型稱重傳感器上，製膠機及所生產的密封膠總重量由 GSE 公司的 Model 355I.S. 型智能稱重儀表精確測量，出膠量可由稱重儀表精確測出。 最初，試圖采用在自動灌裝機大桶托盤下安裝稱重傳感器的辦法測出灌裝重量，但由於灌裝下降過程存在衝擊、 振動等多種幹擾因素，實際測得的數值波動很大，無論如何處理都難以精確求得灌裝過程的灌裝量。 為此，采用了通過智能稱重儀表與 PLC 高速通信的辦法，獲得了大桶灌裝量 Q 的準確值。

為了對灌裝下降過程進行有效控製，並取得一定的灌裝精度，必須使大桶下降速度與膠泵的出膠速度相匹配。

在灌裝過程中， 設在某時間間隔 Δt 內膠泵出膠量為 ΔQ ，大桶下降的高度為 Δh ，大桶的底麵積為 S ，密封膠密度為 ρ ，在灌裝下降過程中，應保持：

左側Δh/Δt為在 Δt 時間內大桶下降的平均速度，右側中的ΔQ/Δt為膠泵在 Δt 時間內的平均出膠速度。 當Δt→0 時，有：

上式左邊的微分項dh/dt為某一時刻大桶下降的瞬時速度， 右邊的微分項dQ/dt為同一時刻膠泵的瞬時出膠速度。

欲在灌裝過程中既不使空氣進入大桶又不致於使密封膠自桶內四周縫隙溢出，大桶下降速度與膠泵出膠速度應滿足上式。

在控製程序中，隻要取 Δt 足夠小，就可以保證每桶的灌裝精度。

由於灌裝過程下降速度很慢（每分鍾 2cm 左右），根據灌裝調試經驗， 取 Δt=1s ， 就可以既保證灌裝成功，又能使灌裝精度達到要求。 Δt 也是 PLC 對比例閥進行調節的時間間隔。

成功的灌裝過程實際上是一個大桶下降速度跟隨膠泵出膠量變化的隨動過程。

在灌裝下降過程中，以膠泵出膠量 Q 為控製係統的輸入，采用 PID 調節原理 ［ 4 ］ ，調節比例閥K8凯发登录入口以控製大桶下降速度 V ，實現閉環控製，控製框圖如圖 2 所示。

圖中， h 由直線位移傳感器測得， Q 由製膠機的稱重儀表測得，並通過稱重儀表與 PLC 的高速串行通信傳送給 PLC 。 大桶的灌裝量為 ρSh ，實時控製保證 h 的精度，就可以保證灌裝量的精度。

3 控製係統硬件[5-6]

根據工作原理與控製策略， 以 PLC 為控製核心，組建控製係統。 PLC 輸入、輸出信號配置如表 1 所示。

根據係統規模， 本著控製係統結構緊湊的原則，選用帶兩路模擬量輸入、 一路模擬量輸出、 2 個 RS-485 接口的西門子 S7-200 係列 PLC （ CPU224XP ）即可滿足係統要求。 一路模擬量輸入信號為直線位移傳感器信號，是一個由直線位移傳感器測得的與灌裝深度h 成正比的電壓信號。 一路模擬量輸出信號為比例控製閥輸入信號，是一個與比例閥K8凯发登录入口成正比的電壓信號。 由於選用的電液比例控製閥為帶壓力補償的K8凯发登录入口控製閥，因此可以在負載變化的工況下，獲得穩定的調節K8凯发登录入口。

PLC 硬件配置如圖 3 所示。

自動灌裝過程電控係統的工作原理： 將空桶放在換桶位（最低位）時，如果桶位正常，則換桶位光電開關CK 導通，此時按下工作開始按鈕 SB4 ，油泵馬達起動，空桶上升，如果桶位不正常，則按下 SB4 也無動作，避免了桶位不正上升時卡桶事故的發生； 當上升至最高位時，高位光電開關 HK 導通，關閉油泵，停止上升，PLC 進行灌裝前的參數初始化計算；適當延時後，膠泵打開，密封膠進入空桶底部，此時 PLC 采集到灌裝深度信號，通過串口通信不斷獲得膠泵出膠量，按照控製策略，隨著膠量的增加，大桶緩慢下降，完成整個灌裝過程。

4 PLC 與智能稱重儀表串行通信的實現

4.1  PLC 通信協議及參數設定 ［ 7 ］

西門子 CPU224XP 模塊集成了 2 個串行通信的RS-485 標準接口，將其中一個用於程序開發、調試，另一個用於同稱重儀表通信。

4.1.1 字符數據格式

S7-200 采用異步串行通信方式，傳送字符數據格式有兩種： 10 位字符和 11 位字符。 此處采用 11 位字符數據， 1 個起始位、 8 個數據位、 1 個偶校驗位、 一個停止位。 傳輸速率為 9600bps 。

4.1.2 通信協議

S7-200 支持多種通信協議，協議定義了主站和從站兩類通信設備。 主、從站間的通信協議有 PPI 、 MPI 、Profibus3 個標準協議和一個自由口協議。 根據智能稱重儀表的通信情況，本控製係統采用自由口協議。 當選擇自由口模式且主機處於 RUN 方式下， 用戶可通過發送 ／ 接收中斷、發送 ／ 接收指令編寫的程序來控製串行通信口的運作。當主機處於 STOP 方式時，自由口通信被終止，通信口切換到正常的 PPI 協議操作。 通信協議在通信程序中由 SMB30( 通信口 0) 或 SMB130（通信口 1 ）設置為允許自由口通信模式。

4.1.3 參數設置

CPU224XP 自由口通信模式的通信參數由串口 1初始化子程序設置。 設置內容包括通信協議、波特率、字符數據格式等內容。

4.2 智能稱重儀表通信協議及參數設定 ［ 8 ］

Model 355I.S. 型稱重儀表僅有 2 個 RS-232 通信口 COM1 、 COM2，無RS-485 接口。 使用 COM2 口作為與 PLC 的通信口，通過一個有源 RS-232/485 轉換器，實現 PLC 與稱重儀表的串行通信。

4.2.1 通信協議

Model 355I.S. 型稱重儀表可預置 13 種標準傳輸格式或根據需要定製傳輸格式，灌裝過程僅需要某一時刻製膠機的總重量，為減少與 PLC 之間通信幀的長度，采用定製傳輸格式。 該儀表通信時的字符、數字字母全部采用 ASCII 碼形式，用到的控製字符很多，使用時可從儀表手冊查得。

為了簡化 PLC 的通信程序，將 Model 355I.S. 設置為遠程主指示器模式。 Model 355I.S. 將按定製傳輸格式連續地向 PLC 發送數據， 而 PLC 以中斷方式定時接收數據。采用最簡單的傳輸格式，如“ □□□□1345.7□kg□Net ”，共 17 個 ASCII 碼，其中有 6 個空格、 5 個數字、 1 個小數點、 5 個字母。 重量數據定義為帶一位小數的 5 位數，單位為 kg 。

4.2.2 參數設置

為實現 Model 355I.S. 與 PLC 自由口的通信，通過儀表鍵盤對 Model 355I.S. 相關參數進行設置，如表 2 所示。

其它參數使用默認值，與 PLC 保持一致。 完成設置後， Model 355I.S. 就具備了與 PLC 通信的基本條件。

4.3 PLC 通信程序的設計

自由口接收數據既可以采用自由口接收指令，也可以使用接收字符中斷控製來接收數據。 根據係統情況，采用中斷方式。 端口每接收一個字符會產生一個中斷，端口 1 產生中斷事件 25 。 在執行連接到接收字符中斷事件上的中斷程序前， 接收到的字符存儲在SMB2 中，奇偶校驗狀態存在 SMB3.0 中，通過中斷訪問 SMB2 和 SMB3 來接收數據。

PLC 通信程序由串口 1 初始化子程序及自由口接收中斷程序組成。 串口初始化子程序主要完成串口1 數據格式、 自由口協議及波特率等參數的設置等功能， 通信中斷程序主要功能是將來自 Model 355I.S. 的數據幀循環存放到緩存區中。 該緩存區由 85 個字節組成，可以循環存放 5 幀數據。 自由口緩存區由定時取數據中斷程序提取有效的重量數據，並存放到另一個數據區，由數據處理子程序進行處理。

5 控製係統軟件[9]

控製主程序完成自空桶位置檢測到大桶灌裝完畢的整個自動灌裝過程，其順序控製圖（ SFC ）如圖 4 所示。

6 結語

根據密封膠生產及灌裝工序的特殊性， 對控製硬件、軟件進行了大量的調試工作。 該自動灌裝係統實現了預期的功能，每桶灌裝誤差控製在 200g 以下，且每桶的灌裝量不再受生產工人操作水平影響，大大提高了大桶灌裝量的一致性，解決了密封膠灌裝過程的控製難點，克服傳統灌裝方式的缺點，實現了灌裝過程自動化，降低了操作工人勞動強度，提高了生產效率，改善了勞動環境。 使用一年多證明，該控製係統運行穩定、可靠。

參考文獻

[1] 張利平 . 液壓傳動係統設計與使用 [M]. 北京 : 化學工業出版社 ,2010:56-73

[2] 陳羽鋒 , 胡國清 , 欒厚寶，等 . 氣動自動送料係統的設計與實現 [J]. 自動化應用 ,2010,(8):30-31,38

[3] CHARLES ROSS & SON COMPANY. HPB-550 HEAVY DUTY HORIZONTAL PADDLE BLENDER[M]. HAUPPAUGE USA,2010: 22-28

[4] 何衍慶，俞金壽，蔣慰孫 . 工業生產過程控製 [M]. 北京 :化學工業出版社 ,2005:103-106

[5] 張俊平 . S7-224 型 PLC 在片堿包裝控製係統中的應用 [J]. 自動化應用 ,2010,(6):56-58

[6] 申淩雲 , 郭曉嵐 , 李運娥 . PLC 控製係統設計及其應用中的抗幹擾問題 [J]. 自動化應用 ,2011,(2): 48-50

[7] 吳中俊，黃永紅 . 可編程序控製器原理及應用 [M]. 北京 : 機械工業出版社 ,2005:120-139

[8] GSE Scale Systems. LOAD CELL DISPLAY GSE Mod-el 350/355 I.S. Technical Reference Manual [M]. Novi USA,2010: 18-19,39-54,84-89

[9] 廖常初 . PLC 的程序結構 [J]. 自動化應用 ,2011,(2):42-43

本文源於網絡轉載，如有侵權，請聯係刪除