基于可编程控制器（PLC）的喷胶控制系统设计
现代商业生产流通领域中，产品都离不开包装，而纸箱包装又在该领域中得到最广泛的应用。常见的纸板式装箱机主要有粘箱式和钉箱式两种。粘箱式的工作原理是利用熔胶系统将热熔胶熔解为液体，再通过电磁阀控制喷嘴阀芯，在压缩空气的作用下将熔化了的热熔胶呈条状喷射到纸箱表面，热熔胶冷却后即完成粘合。粘箱式工艺由于不含金属钉而更有利于保证内包装物品的安全性，对于内装软质物体和液态物体就显得更为重要，同时也显著提高了纸箱的强度，有利于被包装物品的长途运输。另外，由于无需除钉，纸箱回收再利用的环保效果明显，该方法中热熔胶封合控制的好坏直接影响到到产品质量、生产效率及生产成本。根据工业现场的应用要求，设计了一种基于PLC的喷胶控制系统，可根据纸箱规格形式的不同，灵活地调整胶体的喷射长度、喷射方式及喷射时间，实现喷点、喷条或喷雾等多种出胶形式。
1 热熔胶特性分析
乙烯一醋酸乙烯共聚物(EVA)是喷胶系统普遍使用的一种热熔胶，它是一种不需溶剂，不含水分的固态可熔性聚合物。EVA在常温下为固体，当加热到一定温度时转变为具有一定粘度的流动液体，该液体喷涂在物体表面，并经压合可在短时间内完成粘结固化。它的主要构成成分为EVA树脂、增粘剂和粘度调节剂。作为主成分的EVA树脂直接决定着热熔胶的性能，如粘结强度、熔化温度、抗拉强度以及耐温变形性能等。增粘剂一般采用聚合松香或萜烯，它的加入主要是防止温度下降时，EVA树脂的粘结力及对被粘物体表面渗透力的降低。为了在熔融温度、胶体流动性、浸润性，以及凝固速度之间取得最佳的结合点，常采用微晶石蜡或石蜡作为粘度调节剂。热熔胶的温度与物理状态特性如图1所示。
图1中：80～135℃为软化区域，当加热至80℃时，胶体开始软化并熔动；135～200℃为熔化区域，此时胶体热熔成可流动的液体，通过对该液体施加5×104～1×105Pa的压力，可控制胶体喷射到被粘物体表面的胶体长度。在整个喷胶控制过程中，加热温度不可超过200℃，否则胶体有燃烧的危险。EVA热熔胶的冷却固化通常是在室温下完成的，较理想的温度以15～26℃为宜，湿度应保持在50％左右。
2 PLC控制喷胶系统设计
粘箱式纸板装箱机的主要工序是将热熔胶喷在纸板上，喷胶位置、喷胶长度及喷胶时间等参数的准确控制都直接影响到纸箱成型的质量、美观和成本的控制，热熔胶系统控制原理如图2所示。控制器通过温度检测器和压力检测器判别热熔胶的温度和压力，一旦达到工作要求，则驱动电磁阀换向，然后压缩空气经胶管、胶分配器和开关被送到喷嘴，熔融状态的EVA被喷射到纸箱表面，再通过电机带动喷胶头移动，即可在纸箱表面喷射出一定长度的胶条。喷射结束后，电磁阀复位，压缩空气被截止而终止喷胶。通过人机接口可设置和显示相关过程控制参数。
2．1 系统硬件构成
从喷胶的加工工艺特性与性价比的角度，综合比较了PLC、单片机及工控机的控制特点，选用日本三菱(MITSUBISHI)公司的FX1N-40MR PLC作为控制器，实现点喷胶系统现场数据的采集、转换及控制功能。三菱FX1N-40MR PLC具有结构紧凑，通用性强，配制灵活等特点，既可以作为单独的PLC控制机，在单一平台上实现高速离散控制和复杂过程控制；也可以作为I／O子站，通过现场总线与多台PLC组成分布式的大型控制系统，实现生产线的批量化操作控制。
文中的点喷胶控制系统应用于纸箱的粘合，要求能够在一个纸箱的三个受胶面上(两个侧面和一个顶面)实现准确的连续喷胶和间断喷胶，PLC控制系统的I／O分配如表1所示。系统所需要使用的输入点包括激活喷胶的输入点、机器已经准备运行的输入点、加热和压缩空气已足够的输入点以及检测门被打开和急停被按下的检测输入点。系统所需要使用的输出点包括控制顶喷胶和侧喷胶气阀开关用的输出点、控制顶喷胶马达离合器的接合或分离的输出点、在机器运行中加热降温或压缩空气的气压不足需要停机的输出点和在机器运行中门被意外打开或急停被按下需要停机的输出点。
2．2 系统软件设计
PLC为周期扫描工作方式，因此将系统主功能设计成图3所示的主程序。在每一个扫描周期内该主程序均被执行，而顶喷胶控制模块、侧喷胶控制模块、空气压力与加热检测模块、紧急停止与安全门开关检测模块等则设计为子程序供调用。
PLC一个扫描周期包括三个阶段，依次为输入扫描、程序执行和输出刷新。首先按下设备启动按钮，空气压缩机和熔胶系统工作，通过空气压力继电器和温控器检测工作温度和压力，当这两个参数达到设定值时，空气压力继电器和温控器的常开触点闭合，喷胶工作的初始条件完成，否则易出现不喷胶或溢出而非喷射的现象。然后PLC读取通过控制面板输入的喷胶方式、喷胶时间及喷胶量等过程参数，同时检测喷胶头安全门是否全部关闭。由于喷胶工作室温度达到150℃且以喷射方式工作，因此喷胶头周围安装有有机玻璃的防护安全门，在正常工作状态下，安全门关闭，既保证工作安全，又便于观察设备实时运行状况。如果安全门由于某种原因突然被打开，则设备紧急停止，待安全门正常关闭后，按下复位按钮，设备继续工作。之后，电磁阀得电换向，喷胶头打开，熔胶在自身的压力下喷出。
喷胶长度的控制实际是通过控制电机带动喷胶头沿设定轨迹运动来实现，电机的连续转动和喷胶头的同步喷胶即可获得一个特定长度的胶条。通过在PLC内设定喷胶时间便可以在要求的范围内任意调节胶量的大小。通过控制喷胶头以间歇方式工作可在纸箱侧面获得断续的胶段。喷胶头的打开与关闭由电磁阀的换向实现，当熔胶压力达到设定值以后，电磁阀得电换向，喷胶头打开开始喷胶；当达到设定时间以后，电磁阀失电再换向，喷胶头关闭。
2．3 精度控制的补偿算法
电磁阀是一种具有较大延时的执行元件，它的开启和关闭均需要经历一定的时间，虽然这个时间只有毫秒级，且当喷胶头移动速度较低时，由于电磁阀延时打开或关闭造成的误差较小。考虑到生产效率的因素，提高喷胶头移动速度成为必然，但由此造成的误差也明显增大。为了尽可能减小此误差所造成的影响，在分析喷胶头移动速度、喷胶压力及电磁阀闭合特性相互关系的基础上，建立一个误差修正补偿的数学模型，即提供一个与相关影响因素有关的超前、滞后修正量，以补偿由于电磁阀延迟所导致的位置及长度误差。由于无法直接抽象出各参数之间的函数关系，因此采用高次多项式逼近法，构造相应的补偿曲线如式(1)所示，利用最小二乘法进行多项式的拟合求解。
令：x表示喷胶头移动的速度；y表示相应的补偿量，则选取m个实验数据(xi，yi)，其中i=1，2，…，n。通过最小二乘法构造如式(2)所示的关系矩阵，求解关于a0，a1，…，am的线性方程组，可得x，y之间的近似函数关系。
令：ωi=1，即取{1，x，…，xm)为基函数的代数多项式进行拟合。考虑到精度与速度平衡统一，经实验验证分析选取m=2，n=4，利用克莱姆(Cramer)算法求解出系数a)，a1，即可得补偿曲线方程式：
y=φ(x)=a0+a1x (3)
对多个喷胶控制头分别计算误差补偿曲线方程式，即可实现多个喷胶头同时多工位的粘箱加工控制。
3 系统调试
PLC控制系统的调试分软、硬件两部分进行。硬件调试主要检查电控元件是否正常可靠工作，线路连接是否正确，抗干扰措施是否合理。软件调试先分模块再系统总体调试，逐步分析程序运行是否符合控制要求，消除异常情况的发生。经在某纸箱粘箱生产线上的实际运行表明，PLC控制喷胶系统达到了实际生产的要求，系统可靠性高，易扩展，维护方便，抗干扰能力强。
4 结 语
纸箱封箱的热熔胶喷射粘结工艺有着严格的顺序控制要求，应用PLC对喷胶过程进行控制，可最大程度地消除传统继电器接触器控制系统的缺点。通过对影响喷胶速度和精度相关因素的研究，利用误差补偿模型的分析结果进行实时控制调整，使喷胶控制系统能够对多种规格类型的纸箱进行多方位、多形式、高准确度的喷胶加工，表现出良好的灵活性和可靠性。在对被控对象合理分析的基础上并兼顾成本要求，该系统还具备良好的拓展性；在对系统软硬件进行适宜调整的情况下，该系统可以适用于新的加工形式和控制对象。
1 热熔胶特性分析
乙烯一醋酸乙烯共聚物(EVA)是喷胶系统普遍使用的一种热熔胶，它是一种不需溶剂，不含水分的固态可熔性聚合物。EVA在常温下为固体，当加热到一定温度时转变为具有一定粘度的流动液体，该液体喷涂在物体表面，并经压合可在短时间内完成粘结固化。它的主要构成成分为EVA树脂、增粘剂和粘度调节剂。作为主成分的EVA树脂直接决定着热熔胶的性能，如粘结强度、熔化温度、抗拉强度以及耐温变形性能等。增粘剂一般采用聚合松香或萜烯，它的加入主要是防止温度下降时，EVA树脂的粘结力及对被粘物体表面渗透力的降低。为了在熔融温度、胶体流动性、浸润性，以及凝固速度之间取得最佳的结合点，常采用微晶石蜡或石蜡作为粘度调节剂。热熔胶的温度与物理状态特性如图1所示。
图1中：80～135℃为软化区域，当加热至80℃时，胶体开始软化并熔动；135～200℃为熔化区域，此时胶体热熔成可流动的液体，通过对该液体施加5×104～1×105Pa的压力，可控制胶体喷射到被粘物体表面的胶体长度。在整个喷胶控制过程中，加热温度不可超过200℃，否则胶体有燃烧的危险。EVA热熔胶的冷却固化通常是在室温下完成的，较理想的温度以15～26℃为宜，湿度应保持在50％左右。
2 PLC控制喷胶系统设计
粘箱式纸板装箱机的主要工序是将热熔胶喷在纸板上，喷胶位置、喷胶长度及喷胶时间等参数的准确控制都直接影响到纸箱成型的质量、美观和成本的控制，热熔胶系统控制原理如图2所示。控制器通过温度检测器和压力检测器判别热熔胶的温度和压力，一旦达到工作要求，则驱动电磁阀换向，然后压缩空气经胶管、胶分配器和开关被送到喷嘴，熔融状态的EVA被喷射到纸箱表面，再通过电机带动喷胶头移动，即可在纸箱表面喷射出一定长度的胶条。喷射结束后，电磁阀复位，压缩空气被截止而终止喷胶。通过人机接口可设置和显示相关过程控制参数。
2．1 系统硬件构成
从喷胶的加工工艺特性与性价比的角度，综合比较了PLC、单片机及工控机的控制特点，选用日本三菱(MITSUBISHI)公司的FX1N-40MR PLC作为控制器，实现点喷胶系统现场数据的采集、转换及控制功能。三菱FX1N-40MR PLC具有结构紧凑，通用性强，配制灵活等特点，既可以作为单独的PLC控制机，在单一平台上实现高速离散控制和复杂过程控制；也可以作为I／O子站，通过现场总线与多台PLC组成分布式的大型控制系统，实现生产线的批量化操作控制。
文中的点喷胶控制系统应用于纸箱的粘合，要求能够在一个纸箱的三个受胶面上(两个侧面和一个顶面)实现准确的连续喷胶和间断喷胶，PLC控制系统的I／O分配如表1所示。系统所需要使用的输入点包括激活喷胶的输入点、机器已经准备运行的输入点、加热和压缩空气已足够的输入点以及检测门被打开和急停被按下的检测输入点。系统所需要使用的输出点包括控制顶喷胶和侧喷胶气阀开关用的输出点、控制顶喷胶马达离合器的接合或分离的输出点、在机器运行中加热降温或压缩空气的气压不足需要停机的输出点和在机器运行中门被意外打开或急停被按下需要停机的输出点。
2．2 系统软件设计
PLC为周期扫描工作方式，因此将系统主功能设计成图3所示的主程序。在每一个扫描周期内该主程序均被执行，而顶喷胶控制模块、侧喷胶控制模块、空气压力与加热检测模块、紧急停止与安全门开关检测模块等则设计为子程序供调用。
PLC一个扫描周期包括三个阶段，依次为输入扫描、程序执行和输出刷新。首先按下设备启动按钮，空气压缩机和熔胶系统工作，通过空气压力继电器和温控器检测工作温度和压力，当这两个参数达到设定值时，空气压力继电器和温控器的常开触点闭合，喷胶工作的初始条件完成，否则易出现不喷胶或溢出而非喷射的现象。然后PLC读取通过控制面板输入的喷胶方式、喷胶时间及喷胶量等过程参数，同时检测喷胶头安全门是否全部关闭。由于喷胶工作室温度达到150℃且以喷射方式工作，因此喷胶头周围安装有有机玻璃的防护安全门，在正常工作状态下，安全门关闭，既保证工作安全，又便于观察设备实时运行状况。如果安全门由于某种原因突然被打开，则设备紧急停止，待安全门正常关闭后，按下复位按钮，设备继续工作。之后，电磁阀得电换向，喷胶头打开，熔胶在自身的压力下喷出。
喷胶长度的控制实际是通过控制电机带动喷胶头沿设定轨迹运动来实现，电机的连续转动和喷胶头的同步喷胶即可获得一个特定长度的胶条。通过在PLC内设定喷胶时间便可以在要求的范围内任意调节胶量的大小。通过控制喷胶头以间歇方式工作可在纸箱侧面获得断续的胶段。喷胶头的打开与关闭由电磁阀的换向实现，当熔胶压力达到设定值以后，电磁阀得电换向，喷胶头打开开始喷胶；当达到设定时间以后，电磁阀失电再换向，喷胶头关闭。
2．3 精度控制的补偿算法
电磁阀是一种具有较大延时的执行元件，它的开启和关闭均需要经历一定的时间，虽然这个时间只有毫秒级，且当喷胶头移动速度较低时，由于电磁阀延时打开或关闭造成的误差较小。考虑到生产效率的因素，提高喷胶头移动速度成为必然，但由此造成的误差也明显增大。为了尽可能减小此误差所造成的影响，在分析喷胶头移动速度、喷胶压力及电磁阀闭合特性相互关系的基础上，建立一个误差修正补偿的数学模型，即提供一个与相关影响因素有关的超前、滞后修正量，以补偿由于电磁阀延迟所导致的位置及长度误差。由于无法直接抽象出各参数之间的函数关系，因此采用高次多项式逼近法，构造相应的补偿曲线如式(1)所示，利用最小二乘法进行多项式的拟合求解。
令：x表示喷胶头移动的速度；y表示相应的补偿量，则选取m个实验数据(xi，yi)，其中i=1，2，…，n。通过最小二乘法构造如式(2)所示的关系矩阵，求解关于a0，a1，…，am的线性方程组，可得x，y之间的近似函数关系。
令：ωi=1，即取{1，x，…，xm)为基函数的代数多项式进行拟合。考虑到精度与速度平衡统一，经实验验证分析选取m=2，n=4，利用克莱姆(Cramer)算法求解出系数a)，a1，即可得补偿曲线方程式：
y=φ(x)=a0+a1x (3)
对多个喷胶控制头分别计算误差补偿曲线方程式，即可实现多个喷胶头同时多工位的粘箱加工控制。
3 系统调试
PLC控制系统的调试分软、硬件两部分进行。硬件调试主要检查电控元件是否正常可靠工作，线路连接是否正确，抗干扰措施是否合理。软件调试先分模块再系统总体调试，逐步分析程序运行是否符合控制要求，消除异常情况的发生。经在某纸箱粘箱生产线上的实际运行表明，PLC控制喷胶系统达到了实际生产的要求，系统可靠性高，易扩展，维护方便，抗干扰能力强。
4 结 语
纸箱封箱的热熔胶喷射粘结工艺有着严格的顺序控制要求，应用PLC对喷胶过程进行控制，可最大程度地消除传统继电器接触器控制系统的缺点。通过对影响喷胶速度和精度相关因素的研究，利用误差补偿模型的分析结果进行实时控制调整，使喷胶控制系统能够对多种规格类型的纸箱进行多方位、多形式、高准确度的喷胶加工，表现出良好的灵活性和可靠性。在对被控对象合理分析的基础上并兼顾成本要求，该系统还具备良好的拓展性；在对系统软硬件进行适宜调整的情况下，该系统可以适用于新的加工形式和控制对象。