武漢紡織大學機械工程與自動化學院 汪誠皓 馬如蛟 龔偉明 余聯(lián)慶/文

關(guān)鍵字：套袋機 PLC 控制系統(tǒng)包裝

包裝具有外觀識別與保護商品的功能，在智慧物流與物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的當下，包裝顯得愈加重要。自動化包裝機在多個包裝領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但在大型柔性材質(zhì)物體包裝中仍少有相關(guān)設(shè)備設(shè)計，這類包裝和被包裝物均為易變形的柔軟材質(zhì)物品[1]。本文中涉及的布卷套裝就屬于這種類型：一卷布重達數(shù)十公斤，材質(zhì)柔軟易彎曲，本文通過研究人工套袋流程以及其他行業(yè)套袋技術(shù)，設(shè)計出一種基于S7-1200可編程控制器（PLC）的自動化設(shè)備，以節(jié)省人力、改善負重作業(yè)環(huán)境、優(yōu)化套袋工序，從而提高生產(chǎn)效率。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)行人工方式如圖1 所示：將布卷從車輛上卸下，測量長度裁剪袋裝，扎好一端袋口之后對接布卷與袋，整體裝入袋中后放置于載具上，扎上另一端并整理位置。

根據(jù)人工套袋操作并考慮批量生產(chǎn)需求，本研究設(shè)計了一種布卷套袋包裝機，包含套袋、運輸和卸料對接，完全實現(xiàn)并優(yōu)化了套袋過程,設(shè)備整體由圖2 所示。

設(shè)備主要有三個工位：進料翻轉(zhuǎn)機、運輸機組與包裝機組：

在第一工位上料布卷，叉車運輸載有待包裝的布卷的載具與設(shè)備對接，利用翻轉(zhuǎn)電機將布卷運送到指定高度，將布卷上料到皮帶傳送機；

第二工位處理套袋，皮帶將布卷運送2號工位開始處的V型槽，利用推送電機將布卷從夾口推入麻布袋中，工作人員使用扎帶機封住麻布袋兩端，卸料電機運送到卸料載具上；

第三工位出貨對接，載具載滿后滾筒運輸?shù)匠隹谂c叉車對接。

其核心是安裝在一號工位的PLC及放置在二號的人機交互系統(tǒng)（HMI）終端觸摸屏。

圖1 人工套袋現(xiàn)場

圖2 套袋機整體示意圖

圖3 部分I/O圖

圖4 一號工位控制流程圖

圖5 二號工位自動控制流程圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 PLC選擇

本設(shè)計可編程控制器選用西門子 S7-1200系列，其布局緊湊且具有模塊化特性，方便進行簡單與高級邏輯控制，適合搭配HMI 和網(wǎng)絡(luò)通信等模塊進行任務(wù)[2]，是單機自動化系統(tǒng)的完美解決方案。S7-1200可以搭配多種不同用途模塊，如模擬量 I/O 模塊、SM1223/SM1221拓展模塊、脈沖輸出模塊等。由于本系統(tǒng)使用信號輸入點數(shù)（DI）46個，信號輸出點數(shù)(DQ) 34個，所以本系統(tǒng)最終選用西門子1215 DC/DC/CD 型號的 PLC。

2.2 控制硬件選擇

該套袋機選用的控制硬件包括：TK8071ip威綸觸摸屏、SM1223和SM1221模塊（數(shù)字拓展I/O）、RSP-500-24和LRS-200-36光電開關(guān)、伺服電機變頻器MS300（400W）、繼電器RXM2AB2BD(8腳12A24V)、推料伺服驅(qū)動器MCDLN35SE MINSA A6、電控箱1500＊750＊300、對射光/擴散反射/槽限位/壓力傳感器、電機（皮帶線、長滾筒線與槽輪行走電機NMRV090 、短滾筒線電機NMRV040、翻轉(zhuǎn)機電機DNMRV150）。

控制代碼設(shè)計采用S7-1200，其特色：多級嵌入式模塊化設(shè)計，這種設(shè)計方式便于設(shè)備代碼調(diào)試，更新和優(yōu)化程序。由于塊結(jié)構(gòu)分級，設(shè)計流程首先寫出每個工位的工位動作、HMI狀態(tài)、工位順序、工位參數(shù)等功能和數(shù)據(jù)塊，再通過實現(xiàn)各個功能塊的動作，數(shù)據(jù)傳輸或者設(shè)置，接著將對應(yīng)的功能塊根據(jù)工序嵌入式模塊化調(diào)入主程序塊中運行。塊結(jié)構(gòu)能輕易在各個層級程序中調(diào)整結(jié)構(gòu)順序并行和從屬關(guān)系以可能存在的干涉，程序塊詳細劃分如下：工序塊，主要由三個工位順序工序塊組合而成，包含操作順序數(shù)據(jù)塊；報警塊：即檢測反饋塊，主要檢測設(shè)備是否異常，符合加工要求，比如操作中出現(xiàn)的停轉(zhuǎn)、速度異常、溫度異常、傳感器失靈、產(chǎn)生碰撞等，結(jié)束后是否能復(fù)位進行下一個循環(huán)操作；工位控制塊，主要處理輸出設(shè)備的控制。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 一號進料運輸工位流程設(shè)計

叉車將貨架放置在進料口，1號工位人工按下對應(yīng)按鈕，滾筒電機控制XY軸滾筒組啟停將載具順位至待卸貨裝態(tài)，延遲后翻轉(zhuǎn)電機翻轉(zhuǎn)，貨物落在傳送皮帶壓力上起點處的傳感器上，收到該信號且無手動和終止型號的情況下皮帶電機將帶動皮帶運動。皮帶傳送臺下有一組對射光電傳感器，推動裝置槽內(nèi)設(shè)有漫反射傳感器，接收到沿信號電機暫停，可使皮帶運轉(zhuǎn)時一格一格的送料。當?shù)谝痪聿悸淙胪苿友b置，推動裝置里檢測壓力的傳感器測到物料即停止傳送帶繼續(xù)傳送。

3.2 二號套袋工位流程設(shè)計

套袋工作是由三個部分組成的：取、拉及剪袋裝置、套袋夾具和推送裝置。其配合運動過程為：

工作人員預(yù)先根據(jù)布卷參數(shù)輸入配方信息，并根據(jù)計算更換所需漏斗夾口。傳送帶運輸布卷落入推動裝置槽前，拉取袋裝置夾住袋口并拉取配方長度至夾口，剪取袋裝，夾口氣缸夾住袋口，若此時同時V型槽中有布卷，推動裝置啟動，將布卷沿軌道推入夾口至袋中，氣缸松開夾口，提示進行扎袋，結(jié)束扎袋后，頂升氣缸將成品卸料進載具[3]。

3.3 三號出貨運輸工位流程設(shè)計

在待包裝布卷完全卸料后，工作人員啟動按鈕開始移動空載具，翻轉(zhuǎn)電機將載具水平，1號工位電機控制伸縮軌道伸出并升起Y軸組氣動平臺，同時X軸滾筒組電機帶動貨架向氣動平臺移動，Y軸側(cè)面的光電傳感器感應(yīng)到貨架時輸出信號使X軸電機停止，并另伸縮軌道縮回。同時Y軸電機收到信號開始輸出，使貨架向卸料口移動，直到被卸料口的光電傳感器捕捉、當卸貨完畢由操作員判斷使用觸摸板或按鈕輸入指令，Y軸滾筒組將貨架運輸?shù)匠隹诙说却孳噷印?/p>

4 觸摸屏設(shè)計

HMI作為工業(yè)控制系統(tǒng)的核心組件之一，以最直觀的方式將PLC的內(nèi)部狀態(tài)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)反饋給操作員并方便將命令和設(shè)置參數(shù)導入PLC。由于本設(shè)計較為復(fù)雜，配合S7-1200下位機，選擇使用TK8071ip威綸觸摸屏作為上位機，其具有高效能，兼容性強，內(nèi)存大的特點。

在主界面通過給予的賬號登錄，同時獲得該賬號的權(quán)限，由權(quán)限規(guī)則限制操作員的操作權(quán)限，提高了設(shè)備運用的安全系數(shù)；交互主界面可以選擇進入的工位修改工位參數(shù)，查看現(xiàn)有數(shù)據(jù)；加工中觸摸屏會根據(jù)實際工作完成進行實時顯示狀態(tài)，反饋數(shù)據(jù)，并監(jiān)視異常狀況，類似智能手機應(yīng)用的操作界面，員工進行簡單培訓即可上手。

報表功能與預(yù)報功能。扎袋完成后卸料到載具框內(nèi)，即成品數(shù)量加一，控制系。將此數(shù)據(jù)及全流程信息保存至日報表，并初始化信息執(zhí)行下一個套袋流程，每日工時計數(shù)根據(jù)日表得出月表，以便計算產(chǎn)能預(yù)報新批次所需時間，月報表生成后，系統(tǒng)將日表壓縮以騰出空間，使內(nèi)存保持充裕狀態(tài)，依據(jù)已經(jīng)生產(chǎn)的報表，在下一次生產(chǎn)同類型時HMI將提供預(yù)計完成時間以供參考。

圖6 三號工位自動控制流程圖

圖7 觸摸屏運行界面及報表界面

圖8 工廠中使用設(shè)備加工

圖9 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

5 實驗驗證

在測試中，出現(xiàn)了復(fù)位過限，感應(yīng)器檢測故障等問題，通過流程排查，使用邏輯順序調(diào)整，更改塊位置和添加手動的判斷條件成功解決上述問題。實際投入J市某企業(yè)生產(chǎn)后該工位投入人力從5人減少至2人，完全去除人工重體力勞動；生產(chǎn)方面，原生產(chǎn)方式已知純?nèi)斯っ抗ぷ魅罩谱骷s20批次，單次約26卷布卷，現(xiàn)使用設(shè)備后消耗時間如圖9：

使用標準工時測定[4]：單次流程為對接-裝載-傳輸-套袋X個-傳輸-對接，已知對接等操作平均時長為186s,套袋周期平均時長為35s,設(shè)套袋X個Y批可得：

式中T為所需時長，計算得每日設(shè)備完成原作業(yè)所需時長T為6.09小時，考慮仍有人工因素加入5%寬放時間，即每日設(shè)備標準工時tm;已知白班工時為8小時，除去總寬放時間為10%，人員有效工作時間為tr。效率即為原先純?nèi)斯ば实?13.7%，改善后較高于人工效率，達到預(yù)期目的。

6 結(jié)束語

通過模擬人工流程和優(yōu)化設(shè)計設(shè)備，利用S7-1200模塊化特性與迅捷的人機交互，使設(shè)備替代人力高效套袋，改善了高負重作業(yè)環(huán)境，初步實現(xiàn)了設(shè)計意義。該設(shè)備仍有許多不足，由于實際需足，扎袋和檢測由人工操作，若完成全自動化即可以實現(xiàn)24小時不間斷生產(chǎn)，大大提高整體工作效率。本研究以紡織產(chǎn)業(yè)常見的柔性材質(zhì)套袋工作切入點，著眼于改善高壓作業(yè)環(huán)境與提升產(chǎn)業(yè)自動化水平，為我國紡織產(chǎn)業(yè)進一步實現(xiàn)智能織造提供助力。