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聚氨酯密封膠是一種高強(qiáng)度室溫濕氣固化的粘合劑，它具有彈性好、粘接性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車玻璃粘接、車身密封、船舶、機(jī)械、電子、軍工、建筑等眾多的領(lǐng)域。 該密封膠在常溫及生產(chǎn)過(guò)程中呈高粘度的軟膏狀，流動(dòng)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(lái)業(yè)內(nèi)采用的傳統(tǒng)灌裝方式大部分工作靠手工完成，灌裝效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，灌裝精度差，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

基于 PLC 及智能稱重儀表， 應(yīng)用 PLC 與智能儀表的串行通信技術(shù)，采用電液比例控制，解決了密封膠灌裝過(guò)程的控制難點(diǎn)， 采用大桶下降式灌裝方式，實(shí)現(xiàn)了灌裝過(guò)程自動(dòng)化。

1 密封膠灌裝系統(tǒng)

目前，業(yè)內(nèi)采用的傳統(tǒng)灌裝方式是一種灌裝桶固定、大桶內(nèi)灌裝壓盤及灌裝橡膠軟管隨著桶內(nèi)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(dòng)強(qiáng)度大、每桶的灌裝量誤差大于1kg 、灌裝一致性差等缺點(diǎn)。

為此，研制了灌裝管和壓盤固定不動(dòng)、灌裝桶隨桶內(nèi)膠量增加而自上向下移動(dòng)的大桶下降式自動(dòng)灌裝機(jī)，其工作原理如圖 1 所示。

膠泵（ MAAG 泵）出膠管為倒 U形不銹鋼鋼管，固定于灌裝機(jī)的大桶上方。 制膠機(jī)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(cè)的液壓系統(tǒng)導(dǎo)桿連接，隨兩側(cè)液壓缸內(nèi)導(dǎo)桿的上、下移動(dòng)同步移動(dòng)，通過(guò)電液比例調(diào)節(jié)閥控制液壓導(dǎo)桿的移動(dòng)速度 ［ 1 ］ 。

整個(gè)灌裝過(guò)程在 PLC 控制下，按照復(fù)雜的控制算法，由電液比例控制系統(tǒng)完成。

灌裝時(shí)將空桶放在處于換桶位（最低位置）的托盤上，換桶位光電開關(guān)檢測(cè)到大桶的存在，如果此時(shí)按下“啟動(dòng)”按鈕，進(jìn)油電磁閥打開，同時(shí)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)，在油壓作用下活塞桿上升，空桶隨托盤同步上升。 空桶上升至其桶底與壓盤距離 10mm 時(shí)，上位光電開關(guān)動(dòng)作，關(guān)閉上升電磁閥及油泵，空桶停止上升。 然后打開膠泵，密封膠自倒 U 型管緩慢擠入大桶內(nèi)，根據(jù)控制策略，在 PLC 及比例閥的計(jì)算、控制下，大桶緩慢下降，至膠滿位置時(shí)，膠滿位光電開關(guān)得到信號(hào)，關(guān)膠泵，下降一定距離后，進(jìn)行刮膠，刮膠完畢后全速降至最低位置，最后換桶，一個(gè)灌裝循環(huán)完成 ［ 2 ］ 。

2 控制難點(diǎn)與控制策略

2.1 控制難點(diǎn)

由于在整個(gè)灌裝過(guò)程中，膠泵的出膠量是不均勻的，因此，灌裝時(shí)大桶的下降速度不是勻速運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)出膠速度快時(shí)，大桶的下降速度就要適當(dāng)加快，否則，過(guò)多的進(jìn)膠量就會(huì)自壓蓋與大桶內(nèi)壁間的排氣縫隙溢出，造成大桶灌裝量難以控制，使灌裝過(guò)程失敗；而當(dāng)膠泵出膠速度減慢時(shí)， 大桶下降速度亦要適當(dāng)調(diào)慢，否則，空氣就會(huì)自壓蓋與大桶內(nèi)壁間的排氣縫隙進(jìn)入大桶，使桶內(nèi)膠中混有空氣，造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，甚至成為廢品；同時(shí)，在下降過(guò)程中，托盤的載重隨著桶內(nèi)膠量的增加越來(lái)越重。 因此，灌裝時(shí)，大桶下降速度要在比例閥的控制下，隨膠泵出膠速度的變化進(jìn)行及時(shí)調(diào)節(jié)，這是該灌裝系統(tǒng)的控制難點(diǎn)。

2.2 控制策略

密封膠制膠機(jī)為美國(guó) ROSE 公司生產(chǎn)的 HPB-550 型高性能混合攪拌設(shè)備 ［ 3 ］ ，制膠機(jī)（含膠泵）的四角分別安裝在 GSE 公司（美國(guó)）的 4 個(gè) 7300 型稱重傳感器上，制膠機(jī)及所生產(chǎn)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(cè)量，出膠量可由稱重儀表精確測(cè)出。 最初，試圖采用在自動(dòng)灌裝機(jī)大桶托盤下安裝稱重傳感器的辦法測(cè)出灌裝重量，但由于灌裝下降過(guò)程存在沖擊、 振動(dòng)等多種干擾因素，實(shí)際測(cè)得的數(shù)值波動(dòng)很大，無(wú)論如何處理都難以精確求得灌裝過(guò)程的灌裝量。 為此，采用了通過(guò)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(zhǔn)確值。

為了對(duì)灌裝下降過(guò)程進(jìn)行有效控制，并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(guò)程中， 設(shè)在某時(shí)間間隔 Δt 內(nèi)膠泵出膠量為 ΔQ ，大桶下降的高度為 Δh ，大桶的底面積為 S ，密封膠密度為 ρ ，在灌裝下降過(guò)程中，應(yīng)保持：

左側(cè)Δh/Δt為在 Δt 時(shí)間內(nèi)大桶下降的平均速度，右側(cè)中的ΔQ/Δt為膠泵在 Δt 時(shí)間內(nèi)的平均出膠速度。 當(dāng)Δt→0 時(shí)，有：

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

欲在灌裝過(guò)程中既不使空氣進(jìn)入大桶又不致于使密封膠自桶內(nèi)四周縫隙溢出，大桶下降速度與膠泵出膠速度應(yīng)滿足上式。

在控制程序中，只要取 Δt 足夠小，就可以保證每桶的灌裝精度。

由于灌裝過(guò)程下降速度很慢（每分鐘 2cm 左右），根據(jù)灌裝調(diào)試經(jīng)驗(yàn)， 取 Δt=1s ， 就可以既保證灌裝成功，又能使灌裝精度達(dá)到要求。 Δt 也是 PLC 對(duì)比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié)的時(shí)間間隔。

成功的灌裝過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)大桶下降速度跟隨膠泵出膠量變化的隨動(dòng)過(guò)程。

在灌裝下降過(guò)程中，以膠泵出膠量 Q 為控制系統(tǒng)的輸入，采用 PID 調(diào)節(jié)原理 ［ 4 ］ ，調(diào)節(jié)比例閥流量以控制大桶下降速度 V ，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，控制框圖如圖 2 所示。

圖中， h 由直線位移傳感器測(cè)得， Q 由制膠機(jī)的稱重儀表測(cè)得，并通過(guò)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(shí)時(shí)控制保證 h 的精度，就可以保證灌裝量的精度。

3 控制系統(tǒng)硬件[5-6]

根據(jù)工作原理與控制策略， 以 PLC 為控制核心，組建控制系統(tǒng)。 PLC 輸入、輸出信號(hào)配置如表 1 所示。

根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模， 本著控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊的原則，選用帶兩路模擬量輸入、 一路模擬量輸出、 2 個(gè) RS-485 接口的西門子 S7-200 系列 PLC （ CPU224XP ）即可滿足系統(tǒng)要求。 一路模擬量輸入信號(hào)為直線位移傳感器信號(hào)，是一個(gè)由直線位移傳感器測(cè)得的與灌裝深度h 成正比的電壓信號(hào)。 一路模擬量輸出信號(hào)為比例控制閥輸入信號(hào)，是一個(gè)與比例閥流量成正比的電壓信號(hào)。 由于選用的電液比例控制閥為帶壓力補(bǔ)償?shù)牧髁靠刂崎y，因此可以在負(fù)載變化的工況下，獲得穩(wěn)定的調(diào)節(jié)流量。

PLC 硬件配置如圖 3 所示。

自動(dòng)灌裝過(guò)程電控系統(tǒng)的工作原理： 將空桶放在換桶位（最低位）時(shí)，如果桶位正常，則換桶位光電開關(guān)CK 導(dǎo)通，此時(shí)按下工作開始按鈕 SB4 ，油泵馬達(dá)起動(dòng)，空桶上升，如果桶位不正常，則按下 SB4 也無(wú)動(dòng)作，避免了桶位不正上升時(shí)卡桶事故的發(fā)生； 當(dāng)上升至最高位時(shí)，高位光電開關(guān) HK 導(dǎo)通，關(guān)閉油泵，停止上升，PLC 進(jìn)行灌裝前的參數(shù)初始化計(jì)算；適當(dāng)延時(shí)后，膠泵打開，密封膠進(jìn)入空桶底部，此時(shí) PLC 采集到灌裝深度信號(hào)，通過(guò)串口通信不斷獲得膠泵出膠量，按照控制策略，隨著膠量的增加，大桶緩慢下降，完成整個(gè)灌裝過(guò)程。

4 PLC 與智能稱重儀表串行通信的實(shí)現(xiàn)

4.1  PLC 通信協(xié)議及參數(shù)設(shè)定 ［ 7 ］

西門子 CPU224XP 模塊集成了 2 個(gè)串行通信的RS-485 標(biāo)準(zhǔn)接口，將其中一個(gè)用于程序開發(fā)、調(diào)試，另一個(gè)用于同稱重儀表通信。

 

4.1.1 字符數(shù)據(jù)格式

S7-200 采用異步串行通信方式，傳送字符數(shù)據(jù)格式有兩種： 10 位字符和 11 位字符。 此處采用 11 位字符數(shù)據(jù)， 1 個(gè)起始位、 8 個(gè)數(shù)據(jù)位、 1 個(gè)偶校驗(yàn)位、 一個(gè)停止位。 傳輸速率為 9600bps 。

4.1.2 通信協(xié)議

S7-200 支持多種通信協(xié)議，協(xié)議定義了主站和從站兩類通信設(shè)備。 主、從站間的通信協(xié)議有 PPI 、 MPI 、Profibus3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和一個(gè)自由口協(xié)議。 根據(jù)智能稱重儀表的通信情況，本控制系統(tǒng)采用自由口協(xié)議。 當(dāng)選擇自由口模式且主機(jī)處于 RUN 方式下， 用戶可通過(guò)發(fā)送 ／ 接收中斷、發(fā)送 ／ 接收指令編寫的程序來(lái)控制串行通信口的運(yùn)作。當(dāng)主機(jī)處于 STOP 方式時(shí)，自由口通信被終止，通信口切換到正常的 PPI 協(xié)議操作。 通信協(xié)議在通信程序中由 SMB30( 通信口 0) 或 SMB130（通信口 1 ）設(shè)置為允許自由口通信模式。

4.1.3 參數(shù)設(shè)置

CPU224XP 自由口通信模式的通信參數(shù)由串口 1初始化子程序設(shè)置。 設(shè)置內(nèi)容包括通信協(xié)議、波特率、字符數(shù)據(jù)格式等內(nèi)容。

4.2 智能稱重儀表通信協(xié)議及參數(shù)設(shè)定 ［ 8 ］

Model 355I.S. 型稱重儀表僅有 2 個(gè) RS-232 通信口 COM1 、 COM2，無(wú)RS-485 接口。 使用 COM2 口作為與 PLC 的通信口，通過(guò)一個(gè)有源 RS-232/485 轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn) PLC 與稱重儀表的串行通信。

4.2.1 通信協(xié)議

Model 355I.S. 型稱重儀表可預(yù)置 13 種標(biāo)準(zhǔn)傳輸格式或根據(jù)需要定制傳輸格式，灌裝過(guò)程僅需要某一時(shí)刻制膠機(jī)的總重量，為減少與 PLC 之間通信幀的長(zhǎng)度，采用定制傳輸格式。 該儀表通信時(shí)的字符、數(shù)字字母全部采用 ASCII 碼形式，用到的控制字符很多，使用時(shí)可從儀表手冊(cè)查得。

為了簡(jiǎn)化 PLC 的通信程序，將 Model 355I.S. 設(shè)置為遠(yuǎn)程主指示器模式。 Model 355I.S. 將按定制傳輸格式連續(xù)地向 PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)， 而 PLC 以中斷方式定時(shí)接收數(shù)據(jù)。采用最簡(jiǎn)單的傳輸格式，如“ □□□□1345.7□kg□Net ”，共 17 個(gè) ASCII 碼，其中有 6 個(gè)空格、 5 個(gè)數(shù)字、 1 個(gè)小數(shù)點(diǎn)、 5 個(gè)字母。 重量數(shù)據(jù)定義為帶一位小數(shù)的 5 位數(shù)，單位為 kg 。

4.2.2 參數(shù)設(shè)置

為實(shí)現(xiàn) Model 355I.S. 與 PLC 自由口的通信，通過(guò)儀表鍵盤對(duì) Model 355I.S. 相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表 2 所示。

其它參數(shù)使用默認(rèn)值，與 PLC 保持一致。 完成設(shè)置后， 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(shè)計(jì)

自由口接收數(shù)據(jù)既可以采用自由口接收指令，也可以使用接收字符中斷控制來(lái)接收數(shù)據(jù)。 根據(jù)系統(tǒng)情況，采用中斷方式。 端口每接收一個(gè)字符會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，端口 1 產(chǎn)生中斷事件 25 。 在執(zhí)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(chǔ)在SMB2 中，奇偶校驗(yàn)狀態(tài)存在 SMB3.0 中，通過(guò)中斷訪問(wèn) SMB2 和 SMB3 來(lái)接收數(shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)格式、 自由口協(xié)議及波特率等參數(shù)的設(shè)置等功能， 通信中斷程序主要功能是將來(lái)自 Model 355I.S. 的數(shù)據(jù)幀循環(huán)存放到緩存區(qū)中。 該緩存區(qū)由 85 個(gè)字節(jié)組成，可以循環(huán)存放 5 幀數(shù)據(jù)。 自由口緩存區(qū)由定時(shí)取數(shù)據(jù)中斷程序提取有效的重量數(shù)據(jù)，并存放到另一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)，由數(shù)據(jù)處理子程序進(jìn)行處理。

5 控制系統(tǒng)軟件[9]

控制主程序完成自空桶位置檢測(cè)到大桶灌裝完畢的整個(gè)自動(dòng)灌裝過(guò)程，其順序控制圖（ SFC ）如圖 4 所示。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)密封膠生產(chǎn)及灌裝工序的特殊性， 對(duì)控制硬件、軟件進(jìn)行了大量的調(diào)試工作。 該自動(dòng)灌裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，每桶灌裝誤差控制在 200g 以下，且每桶的灌裝量不再受生產(chǎn)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(guò)程的控制難點(diǎn)，克服傳統(tǒng)灌裝方式的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了灌裝過(guò)程自動(dòng)化，降低了操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，改善了勞動(dòng)環(huán)境。 使用一年多證明，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

 

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