張 都 鄭豐茂 蘇浩業(yè)

（廣東省東莞市煙草專賣局（公司）物流配送中心，廣東 東莞 523078）

隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，日益增長(zhǎng)的物質(zhì)文化需求不斷提高，個(gè)性化需求和高品質(zhì)生活追求也日趨多樣化，卷煙作為日常消費(fèi)品的主力品種也不斷跟上時(shí)代潮流，銷售種類和高端煙的數(shù)量持續(xù)上升，異型煙的銷量增長(zhǎng)尤為突出。隨著卷煙數(shù)量種類的不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致原來標(biāo)準(zhǔn)化程度非常高的分揀模式跟不上發(fā)展的要求，煙草商業(yè)物流工藝設(shè)備特別是異型煙分揀設(shè)備需要不斷創(chuàng)新來適應(yīng)新的發(fā)展[1～2]。近年來，行業(yè)中很多企業(yè)對(duì)異型煙自動(dòng)碼垛包裝技術(shù)的研發(fā)投入均有所加大，并且取得了一些的成績(jī)，如沈陽新松公司開發(fā)了一種蜘蛛形機(jī)械手用于異型煙碼垛，機(jī)械手末端搭配吸盤機(jī)構(gòu)來抓取條煙，分揀速度可達(dá)2 600條/h。胡敏[3]在異型煙碼垛機(jī)器手上應(yīng)用視覺系統(tǒng)，并采用自由碼垛算法，分揀速率可達(dá)1 800條/h 。楊旭東等人[4]采用了機(jī)器人和人機(jī)交互技術(shù)，結(jié)合伺服控制和PLC控制等研發(fā)了一套全自動(dòng)異型煙碼垛及包裝流水線。管忠等人[5]采用共線分揀的思路提出一套細(xì)支煙和標(biāo)準(zhǔn)煙的共線合單智能化包裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)煙和細(xì)支煙組合堆垛和共線分揀。

該文針對(duì)某地物流配送中心異型煙包裝效率低、條煙差錯(cuò)多和用工成本高等問題，結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)需求和品牌發(fā)展需求，提出一種高效、穩(wěn)定、可靠的全自動(dòng)包裝系統(tǒng)，包裝效率可達(dá)4 800 條/h以上。

1 異型煙全自動(dòng)包裝系統(tǒng)

1.1 混合碼垛設(shè)計(jì)

混合碼垛設(shè)計(jì)由疊層設(shè)備和鏈?zhǔn)綋軣熝b置組成，單次碼垛的最多層數(shù)為5層，每層最多為5條，堆垛形狀要求規(guī)則整齊，疊層設(shè)備最大層數(shù)為4層，每層最多5條。鏈?zhǔn)綋軣煓C(jī)構(gòu)撥煙動(dòng)作頻次要求小于1 s/次，不論條煙的規(guī)格尺寸，一次性最多可撥打4條，設(shè)計(jì)效率須滿足6 000 條/h，包裝系統(tǒng)要設(shè)置有效防護(hù)裝置及條煙保護(hù)光電，避免造成人員意外傷害和條煙損壞，操作界面采用觸摸屏，操作簡(jiǎn)單便捷，維護(hù)方便，具備靈活的擴(kuò)展性，設(shè)備故障率小于1%，包裝差錯(cuò)率小于0.1‰，損煙率小于0.1‰。

1.2 碼垛及包裝工藝流程

碼垛包裝系統(tǒng)由輸送裝置、鏈?zhǔn)綋軣熝b置、平板升降機(jī)構(gòu)、疊層設(shè)備、鏈板輸送機(jī)、直推機(jī)構(gòu)和包裝機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。其中輸送裝置由輸送皮帶和機(jī)架組成，通過繼電器控制電機(jī)啟動(dòng)和停止，在輸送帶尾端設(shè)置移動(dòng)擋板和5個(gè)光電開關(guān)（檢測(cè)條煙到位）。鏈?zhǔn)綋軣熝b置由伺服電機(jī)、鏈條和撥桿等組成，伺服電機(jī)由伺服驅(qū)動(dòng)器控制為撥煙裝置提供動(dòng)力，采用接近開關(guān)控制和判斷撥桿停留位置。平板升降機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、平板、升降滑軌和水平滑軌等組成，平板的伸出和退回、上升和下降均由伺服電機(jī)提供動(dòng)力，通過鏈傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。疊層設(shè)備采用條煙自動(dòng)疊層設(shè)備，主要由疊層片、側(cè)推機(jī)構(gòu)和直推機(jī)構(gòu)組成。鏈板輸送機(jī)主要由機(jī)架和18格鏈板組成。裹膜包裝設(shè)備主要由送膜裝置、封切裝置、皮帶輸送裝置和熱收縮爐等組成。包裝工藝流程如圖2所示。

圖1 包裝系統(tǒng)組成

圖2 包裝工藝流程

2 自動(dòng)包裝系統(tǒng)硬件選型

根據(jù)上述全自動(dòng)包裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和工藝流程，該文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于PLC、工控機(jī)和觸摸屏的自動(dòng)包裝系統(tǒng)，其硬件的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件的總體結(jié)構(gòu)

該自動(dòng)包裝系統(tǒng)硬件設(shè)備主要由PLC、工控機(jī)、觸摸屏、變頻器、信號(hào)輸入/輸出模塊（包括數(shù)字量和模擬量）、電機(jī)、繼電器和伺服驅(qū)動(dòng)器等組成。上位設(shè)備包括觸摸屏和工控機(jī)，觸摸屏用于人機(jī)交互界面，包括設(shè)置包裝參數(shù)和誤差參數(shù)、手動(dòng)操控設(shè)備、提示報(bào)警信息和監(jiān)控條煙堆疊實(shí)時(shí)情況等；工控機(jī)用于下載客戶訂單信息、實(shí)時(shí)顯示包裝信息和查詢歷史訂單信息等。二者相結(jié)合令自動(dòng)包裝系統(tǒng)功能完善、操作簡(jiǎn)便。下位設(shè)備包括PLC、變頻器及伺服驅(qū)動(dòng)器等，PLC既接收觸摸屏和工控機(jī)發(fā)出的信號(hào)，變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器反饋的信號(hào)和各傳感器的信號(hào)，又向變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出相關(guān)動(dòng)作指令，向繼電器發(fā)出相關(guān)控制指令。

2.1 上位設(shè)備選型

上位設(shè)備的選型類別較多，各類設(shè)備的兼容性也不一致。在監(jiān)控成本和實(shí)際應(yīng)用需求的同時(shí)，還要考慮設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)還要兼顧操作方便和實(shí)時(shí)監(jiān)控需求。綜合考慮下觸摸屏選擇的型號(hào)為威綸通TK6071IP，該屏通信采用以太網(wǎng)或者RS232/RS485，機(jī)身存儲(chǔ)容量為128 MFLASH + 64M DRAM，處理器為32位400 MHz RISC，處理速度較快；工控機(jī)使用聯(lián)想PC-20181007RKBP，其處理器采用Inter Core i3，其CPU為7100，4G運(yùn)行內(nèi)存。兩款設(shè)備均具備較高的可靠性和可操作性，采購成本和可替代性也較強(qiáng)，性能均可滿足工作要求。

2.2 下位設(shè)備選型

根據(jù)自動(dòng)包裝系統(tǒng)的工藝流程，對(duì)PLC進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要組成為CPU模塊和信號(hào)輸入/輸出模塊，并預(yù)留了擴(kuò)展可能性，若后期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，只需增加相應(yīng)功能模塊。為確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)兼顧成本，要求選用處理速度高的CPU，并且設(shè)備日均可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)超過12h，不然將嚴(yán)重影響物流中心異型煙分揀任務(wù)的完成，因此要求系統(tǒng)的PLC具備較高的可靠性和穩(wěn)定性[6]，最終通過綜合考慮選擇了西門子的S7-200 smart系列PLC，這是一款模塊化、緊湊型的PLC，具有性能強(qiáng)、運(yùn)行快、體積小和通信功能強(qiáng)等特點(diǎn)。

3 自動(dòng)包裝系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

異型煙全自動(dòng)包裝系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各動(dòng)作機(jī)構(gòu)的控制，而且能夠?qū)Ω髟O(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并具備異常報(bào)警功能和保護(hù)人員安全功能，同時(shí)可提供便捷的人機(jī)交互體驗(yàn)。

3.1 PLC控制流程

參考包裝工藝流程編寫系統(tǒng)的PLC控制流程，如圖4所示。首先工控機(jī)下載客戶訂單數(shù)據(jù)，接著將待包裝數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC，包裝啟動(dòng)之后，輸送線皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)，PLC向擋板伺服電機(jī)發(fā)送信號(hào)，擋板移動(dòng)到規(guī)定位置擋住條煙移動(dòng)；當(dāng)細(xì)支條煙到位時(shí)，疊層向上轉(zhuǎn)動(dòng)依次堆疊條煙，堆疊完成后由側(cè)推將煙跺推出；檢測(cè)到側(cè)推到位時(shí)，直推機(jī)構(gòu)將煙跺推送至鏈板輸送機(jī)；檢測(cè)到直推退回到位時(shí)，鏈板輸送機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將煙跺輸送至平板升降機(jī)構(gòu)工位；檢測(cè)到平板升高到位、伸出到位，并且異型條煙到位時(shí)，鏈?zhǔn)綋軣煓C(jī)構(gòu)將條煙撥至平板上；檢測(cè)到撥桿到位時(shí)，PLC收到信號(hào)后控制伺服驅(qū)動(dòng)器使平板下降，到位后平板退回零位，異型煙落在細(xì)支煙跺上進(jìn)行合流；檢測(cè)到平板到位時(shí)，鏈板輸送機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將煙跺移動(dòng)到直推機(jī)構(gòu)工位；檢測(cè)到鏈板到位時(shí)，直推動(dòng)作將煙跺推送至裹膜包裝裝置，完成后續(xù)包裝工序。

圖4 PLC控制流程

3.2 觸摸屏和工控機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件通常是操作人員進(jìn)行人機(jī)交互的主界面，主要以文字或圖形的形式實(shí)時(shí)反映整個(gè)自動(dòng)包裝系統(tǒng)的運(yùn)行情況，方便采集、保存和查詢相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，保障數(shù)據(jù)的可讀性和安全性。并且操作人員可通過點(diǎn)擊軟件程序里的控制按鈕來對(duì)各設(shè)備進(jìn)行控制。

觸摸屏主要用于設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)控、訂單包裝數(shù)據(jù)的手動(dòng)申請(qǐng)、數(shù)據(jù)清除、設(shè)備的手動(dòng)操作、設(shè)備故障顯示、設(shè)備啟停等。觸摸屏包括4個(gè)界面，分別為疊層操作界面，手自動(dòng)轉(zhuǎn)換、手動(dòng)操作、包裝數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。工控機(jī)的主要功能是下載客戶訂單數(shù)據(jù)、客戶訂單查詢、客戶訂單信息實(shí)時(shí)顯示和實(shí)時(shí)碼垛數(shù)據(jù)等，具體功能如圖5所示。

圖5 工控機(jī)軟件功能

4 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

為驗(yàn)證實(shí)際效果，在包裝系統(tǒng)安裝后，進(jìn)行了設(shè)備全手動(dòng)操作，訂單信息實(shí)時(shí)更新，報(bào)警功能等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果表明，該包裝控制系統(tǒng)包裝差錯(cuò)率≤0.005%，損煙率≤0.005%，設(shè)備故障率≤0.5%。具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，符合工業(yè)應(yīng)用需求。包裝效率峰值為6 000 條/h。滿足物流配送中心的實(shí)際需求。

5 結(jié)語

從某市物流配送中心實(shí)際問題出發(fā)，分析出當(dāng)前異型煙包裝效率的不足之處和實(shí)際的分揀需求，根據(jù)自動(dòng)包裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和工藝流程，該文基于PLC、觸摸屏和工控機(jī)設(shè)計(jì)一種異型煙全自動(dòng)包裝系統(tǒng)，重點(diǎn)論述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理和工藝流程。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了某市物流配送中心從異型煙手工分揀到自動(dòng)包裝的跨越，大大提高了異型煙分揀效率，解決了人工成本高和條煙差錯(cuò)率高等問題，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)也為同行業(yè)異型煙分揀包裝提供參考。