王純賢，許爍* ，胡明月，駱臣勇

（1.合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)，安徽 宣城242000；2.安徽華藝印刷包裝有限公司，安徽 宣城 242074）

0 引言

精裱紙盒是食品、飲料、酒類、醫(yī)藥、電子等行業(yè)產(chǎn)品配套的重要包裝產(chǎn)品，其形狀和結(jié)構(gòu)根據(jù)所包裝的產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)表現(xiàn)為各種形態(tài)[1-3]。圖1是某印刷包裝企業(yè)生產(chǎn)的酒類精裱紙盒的結(jié)構(gòu)，其中盒蓋和瓶體固定板需要通過粘接劑裝配到一起。以往生產(chǎn)中采用手工裝配，操作人員需要手工取出盒蓋，將粘接劑涂抹在盒蓋特定位置，然后將瓶體固定板粘接到盒蓋上的指定位置。由于是人工操作，因此勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、成本高，嚴(yán)重制約著企業(yè)的生產(chǎn)產(chǎn)能，為此我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)了自動(dòng)化裝配設(shè)備。

盒蓋與瓶體固定板自動(dòng)裝配系統(tǒng)為精裱紙盒柔性生產(chǎn)線的一個(gè)獨(dú)立的工作站，工作過程中一方面要自動(dòng)完成盒蓋下料、間歇式輸送、取膠點(diǎn)膠、固定板取料以及壓配、成品輸送等動(dòng)作，同時(shí)也需要與精裱紙盒柔性生產(chǎn)線的其它自動(dòng)工作站配合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化生產(chǎn)。因此，本文采用分層控制結(jié)構(gòu)，頂層采用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)控制，工作站層采用PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工作站的自身控制，兩者通過網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互和設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

圖1 盒蓋與瓶體固定板裝配結(jié)構(gòu)Fig.1 Assembly structure of refined carton's lid and retaining plate

1 自動(dòng)裝配系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

盒蓋與瓶頂固定板自動(dòng)裝配系統(tǒng)由機(jī)械主體、動(dòng)力系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)三部分組成（圖2）。機(jī)械主體主要由盒蓋分料供料機(jī)構(gòu)、間歇式輸送機(jī)構(gòu)、取膠點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)、固定板取料裝配機(jī)構(gòu)等組成。動(dòng)力系統(tǒng)包括間歇式輸送機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)、取膠步進(jìn)電機(jī)、固定板取料步進(jìn)電機(jī)、傳送帶電機(jī)和多個(gè)氣缸組成。

圖2 盒蓋與瓶頂固定板自動(dòng)裝配系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 The overall structure of the automatic assembly system for refined carton's lid and retaining plate

裝配系統(tǒng)工作時(shí)，首先完成盒蓋供料機(jī)構(gòu)下料動(dòng)作，盒蓋料倉上固定安裝有縱向、橫向兩對(duì)氣缸，完成盒蓋的單片分離并落在間歇式送料機(jī)構(gòu)上。送料機(jī)構(gòu)將盒蓋送到點(diǎn)膠工位，取膠點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)在膠水盒內(nèi)取膠后運(yùn)動(dòng)到指定位置，在盒蓋上進(jìn)行點(diǎn)膠，之后由輸送機(jī)構(gòu)移動(dòng)到粘接裝配工位。瓶體固定板取料機(jī)構(gòu)，利用真空吸盤從固定板料倉中取出單片固定板，運(yùn)動(dòng)到指定位置，通過氣缸下壓，將固定板壓緊粘接到盒蓋上。裝配好的盒蓋和固定板由輸送機(jī)構(gòu)推送到傳送帶上。

2 自動(dòng)裝配控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了保證盒蓋與瓶體固定板自動(dòng)裝配系統(tǒng)在整個(gè)精裱紙盒柔性生產(chǎn)線中，與其他各個(gè)自動(dòng)裝配工作站協(xié)調(diào)運(yùn)行，控制系統(tǒng)采用分層控制方式[4]，上層采用PC機(jī)，中間層采用PLC及擴(kuò)展模塊，底層由各類現(xiàn)場I/O設(shè)備組成（圖3）[5]。具體功能為：

1）中央監(jiān)控管理層（上層）：PC機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理各個(gè)工作站，通過PLC進(jìn)行調(diào)度和協(xié)調(diào)控制；

2）系統(tǒng)控制核心層（中間層）：PLC及其擴(kuò)展模塊與上層通信，向底層發(fā)送執(zhí)行指令；

3）現(xiàn)場運(yùn)行操作層（底層）：接受PLC指令，完成現(xiàn)場I/O設(shè)備的執(zhí)行和數(shù)據(jù)采集。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the control system structure

上位PC機(jī)采用組態(tài)軟件組態(tài)王（Kingview6.5），通過Ethernet網(wǎng)絡(luò)通訊方式與精裱紙盒生產(chǎn)線各個(gè)工作站的PLC控制器相連接[6]，通過對(duì)PLC控制器的內(nèi)存單元內(nèi)容進(jìn)行讀取，并且以畫面的形式將生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)顯示出來，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，同時(shí)對(duì)PLC控制器內(nèi)存單元的寫入，對(duì)各個(gè)生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行修改，對(duì)生產(chǎn)線各個(gè)工作站的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，完成控制任務(wù)，另外根據(jù)對(duì)各個(gè)工作站的數(shù)據(jù)采集，完成報(bào)警、工作情況報(bào)表等信息的記錄以及查詢工作[7]。通過觸摸屏，完成生產(chǎn)過程中工作站PLC的設(shè)置參數(shù)調(diào)整和設(shè)置。PLC控制器接收上位機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)、現(xiàn)場接近開關(guān)與傳感器反饋過來的現(xiàn)成設(shè)備狀態(tài)信息，完成邏輯控制任務(wù)，并發(fā)出控制命令控制電磁閥與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器等現(xiàn)場I/O設(shè)備[8]。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC的選型設(shè)計(jì)

PLC一般是根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行選型的[9]，由于盒蓋和固定板自動(dòng)裝配系統(tǒng)控制對(duì)象較多，有10個(gè)傳感器，3個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，12個(gè)電磁閥，以及報(bào)警器和啟停開關(guān)等，共有13個(gè)輸入點(diǎn)和19個(gè)輸出點(diǎn)，同時(shí)要求PLC至少有三個(gè)高速脈沖輸出端口以便與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器相連接,因此選擇臺(tái)達(dá)PLC DVP-12SA2及擴(kuò)展模塊DVP-32XP200T。

臺(tái)達(dá)PLC主機(jī)通過I/O模組連接口與擴(kuò)展模塊直接相連，擴(kuò)展模塊上的輸入、輸出地址分別從X20、Y20開始，PLC中X0-X7、擴(kuò)展模塊中X0-X4(對(duì)應(yīng)程序地址X20-X24)依次與開關(guān)以及傳感器相連[10]，PLC中Y0-Y2分別與三個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)負(fù)端口相連，擴(kuò)展模塊中Y0-Y2（對(duì)應(yīng)程序地址Y20-Y22）分別與個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的脈沖方向信號(hào)負(fù)端口相連，擴(kuò)展模塊中Y3-Y17(對(duì)應(yīng)程序地址Y23-Y37）依次與各電磁閥及報(bào)警指示燈相連。表1是PLC及擴(kuò)展模塊的I/O端口分配，圖3為PLC及擴(kuò)展模塊外部接線圖。

表1 PLC及擴(kuò)展模塊I/O端口分配表Tab.1 PLC and extension module I/O ports allocation table

3.2 PLC程序的開發(fā)

控制系統(tǒng)中PLC程序主要包括公共部分程序、自動(dòng)運(yùn)行程序、監(jiān)控程序以及手動(dòng)控制程序。自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)控制程序，可通過觸摸屏進(jìn)行切換，自動(dòng)運(yùn)行程序用于控制工作站各機(jī)構(gòu)按照盒蓋裝配體生產(chǎn)工藝進(jìn)行動(dòng)作，手動(dòng)控制程序用于設(shè)備的安裝調(diào)試和檢修。根據(jù)控制要求，在系統(tǒng)啟動(dòng)之后，首先運(yùn)行公共部分的初始化程序，初始化程序主要是對(duì)系統(tǒng)的一些參數(shù)賦初值，使各參數(shù)恢復(fù)到初始運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 PLC及擴(kuò)展模塊外部接線圖Fig.4 The external wiring diagram of PLC and extension module

PLC自動(dòng)生產(chǎn)程序的編寫首先進(jìn)行程序流程圖的設(shè)計(jì)，然后根據(jù)程序流程圖進(jìn)行控制程序的編制[11]。根據(jù)盒蓋與固定板的自動(dòng)裝配過程，PLC的自動(dòng)運(yùn)行模式控制流程圖如圖5所示。

3.3 PLC與PC機(jī)的通訊

臺(tái)達(dá)DVP-SA2 型PLC自身具備Ethernet網(wǎng)絡(luò)通訊功能，打開PLC編程軟件WPLSoft，在菜單欄中選擇“設(shè)置”里的“通訊設(shè)置”，選擇“Ethernet”，并輸入上位PC機(jī)的IP地址和通訊端口號(hào)。同時(shí)在PC上打開組態(tài)王開發(fā)界面，選擇“設(shè)備”并點(diǎn)擊“新建”按鈕，在彈出的“設(shè)備配置向?qū)А敝羞x擇“PLC”-“臺(tái)達(dá)”-“X2000NET”-“以太網(wǎng)”，完后后點(diǎn)擊“下一步”，設(shè)置設(shè)備名稱以及設(shè)備地址（地址需要與PLC的IP地址相對(duì)應(yīng)）[12]。

經(jīng)過上述PLC控制器與觸摸屏的設(shè)置之后，當(dāng)啟動(dòng)組態(tài)王工程時(shí)，組態(tài)王會(huì)自動(dòng)與PLC連接進(jìn)行通訊[13-14]。

4 組態(tài)王界面開發(fā)

根據(jù)盒蓋與瓶體固定板自動(dòng)裝配系統(tǒng)控制要求，組態(tài)王軟件主要建立了監(jiān)控界面、報(bào)警及時(shí)間、系統(tǒng)實(shí)時(shí)報(bào)表、系統(tǒng)歷史報(bào)表等畫面，工作狀況下，各獨(dú)立功能畫面為全屏顯示以避免出現(xiàn)誤操作的情況[15]。

1）組態(tài)王監(jiān)控界面圖6所示，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中通過與PLC通訊，將整個(gè)盒蓋與瓶體固定板自動(dòng)裝配系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)狀態(tài)、機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度、開關(guān)以及傳感器信號(hào)、生產(chǎn)模式在界面上實(shí)時(shí)顯示出來。監(jiān)控畫面中的指示狀態(tài)圖素均通過動(dòng)畫連接與PLC的內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)際生產(chǎn)過程中PLC內(nèi)部存儲(chǔ)器內(nèi)容的改變，監(jiān)控畫面中的指示狀態(tài)圖素也隨之更改，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果。

圖5 自動(dòng)運(yùn)行模式控制流程圖Fig.5 The control flow chart of the automatic running mode

2）報(bào)警及事件界面如圖7所示，組態(tài)王軟件的運(yùn)行系統(tǒng)中能夠?qū)δM量（如機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度）的報(bào)警閾值進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)?shù)陀谧钚≈岛透叱鲎畲笾堤崾緢?bào)警，并在界面的報(bào)警列表中對(duì)報(bào)警位置、報(bào)警原因、報(bào)警事件等情況進(jìn)行顯示，同時(shí)在報(bào)警量恢復(fù)正常之后報(bào)警恢復(fù)并在報(bào)警列表中顯示。

3）系統(tǒng)實(shí)時(shí)報(bào)表和歷史數(shù)據(jù)報(bào)表在同一個(gè)界面顯示，如下圖8所示。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表反映系統(tǒng)當(dāng)前的生產(chǎn)情況，歷史數(shù)據(jù)報(bào)表能對(duì)長期的生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，使管理人員能夠更加全面掌握和分析車間生產(chǎn)情況。為便于操作，在報(bào)表中均設(shè)置菜單欄，菜單欄設(shè)有列表項(xiàng)：日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表、報(bào)表查詢、打印預(yù)覽、打印、保存。

圖6 組態(tài)王監(jiān)控界面Fig.6 The monitoring interface of Kingview

圖7 組態(tài)王報(bào)警界面Fig.7 The alarming interface of Kingview

圖8 組態(tài)王生產(chǎn)線報(bào)表界面Fig.8 The statistical report interface of the production line

5 結(jié)束語

盒蓋與瓶頂固定板自動(dòng)裝配控制系統(tǒng)采用組態(tài)軟件、PLC和現(xiàn)場I/O設(shè)備三層結(jié)構(gòu)，通過上位PC機(jī)與PLC通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)控制，通過PLC和I/O設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備本身的邏輯控制。與傳統(tǒng)的繼電器或單獨(dú)PLC控制相比，所開發(fā)的自動(dòng)裝配系統(tǒng)能夠與整個(gè)柔性生產(chǎn)線協(xié)調(diào)工作，同時(shí)方便管理人員實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)線上各工作站的工作情況。實(shí)際應(yīng)用表明,該自動(dòng)裝配控制系統(tǒng)提高了裝配效率和質(zhì)量,運(yùn)行可靠,同時(shí)為實(shí)現(xiàn)車間數(shù)字化制造奠定了基礎(chǔ)。

[1] PANAGIOTIS H TSAROUHAS, IOANNIS S.Arvanitoyannis,Assessment of operation management for beer packaging line based on field failure data: A case study [J]. Journal of Food Engineering,2010(3):51-59.

[2] GEBENNINIi E，GRASSI A， SECCHIi C，et al. An analytical model for automated packaging lines design[J]. American Contorl Conference,2008(6):89-94.

[3] 姚寧,齊立芬.定量包裝生產(chǎn)線中的自動(dòng)化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2010(3):66-68.YAO Ning, QI Li-fen. Automatic design in quantitative packaging production line [J]. Modern Manufacturing Technology and Equipment,2010,(3):66-68.

[4] 孫麗麗.互聯(lián)系統(tǒng)的分散式自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制及應(yīng)用研究[D].浙江：浙江大學(xué),2014.SUN Li-li. The decentralized adaptive iterative learning control and application research of interconnected systems [D]. Zhe Jiang: Zhejiang University, 2014.

[5] 蘇東楠.基于LabVIEW磨粒流拋光機(jī)床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化,2016,6(9):72-76.SU Don-gnan. Design of control system based on LabVIEW abrasive grain flow polishing machine tool [J]. New Industrialization, 2016, 6(9):72-76.

[6] 過軍,陳舜青.模擬生產(chǎn)線的組態(tài)設(shè)計(jì)[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào),2005,18(6):25-29.GUO Jun, CHEN Shun-qing. Simulate the configuration design of the production line[J]. Journal of Changzhou Institute of Technology,2005,18(6):25-29.

[7] 王歡,嚴(yán)良文,徐鳳平，等.基于組態(tài)王的中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010(12):35-37.WANG Huan, YAN Liang-wen,XU Feng-ping, et al. Design of central air-conditioning monitoring system based on kingview [J].Mechanical Design and Manufacturing, 2010(12):35-37.

[8] 趙海龍,翟永杰,劉金龍，等.基于臺(tái)達(dá)PLC的水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)[J].儀器儀表用戶,2016,23(4):24-27.ZHAO Hai-long, ZHAI Yong-jie, LIU Jin-long et al. The liquid level cascade control system of water tank based on taida PLC [J]. Instrument User, 2016,23(4):24-27.

[9] 郭艷君，王大一.自動(dòng)扶梯電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化,2016,5(4):61-66.GUO Yan-jun, WANG Da-yi. Design of electrical control system for escalator [J]. New Industrialization, 2016,5(4):61-66.

[10] 于洋,劉桓龍,王國志，等.基于 PLC 的小型模擬自動(dòng)生產(chǎn)線[J].設(shè)計(jì)與研究,2015,34(3):12-14.YU Yang, LIU Huan-long, WANG Guo-zhi. Small analog automatic production line based on PLC [J]. Design and Research, 2015,34(3):12-14.

[11] YAMAMOTO S，OCHIAI Y，SAITO S，et al. Study on an automatic packing system for strawberries.[J].Applied Engineering in Agriculture,2012,28(4):593-601

[12] 董增文,胡瑢華,劉國平.機(jī)電控制器類課程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(8):53-56.DONG Zeng-wen, HU Rong-hua, LIU Guo-ping. Research and development of virtual experiment system of electromechanical controller course [J]. Experimental Technology and Management, 2011,28(8):53-56.

[13] 徐亞.基于 PLC 與組態(tài)王的育秧播種機(jī)[D].江蘇：江蘇大學(xué),2016.XU Ya. Based on PLC and configuration king's seedling planter [D]. Jiang Su: Jiangsu University,2016.

[14] 蘭建武.基于 LabVIEW的風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2012.LAN Jian-wu. Research on the on-line monitoring and fault diagnosis system based on LabVIEW [D]. Wu Han: Wuhan University of Science and Technology, 2012.

[15] 戴衛(wèi)力，侯浩.基于MCGS的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器人機(jī)接口設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化,2017,7(9):7-11.DAI Wei-li, HOU Hao. Based on MCGS servo motor drive man-machine interface design[J]. New Industrialization, 2017,7(9):7-11.