GDX2包装机拉线偏移检测的设计

程华桂

龙岩烟草工业有限责任公司  福建省 龙岩市  364021

摘要：卷烟厂包装机，把带有拉线的透明纸切割成等长的透明纸，然后把透明纸包裹在烟盒上，从而制作出带有拉线的烟盒。拉线缺失或者跑偏属于产品质量缺陷，设计一种拉线偏移距离检测方法和装置，当检测到拉线偏移距离超过预设值时，系统发出停机信号和警示，以保证烟包的包装质量。

关键词：光电检测器;PLC;按钮;信号

引言

GDX2包装机是意大利GD公司制造的用于包装香烟成品的机器。在制造过程中，拉线粘贴在透明纸上经过等长切割进入包装轮包裹着烟盒，在生产过程中，由于传动导轮异常会产生拉线内偏或外偏的现象，从而形成拉线跑偏的烟包。拉线偏移超过工艺范围，烟包流入下一个包装工序前没有被发现的话，则属于较大的质量事故。

本设计提供一种拉线偏移的检测方法和装置，能够自定义跑偏值，当跑偏距离超过设定值时发出停机信号和报警，提醒作业人员处理拉线跑偏，从而保证生产质量。

设计内容：

本设计包括：一个带常开触点的非自锁式按钮、一个带常开触点的自锁式按钮、两个完全相同的对射式光电检测器，停机信号、报警指示灯以及HMI人机界面。

一、硬件布局

1.检测器B是与检测器A完全相同的检测器，没有拉线粘贴的透明纸的两侧安装检测器B的接收端和发射端。检测器A的接收端和发射端则安装在刚好拉线粘贴的透明纸的两侧。两个检测器发射光源相同大小，接受端也相同大小，且形状为完全相同的矩形, 矩形的宽度与拉线的宽度相同。发射端发出的光线均匀分布，接收端接受到的光量大小与检测器的电压输出大小成正比。

2、将对射式光电检测器A与B的信号接入PLC的两个模拟量输入端，自锁式按钮上常开触点一端接到24V直流电源正极，一端接入PLC的第一个数字量输入端，此按钮定义为停机允许按钮；将非自锁式按钮的常开触点一点接到24V直流电源正极，另一点接入PLC的第二个数字量输入端，此按钮定义为校准启动按钮；

3、PLC的数字量输出有两路信号：停机信号，并入原包装机的停机信号；一路输出连接至报警指示灯。PLC通过串口通讯线连接至HMI人机界面,用于实时显示偏移量、修改偏移预设值。

二、拉线跑偏检测理论方法

1、检测器输出电压大小与光接收量正相关，通过对检测A和B检测的电压值进行换算，可以得到拉线的偏移量。机器在生产中因为拉线的导轮因为机械磨损会产生位移，因此必须定期对计算系统进行校准，故添加校准程序。

定义以下参数

Z：透明纸上的拉线跑偏距离

VA：光电检测器A实时的电压信号大小

VA0：当拉线没有偏移时，光电检测器A的电压信号值

VB：光电检测器B实时的电压信号值

X：拉线的宽度

M:人为定义的拉线可偏移量

通过推导得到拉线偏移距离Z为：。当拉线在标准位置时，按下校准启动按钮，获取此时检测器VA0的数值，使得Z的校准值为0，即取VA0的值等于当前VA的值。在校准后，包装机即可投入运行。

在运行过程中将Z值实时显示在HMI，并且在HMI添加M值的修改功能。如果Z＞M，且停机允许按钮按下，则PLC输出停机信号和报警指示灯信号，并在HMI上显示“拉线偏移Z毫米”。若挡车工处理拉线偏移，拉线回归标准位置PLC便不再输出停机信号，包装机可继续运行。若停机允许按钮未按下，则PLC不输出停机信号，仍输出报警指示灯信号，而HMI依然显示“拉线偏移Z毫米”，提醒挡车工处理拉线偏移。

2、拉线跑偏检测计算推导过程

选取型号相同的对射式光电检测器A和B，矩形CDEF为光电检测器接收端接收光线和发射端发射光线的部分，其宽度为X，长度为Y；发射源的光均匀分布，单位面积上发出的光量为I；到达检测器接收端接收光线部分（即矩形CDEF）上的光由传感器转换为电压信号，接收的光量与电压信号大小成正相关，在光电检测器的接收端和发射端之间无任何物体时，接收端的光量达到最大，为XYI，此时光电检测器输出最大电压信号，其值为V0，于是对于矩形CDEF，1个单位的光量转变为的电压为。

透明纸的透光率为α，拉线的宽度为X，透明纸粘贴拉线后的透光率为β，该透光率表示透过遮挡物后的接收光量与入射光量的比值，0≤β＜α≤1。

对光电检测器B而言，发射端发出的光线穿过透明纸后被接收端接收，发射端发出的总光量为XYI，则接收端接收的透光量为αXYI，那么检测器B输出的电压信号大小VB为：

…………………………………………………①

拉线处于标准位置时，矩形CDEF刚好与拉线完全重合，即矩形CDEF接收的光量全部经过拉线后才能被矩形CDEF接收，发射端发射的总光量为XYI，则接收端接收的总光量为βXYI，因此检测器A输出的电压信号大小VA0为：

……………………………………………….②

当拉线偏移标准位置时，跑偏后的拉线与矩形CDEF的交点为G和H，此时跑偏距离设为Z；对于矩形CGHE，检测器A发射端的光线须通过透明纸才可到达接收端，此时矩形CGHE面积为ZY，则检测器A在CGHE上发出的总光量为ZYI，矩形CGHE接收的光量为αZYI。

对于矩形GDFH，检测器A发射端发出的光线要经过拉线后才达到接收端，矩形GDFH面积为（X-Z）Y，则检测器A在GDFH上发出的总光量为（X-Z）YI，矩形GDFH接收的光量为β（X-Z）YI；矩形CDEF接收的总光量为矩形CGHE接收的光量与矩形GDFH接收的光量之和，即αZYI+β（X-Z）YI，因此检测器A输出的电压信号大小VA为：

…………………③

综合公式①②③，即

得到：

………………………………………………………④

当Z≤X的时，公式④适用；当Z＞X时，VA=VB，由公式④计算可以得到Z=X，即当拉线偏移量大于拉线宽度X时，公式④计算得跑偏距离为X。

同理当拉线向内偏移时，也可以得到相同的计算公式④。

运行效果

在拉线标准位置时安装本系统硬件并校准计算值，通过调试该检测装置后，实现了包装机拉线距离偏移的实时计算和检测，能够直观的显示偏移量和修改偏移报警值，在拉线偏移超过预设值时发出停机信号和报警，具有可视化、高精度、可靠的特点，能够提高包装机运行效率同时保证生产质量。

参考文献

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[2]邵国、彭河发时艳霞.卷烟用GDX2包装机外置PLC整合改造[J].机电产品开发与创新，2011年04期

[3]廖常初.S7-300/400PLC应用技术.机械工业出版社，2008年6月1日

[4]顾健.基于PLC的电气自动化控制系统设计及应用 [J]  .今日自动化，2019年第004期