基于PLC 的医用口罩机控制系统设计

张俊鹏，王 勇，张爱国，黄俊清，周佳慧，石砚东，胡东阳，高 峰

（内蒙古一机集团瑞特精密工模具有限公司，内蒙古包头 014000）

0 引言

医用口罩能过滤空气中微粒物，阻隔飞沫、血液、体液、分泌物等，对一些病毒气溶胶、含病毒液体等具有隔离作用。2020年初新型冠状病毒肺炎的突然爆发，导致医用口罩的需求量剧增，随即对生产口罩及口罩机相关相关企业提出了更高、更严格的要求[1]。改进后的口罩机采用一拖二、一拖三的生产模式，由传送设备连接各工序，协调作业。主要功能包括送料、塑料条式铝条插入、截断、超声波熔合、切片等全制程自动化完成。主动变频调速，可快可慢，使用不同材料可生产不同的口罩，产品质量稳定、操作方便、噪声低、占地面积小。

PLC 由最初的顺序控制而不断发展，通过组合不同的模块，完成各种各样的功能，如模拟量输入输出，伺服控制，上位机通信等[2]。针对这一特点，结合其功能以PC 作为上位机，以PLC 作为基本控制单元的集控制和管理于一身的口罩生产控制系统在现代化生产及管理中越来越显示出高效性和优越性，用于口罩机控制系统能够加速口罩生产，解决市场需求不足的问题，因此研究基于PLC 的口罩生产控制设计具有非常现实的意义。

1 控制系统方案设计

医用外科全自动平面口罩机主要包括PLC、HMI（Human Machine Interface，人机界面）、变频器、驱动器、继电器、超声波、传感器、电磁阀、气缸等，系统组成如图1 所示。

图1 系统组成结构

PLC 主要完成对整个系统DI（Digital-Input，数字输入信号）的采集和DO（Digital-Onput，数字输出信号）的输出控制。DI 用于连接系统的各个传感器、按钮、开关等输入信号，将采集到的信息传送给PLC；DO 连接电磁阀、气缸等输出信号，完成对超声波、电磁阀、气缸等的控制。HMI 主要用于医用外科全自动平面口罩机控制系统的工作状态显示、参数设置和手动操作等功能。驱动器用于本体机中的主电机和外耳带焊接机的托料盘输送电机。传感器用于位置信号检测[3]。口罩半自动生产线如图2 所示。

图2 医用外科口罩半自动生产线

2 控制系统软件设计

程序运行流程如图3 所示。

图3 程序运行流程

程序设计使用PLC 梯形图程序编程软件进行编写。系统开机后，开启电箱内部电源热保护开关，外耳带焊接机与本体机启动，外耳带焊接机进料口传感器检测到托料盘有料，则气缸带动剪刀与送料电机同时动作，机械手夹持耳带，超声波焊接口罩本体与耳带后，送料电机带动托料盘将成品口罩送入料框；若外耳带焊接机进料口传感器检测到托料盘无料，则本体机主电机工作，将口罩机本体输送到外耳带焊接机托料盘，触发外耳带焊接机进料口传感器。口罩机物料盘控制程序如图4 所示。

图4 口罩机物料盘控制程序

耳带焊接的具体流程是外耳带焊接机进料口传感器检测到有料进入，托料盘便正向移动一个工位→机械手进行耳带线夹取→气缸伸缩、剪刀动作剪断耳带线→最边缘机械手旋转90°，将耳带线端点固定于口罩的焊接点→气缸下压，进行超声波焊接[4]。耳带焊接控制程序如图5 所示，耳带焊接结构如图6 所示。

图5 耳带焊接控制程序片段

图6 耳带焊接结构

3 人机交互界面设计

为方便口罩机生产节拍控制与故障排查的便捷性，在口罩机本体上设计人机交互界面（图7），使得生产过程可控化、可视化，并能通过人机交互界面实时反馈信息，从而对生产节拍进行调节。

图7 人机交互界面

口罩机主要用于口罩生产，它的性能参数高低决定产品质量的优劣，所以在生产过程中设计总产量显示与分产量显示窗口，用于监测口罩生产效率。根据使用者需求、口罩耳带焊接质量与口罩整体美观程度，开通外耳带焊接机的整体参数调整窗口，可以调整左、右耳带的延迟时间、接熔时间、固化时间、拉耳带速度，同时还可控制料盘速度、输送带时间、集料时间，在使用过程中可以随生产节拍控制各项参数，简化梯形图程序控制语段，改为可视化界面调节，具体功能见表1。

表1 自动操作界面

在自动生产过程中，假如出现生产流程问题，可通过手动操作界面进行调节（表2），可以对料盘、拉耳带闭爪气缸、拉耳带机构、耳带剪切、接熔气缸、出料电机、夹耳带上下气缸、超声波焊接机、旋转气缸、集料气缸进行手动操作，待故障解决，便可切换至自动生产模式。

表2 手动操作界面

4 产出技术指标

全自动平面口罩机采用一拖二生产模式，形成主要技术指标见表3。

表3 主要技术指标

5 结束语

采用基于PLC 控制系统设计使控制系统简洁明了、美观大方、易于操作；采用人机交互设计语言便于管理者对口罩生产流程进行有效完整的监控；动作机构全为气动系统，有利于口罩生产的卫生安全标准。控制系统设计采用梯形图编程方式，复杂度相对来说比较低，内含的缺陷数也比较少，降低系统运行中出现事故的概率，因此使其可靠性得到保障。基于PLC 的口罩生产控制系统能够较好提升其生产效率，相对于传统的控制模式来说，该控制系统的应用能够更为及时高效对具体控制目标和任务进行处理，能够有效提升其整体运行效率水平，保障生产流程的高效性。