基于PLC的负极片自动包装控制系统开发.pdf

第 1 0期 2 0 1 2年 l 0月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 73 文童编 号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 1 0 0 1 7 3 0 3 基于 P L C的负极片 自动 包装控制 系统开发 术 李 鹏张家梁杨建国 东华大学 机械工程学院， 上海 2 0 1 6 2 0 De v e l o p me n t o f t h e Ne g a t i v e F i l m Au t o ma t i c P a c k a g i n g Co n t r o l Sy s t em Ba s e d o n t h e PL C L I P e n g ， Z HANG J i a l i a n g ， YANG J i a n g u o C o l l e g e o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g ， Do n g Hu a Un i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0， C h i n a 【 摘要】 锌银电池负极片是锌银电池的关键能量部件， 包装是锌银电池负极片生产的关键工序。 目前 负极片生产仍采用工人手工生产方式， 效率低、 劳动强度大， 危害人体健康 ， 无法满足我 国以航空航 天为代表的军工产品需求。通过对锌银电池 负极片包装方法设计及其工艺开发， 设计了以可编程逻辑 控制器 P L C 为基础的负极片生产线 自动包装控制 系统， 以满足负极片制造装备 自动化的需要。 工程运 用表明有效地提高了负极片生产的效率， 避免了有毒物质对生产人员健康的损害。 关键词 包装系统 ； 负极片 ； 自动系统； P L C 【 Ab s t r a c t 】 N e g a t i v e F i l m i s t h e k e y e n e r g y c o m p o n e n t o fz i n c s i l v e r b a t t e r y ， a n d p a c k a g i n g i s t h e k e y s t e p i n t h e p r o d u c t i o n ofz i n c s i l v e r b at t e r y ． T h e n e g ati v e fil m p a c k a g i n g i s s t i l l u s i n g m a n u a l m o d e ofp r 0 一 d u c t i o n ， w h i c h i s i n l o w e f fic i e n c y ， h i g h l a b o r i n t e n s i t y ， a n d b e i n g h a r m f u l t o h u m a n h e alt h ， al l ofw h i c h c a n n o t s at i s f y t h e mi l i t a r y d e m a n d ． o f o u r c o u n t r y r e p r e s e n t ati v e a e r o s p a c e p r o d u c t T h r o u g h t h e d e s i g n of n e g a - t i v e fil m p a c k a g i n g me t h o d and t h e d e v e l o p me n t of i t s p r o c e s s ， a n e g at i v e fil m a u t o mat i c p ack a g i n g c o n t r o l s t e m b a s e d o n P L C is d e v e l o p e d i n t h i s art i c l e ， w h i c h is t o me e t t h e n e g ati v e fil m m a n u f a c t u r i n g e q u ip m e ri t aut o mat i o n n e e d s ． E n g i n e e r i n g a p p l i c at i o n s h o w s i t C an e ffe c t i v e l y i m p r o v e t h e p r o d u c t i o n e f fi c i e n c y of t h e n e g ati v e fil m a n d a v o i d t h e t o x i c s u b s t a n c e s t h a t d a m a g e t h e h e alt h ofp r o d u c t i o n p e o p l e ． Ke y W o r d s ． P a c k a g i n g S y s t e m ； Ne g a t i v e F i l m ； Au t o ma t i c S y s t e m ； P LC 中图分类号 T H1 6 ； T B 4 8 9 ； T P 2 7 3 ． 5 文献标识码 A 1引言 2负极片自动包装系统工艺开发 锌银电池用作返回式卫星、 运载火箭、 导弹、 鱼雷等军用设 2 ． 1负极片包装方法设计 备中的控制系统的高性能电源部件。 它具有极高的比功率和比能F 。 量以及电压平稳、 安全性好等优点， 受到了国防工业产品研发企 。／ i _ ／ 业的高度关注I ’ - 2 1 ， 对其质量的要求越来越高， 产量的要求越来 越大。 锌银电池负 极片 以 下简称负极片 是锌银电 池的 关键能任 ] 4 5 6 罔 量部件。0 习 圆 1 3 目前我国的负极片生产仍采用工人手工生产方式， 效率低、 7 8 9 劳动强度大 ， 且生产负极片时为了增加放 电物质活性 ， 在原材料 鼠】 日 t 中添加汞等有害物质， 会严重损害工人的身体健康I2 l 。 1 0 1 l 1 2 在此背景下， 对锌银电池负极片的自动化生产进行研究， 显 图l负极片包装方法 得十分必要。包装对于锌银电池负极片有容纳、 保持、 保护的功 负极片经过铺包装纸及膏体成型之后，得到负极片半成品 能， 在手工生产中， 就是负极片质量是否达标的关键工艺。同样， 如图 1中0 所示 。极片的包装对象是负极片半成品， 经过自动 自动化包装也是锌银电池负极片自动化生产的核心技术之一， 自 生产线的 9 个工位 切纸、 铺纸、 放模、 涂膏 1 、 压制 l 、 放银网、 涂 动包装系统的包装效果好坏就是负极片自动生产成败与否的直 膏 2 、 压制 2 、 脱模 之后得到的半成品， 其包装过程分四折， 从极 接体现。 片的银网导流条开始依次为第一折 如图 1 中 1 、 2 、 3 所示 、 第二 因此， 开发 自动化包装系统来取代当前的手工包装， 对提升 折 如图 1中4 、 5 、 6所示 、 第三折 如图 1 中 7 、 8 、 9 所示 、 第四 锌银电池生产 自动化水平、 提高负极片生产效率、 改善工人劳动 折 如图 1中 1 0 、 1 1 、 1 2所示 ， 每一折由垂直导起 如图 1中 1 、 状况及改善我国航天电池保障能力具有重要的作用。 4 、 7 、 1 0所示 、 水平推折 如图 1中 2 , 5 、 8 、 1 1 所示 、 垂直下压 ★来稿 日期 2 0 1 1 - 1 2 1 6 ★基金项 目 组建上海工程技术研究 中心科研计划项 目 1 0 D Z 2 2 5 0 3 0 0 1 7 4 李 鹏等 基于P L C的负极片自 动包装控制系统开发 第 1 O 期 如图 1 中3 、 6 、 9 、 1 2所示 3个步骤组成。经过以上 1 2个包装动 作， 最终获得负极片成品 如图 1 中 1 3所示 。 2 _ 2负极片包装系统工艺开发 负极片包装系统通过负极片半成品放置工装台，进行折纸 包封， 完毕后从包装机输出到后续的检验工位。负极片自动包装 工艺系统由6 个工位组成 ， 如图2所示。 包括上料工位， 1 号～ 4 号 折叠工位以及翻转输出工位。 叠工位 图 2包装工艺示意图 根据包装方法以及工艺系统组成，可以得到负极片自动包 装工艺过程。负极片半成品放人到工装台 固定块 后， 设备开始 自动运转。工装台向下步进运动， 当负极片半成品经过 1 号折叠 工位固定块后， 工装台自动停止 ， 折纸机械手 自动将包装纸折好。 负极片半成品继续向下运动， 需要折叠的包装纸各边都将被折叠 好。当所有的边被折好后， 负极片由旋转气缸翻转 1 8 0 ， 通过传 送带完成包装的自动输出。 由此， 自动包装工艺流程图， 如图3所 示。 1 折叠工位以及翻转输出工位由对应气缸驱动的机械 手进行动作，而上料工位涉及到与负极片半成品生产线集成， 故 在自动包装系统中分拆成 3个单步， 系统设计时为实现全部 自动 化生产留出接口。 图 3 自动包装工艺流程图 3包装系统控制硬件开发 3 ． 1硬件组成及工作原理 可编程逻辑控制器 P L C 具有可靠性高， 抗干扰性强 ， 功能 齐全， 体积小 ， 灵活可扩 ， 软件直接 、 简单， 维护方便， 外形美观等 优点[5 1 ， 故本系统采用 P L C作为下位 机 ， 控制面板作 为上位机 。 P L C控制器一方面对包装机的运行进行控制， 另一方面与人机操 作面板通讯， 接受操作者发出的操作指令。 操作面板作为上位机 ， 用于工作方式选择、 参数设置和自动、 手动控制切换以及故障报 警等。 控制面板为整个控制系统提供人机交互页面，操作人员通 过它向P L C发出操作指令， 对 P L C程序的进行参数设置和修改， 监控各设备运行状况， 故障报警， 保存工作记录。 控制面板通过串 行口与 P L C相连并进行相互通信。 包装机控制系统硬件配置， 如图4所示。主要包括 系统控 制器， 模块化 P L C单元 P L C的 C P U自带高速计数器 ， 检测元 件， 控制面板， 控制元件， 执行元件， 反馈元件以及信号指示元件 等。 P I I 执行兀件 电机 、 气缸 I t 反馈元件 控制面板 控制元件 位置传感器 继电器、 接触器、 电磁阀 J r t t 中央处理单元 输入输出I ／ O口 C P U 电机、 气缸 t J 检测元件 指示元件 光电传感器、 磁性开关 报警灯 、 蜂鸣器等 图 4控制系统硬件配置图 3 ． 2主要硬件选型 通过对自动包装系统顺序动作 、 性能特点及控制要求分析， P L C共需 2 4 个输入点， 2 1 个输出点。综合考虑性价比及以后的 扩容 ， 故选择某公司的 F X 3 u 一 6 4 M型 P L C 3 ， 1 4个亚德客 4 V 2 1 0 0 6电磁 阀，一个 D C 2 4 V电源 ， 2 2 个继 电器 ，以及 5 个 A o t o r o F R1 2 - 4 D P型位置传感器 、 5个 C J 1 W O D 2 1 1型输出单元。其 P L C控制系统 I ／ O配置简图， 如图5所示。 由于系统工位之间驱动采用电机， 而负载形式为垂直安装 ， 为保 证精 度 ，采用 额定 转速 3 0 0 0 R P M 的安 川伺 服步 进 电机 S G MG H - 0 9 A C A 6 C， 并配置聚盛 V G A的 P G 9 O L 1 1 0 ～ 1 9 7 0伺服 减速机 ， 电机驱动器采用安川 S G D M一 1 0 A D A 。 采用 E v i e w的 M T 4 0 0 0系列 H MI 触摸屏，具有 3 2位 R I S C C P U， 能迅速调用复杂的图形 ， 满足大多数用户的需要。 支持与绝 大多数的P L C直接通信， P L C传输数据不需要运行任何特殊程 序， 有效安全地完成现场数据采集 、 处理、 监控和输出。 4控制系统软件开发 为保证系统有两种工作方式，软件设计有手动工作方式及 自动工作方式两个模式。手动工作方式， 主要控制功能是通过不 同按钮实现不同操作， 这时软件的功能是把按钮的输入信号直接 变成输出信号， 驱动相应的机构动作。 自动工作方式， 软件的功能 是不断读取相应的输入信号的状态值， 同时根据这些状态值结合 工艺要求做出下一步的动作判断， 并输出相应的信号通过驱动电 路驱动机构动作。 No ． 1 0 O c t ． 2 0 l 2 机 械 设 计 与制 造 1 7 5 控制系统采用顺序控制设计方法进行设计，就是按照包装 工艺预先规定的顺序 ， 在各个输入信号的作用下， 根据内部状态 和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动有序地进行动 作。使用顺序控制设计法时首先根据系统的工艺流程， 画出顺序 功能图， 再根据顺序功能图画出梯形图13 1 。 I N 0U T L 2 4 V N C OM P E C OMO CO M Y 0 0 0 X0 0 0 C OM1 X0 01 Y0 01 X0 0 2 C OM2 X0 0 3 Y 0 0 2 X0 0 4 Y 0 0 3 xo0 5 Y0 04 X0 0 6 Y 0 0 5 X0 0 7 CO M X 0 1 0 妥 Y 0 0 6 X0 1 1 Y o o 7 X0 1 2 Y 0 1 0 X0 1 3 Y 0 1 1 X0 1 4 Y0 1 2 X01 5 Y01 3 X 01 6 Y0 1 4 X0 1 7 Y0 l 5 X 0 2 0 Y0 1 6 X021 Y01 7 X 0 2 2 Y0 2 0 X02 3 Y0 21 X02 4 Y0 22 X02 5 Y0 24 X 0 2 6 Y0 2 5 X 0 2 7 Y0 2 6 图 5 P L C控制系统 I ／ O简 图 图6控制系统程序流程图 控制系统程序流程图， 如图6 所示。为了保证动作的顺序性， 系统在软件设计上采用了前后动作互锁功能， 使前后动作严格按 照工作节拍进行。 当系统启动时， 从第一个工位开始顺序启动， 系 统停止时也是从第一个工位按工序顺序停止， 这样设计的目的是 避免半成品留在包装系统内， 给生产造成不便H 。 为最大限度地提高包装效率， 在对各工位执行系统 气动系 统 的启动时间分析的基础上， 优化系统动作完成最低时间。同 时， 在工位最下端设置长动的极片输出传送带， 只需 自动模块将 包好的负极片翻转到该传送带上即可，优化了系统有效包装时 间， 简化软件设计流程， 负极片自动包装系统实物运行图， 如图7 所示。 图 7负极片 自动包装系统实物运行 图 5结论 所设计的锌银电池负极片自动包装系统由P C C协调其内部 各设备之间的动作， 控制面板提供人机交互渠道， 包装工艺动作 合理、 可靠， 充分满足了锌银电池包装生产的技术要求， 能够实现 对多种规格负极片的包装生产， 通用性好、 结构可靠、 操作方便、 自动化程度高。 通过该系统负极片包装的可达到包装完成每片 2 0 s ， 是原来 手工包装所需时间的三分之一 ，经过统计质量合格率提高到 9 9 ％， 同时避免有毒物质对工人的危害 ， 对我国包装行业及航空 电源工业 的发展有着积极的意义。 包装系统已在国内某电源研究所成功应用，基于其特点可 扩展到其它类似的包装系统上， 例如服装或食品包装系统。 参考文献 [ 1 ] 郭自 强．在舰船上应用的锌银电池[ J 1 ． 船电技术， 2 0 0 1 ， 2 1 5 4 - 6 ， 2 5 ． [ 2 ] 张瑞阁， 王为， 熊长鑫．锌银电池银电极化成后的处理方法[ J ] ． 电源技 术 ， 2 0 0 7 ， 3 1 1 1 9 0 2 9 0 5 ． [ 3 ] 陈婵娟， 陈参， 曾东暖． 自动包装生产线控制系统设计[ J ] ． 液压与气动， 2 o 0 7 4 6 8 ． [ 4 ] 张波 ， 杨道升． D P P 一 2 5 0型包装机控制 系统设计 [ J ] ． 辽宁工业大学学 报 自然科学版 ， 2 0 0 9， 2 9 5 3 1 2 3 1 4 ． [ 5 ] 郭宗仁． 可编程式控制器应用系统设计及通信 网路技术[ M] ． 第 2版． 北 京 人民邮电出版社， 2 0 0 0 ． [ 6 ] 李蓓智， 李鹏， 杨建国负极片自 动化生产线总体设计及其关键技术研 究 [ J ] ． 东华大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 3 7 4 4 3 1 - 4 3 3 ． [ 7 J H a s a n k t e m， T u n c a y E r z u r u m l u a n d Mu s t a f a 1 ．A s t u d y o f t h e T a g u c h i o p t i mi z a t i o n me t h o d f o r S ur f a c e r o u g h ne s s i n fin i s h mi l l i n g o f mo l d s u r f a e e s [ J ] ．I n t J A d v Ma n u f T e c h n o l ， 2 0 0 6 2 8 6 9 4 7 0 0 ．