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薄膜表面装饰成型设备控制系统设计*
点击:204 日期:2017-10-31 15:06:36

        摘要: 根据薄膜表面装饰工艺流程,采用西门子S7-200 系列PLC 对薄膜表面装饰设备的控制系统进行设计。首先根据程序流程图和顺序功能图,编写了PLC 手动操作程序和自动操作程序,其中,自动操作程序分为连续循环和单周期。再通过热继电器和故障显示灯,实现电机的故障报错,最后采用力控软件对上位机界面进行仿真分析,其仿真结果能够较好的表现出整个薄膜表面装饰设备贴膜过程。
        薄膜表面装饰工艺是模内装饰工艺的延伸,是指将热塑性薄膜裁成一定尺寸加热软化后,采用真空高压技术使其变形后覆贴在基材轮廓面上[1 - 2]。薄膜表面装饰工艺属于热压成型的范畴,其设备主体为1 个密闭腔体,并由薄膜将密闭腔体分隔为2个独立气室,在成型前先对2 个气室进行抽真空,再进行加热、预拉伸、加压成型、冷却等程序[3]。因为整个成型过程均在密闭空间进行,因此不易受到外界环境的影响,尤其是温度的变化,所以可大幅提升工艺稳定性; 而且采用预拉伸可提升薄膜的延伸量,使薄膜能顺利包覆至装饰物件的内部,进而得到高质量的薄膜装饰物件。文章根据薄膜表面装饰工艺流程,以西门子S7-200 系列PLC 为控制核心,对薄膜表面装饰设备的控制系统进行设计。通过对顺序功能图程序的编写,实现薄膜表面装饰设备可以自由的在手动、单周期、连续循环之间切换,并且通过热继电器和故障显示灯,实现电机的故障报错,最后使用力控软件对薄膜表面装饰设备上位机界面进行仿真分析。
1 薄膜表面装饰工艺流程
        图1 为薄膜表面装饰设备,主要由机架、模腔机构( 上模腔、下模腔、下模台、压边框) 、换膜机构( 滚筒、裁刀) 以及加热机构( 底板、加热板) 组成。其工艺流程为: 1) 将薄膜表面装饰物件置于下模腔内的下模台上; 2) 换膜机构首先将薄膜移至模腔机构位置,滚筒下压将薄膜贴紧压边框,到位后往外移动铺膜,然后切刀移动裁膜,最后换膜机构回位; 3) 压边框下压,将薄膜固定在下模腔边框上; 4) 上模腔下压与下模腔合拢,形成封闭的腔体; 5) 采用真空机同时对上模腔和下模腔进行抽真空处理,使其压力值达到20 kPa; 6) 加热机构的加热板移至模腔位置,对薄膜进行加热处理,加热完成后回到原位; 7) 下模腔内的下模台上移,对薄膜进行预拉伸处理,使薄膜初步贴合在装饰物件表面; 8) 采用空气压缩机对上模腔进行加压处理,使薄膜更完全地贴覆在装饰物件表面上,待卸压后开模取出产品并修剪多余的薄膜。


2 控制系统设计
2. 1 PLC 选型
        PLC 选用的是西门子的200 系列,西门子公司的S7-200 系列PLC 是一种小型PLC[4 - 5]。其指令丰富、功能强大、可靠性高、适应性好、结构紧凑、便于扩展、性价比高,可以近乎完美的满足小规模控制的要求。由于需要的I /O 接口比较多,所以选择CPU226,它拥有24 输入/16 输出共40 个数字量I /O 点,可连接7 个扩展模块,最大扩展248 路数字量I /O 点或35 路模拟量I /O 点。
2. 2 程序流程图
        薄膜表面装饰设备控制系统分为手动操作和自动操作,然后自动操作又分为单周期和连续循环2 种模式,手动操作主要是用来调试整个控制系统,查看是否有某个机构的控制出现了问题。对于自动操作,当按下启动按钮,整个薄膜表面装饰设备将自动按换膜、加热、压边框下压、上模腔下压、抽真空、下模台上升、加高压的顺序完成整个贴膜过程。若单个装饰物件需要贴膜时,则选择单周期模式,若多个装饰物件需要贴膜时,则选择连续循环模式,因此基于薄膜表面装饰工艺流程编写的程序流程图,如图2 所示。

 


2. 3 顺序功能图
        顺序功能图可以将复杂的任务或过程分解成若干个工序,无论多么复杂的过程均能分化为小的工序,有利于程序的结构化设计[6 - 7]。文章设计的顺序功能图如图3 所示。此顺序功能图的前面都是使用顺序结构,S2. 3 最后一步为选择循环结构。
2. 4 程序设计
        若选择手动操作工作模式, I2. 7 常闭触点断开,接着执行手动操作程序。手动操作程序可以独立于自动操作程序,需要另外设计。在单周期工作方式和连续循环操作方式下,即I3. 0常闭触点或者I3. 1 常闭触点断开可执行自动操作程序,当I3. 1常开触点接通时,执行连续循环工作方式,中间继电器M1. 0 =“1”,当I3. 0 常开触点时,执行单周期工作方式,中间继电器M1. 0 =“0”,; 如果按下停止按钮时, I0. 1 的常开触点接通,在连续循环工作方式下,执行完当前周期后,回到原点,自动停止。在需要自动操作方式时,中间继电器M1. 0 接通,并且手动操作工作方式、单周期工作方式、连续循环工作方式都采用同样的输出继电器。
2. 4. 1 手动操作程序
        当执行手动操作工作方式时,当加热机构启动换向阀左端得电, I3. 2 的常开触点接通,如果这时未让加热机构气动换向阀失电, I5. 0 的常闭触点接通,并且当上压边框没有上升或下降时,上模腔也没有上升或下降时,Q0. 7、Q1. 7、Q1. 2、Q1. 6 的常闭触点接通,Q1. 0 的线圈通电,它的常开触点接通; 松开启动按钮, I3. 2 已闭合触点断开,经Q1. 0 已闭合触点、I5. 0 的常闭触点和Q0. 7、Q1. 7、Q1. 2、Q1. 6 的常闭触点流过Q1. 0 的线圈,Q1. 0 的线圈仍然通电,形成“自保持”。当上压边框在上升或在下降时,上模腔在上升或下降时,Q0. 7、Q1. 7、Q1. 2、Q1. 6 的常闭触点断电,Q1. 0 的线圈失电,形成“互锁”。“互锁”可以防止发生意外。那么加热机构进入,当到达指定位置时,操作人员可以按下失电按钮,那么加热机构停止,即I5. 0 的常闭触点断开,使Q1. 0 得线圈断电,其已闭合的常开触点断开,以后即使放开失电按钮, I5. 0 的常闭触点恢复接通状态,Q1. 0 的线圈仍然“断电”,加热机构停止,程序如图4 所示。


2. 4. 2 自动操作程序
        当执行自动操作程序时,PLC 由STOP 转为RUN 时,初始脉冲SM0. 1 对状态进行初始复位,SW =“0”。当整个薄膜表面装饰设备都处于原位时,即切刀处于原位,滚筒处于原位,换模机构处于原位,加热机构处于原位,上模腔处于原位,上压边框处于原位,下模台处于原位,S0. 0 置1,进入S0. 0,由于SM0. 0 一直处于闭合状态,因此使Q2. 1 置1,原位指示灯亮,程序如图5所示。


        当进入S0. 1,由于SM0. 0 一直处于闭合状态,Q0. 0 得电,换模机构进入,当触发换模机构限位开关,那么I1. 0 得电, I1. 0的常开触点闭合,电机2 正转启动按钮得电, I0. 3 得电, I0. 3 的常开触点闭合,电机2 的热继电器不动作时,S0. 2 置1,进入S0. 2; 同时使S0. 1 清零,Q2. 1 清零。当电机1 过载时, I4. 3 的常闭触点断开,无法进入S0. 2,那么薄膜表面装饰设备停止工作,并且同时, I4. 3 的常开触点闭合,电机2 的故障显示灯亮。
        当进入S0. 5,由于SM0. 0 一直处于闭合状态,Q0. 4 得电,切刀开始切膜,当切刀碰到限位开关时, I1. 4 得电, I1. 4 的常开触点闭合,电机2 的反转启动按钮得电, I0. 6 的常开触点闭合,电机2 的热继电器不动作时,S0. 6 置1,进入S0. 6; 同时使S0. 5清零。当进入S1. 5,由于SM0. 0 一直处于闭合状态,Q1. 3 得电,真空机开始抽真空,计时器T38 同时也开始计时,5s 过后,当真空度达到20 kPa,T38 得电,T38 的常开触点闭合,下腔换向阀右端得电,S1. 6 置1,进入S1. 6; 同时使S1. 5 清零,程序如图6 所示。


        当进入S2. 3,由于SM0. 0 一直处于闭合状态,Q2. 0 得电,下模台回位,当下模台碰到限位开关时, I2. 6 得电, I2. 6 的常开触点闭合,当选择连续循环工作方式时,即I3. 1 得电, I3. 1的常开触点闭合,即M1. 0 =“1”,M1. 0 的常开触点闭合,S0. 1当进入S2. 3,由于SM0. 0 一直处于闭合状态,Q2. 0 得电,下模台回位,当下模台碰到限位开关时, I2. 6 得电, I2. 6 的常开触点闭合,当选择连续循环工作方式时,即I3. 1 得电, I3. 1的常开触点闭合,即M1. 0 =“1”,M1. 0 的常开触点闭合,S0. 1置1,进入S0. 1,进入连续循环工作方式; 反之,当选择单周期工作方式时,即I3. 0 得电, I3. 0 的常开触点闭合,M1. 0 =“0”,M1. 0 的常闭触点闭合,S0. 0 置1,进入S0. 0,其程序如图7所示。


3 上位机界面设计与仿真
        上位机是一台可以发出特定操控命令的计算机,通过操作预先设定好的命令,将命令传递给下位机,通过下位机来控制设备完成各项操作[8]。上位机选择力控软件[9 - 10],首先进入开发系统,选择图库并且创建薄膜表面装饰设备机构,通过点击“增强型按钮”创建“开始”和“停止”控制键,通过“力控/SIMULATOR( 仿真) ”建立I /O 设备驱动。当建立好I /O 设备驱动后,还需要在数据库中建点。通过“数据库组态”进入DbManager,一共建立8 个点,分别为“hm( 换膜机构) ”“gt( 滚筒) ”“qd( 切刀) ”“ybg( 压边框) ”“jr( 加热机构) ”“smq( 上模腔) ”“xmt( 下模台) ”“run( 状态控制) ”,如图8 所示。


        当建立好“数据库组态”后,还需要将变量和图形对象关联上,即动画连接。动画连接是指将画面中的图形对象与变量之间建立某种关系,当变量的值发生变化时,在画面中将图形对象的动画效果以动态变化方式体现出来。将变量和图形关联上后,通过编写一段程序使薄膜表面装饰设备运行起来,如图9 所示。点击“开始”按钮,薄膜表面装饰设备开始运行仿真,可以在任何时候点击“停止”按钮终止整个过程,其仿真结果能够较好表现出整个薄膜表面装饰设备运行的过程。


4 结论
        薄膜表面装饰设备主要由机架、上模腔、下模腔、下模台、压边框、换膜机构和加热机构组成。薄膜表面装饰工艺流程主要分为换膜、加热、压边框下压、上模腔下压、抽真空、下模台上升和加高压等工序,基于该工艺流程,采用西门子S7-200 系列PLC 对薄膜表面装饰设备的控制系统进行详细设计,该PLC 控制系统包含手动操作程序和自动操作程序,在自动操作模式下,可以选择连续循环和单周期,在自动操作模式下,可以选择连续循环和单周期。通过热继电器和故障显示灯,实现电机的故障报错。基于力控软件建立I /O 设备驱动、数据库中建点并且动画连接对薄膜表面装饰设备的运行过程进行了仿真分析,准确实现了薄膜表面装饰设备的整个贴膜过程。该控制系统再现了薄膜表面装饰工艺过程,能够为薄模装饰工艺设备的制造以及工序优化提供准确的指导。

 
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