全自動(dòng)油墨灌裝流水線的開發(fā)與研制

李 驥，劉 藝，金郁沁

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

全自動(dòng)油墨灌裝流水線的開發(fā)與研制

李 驥，劉 藝，金郁沁

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

闡述了全自動(dòng)油墨灌裝流水線系統(tǒng)的組成和技術(shù)特點(diǎn)，介紹了自動(dòng)油墨灌裝流水線的工藝流程并對(duì)主要灌裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了描述。使用 Visual C#的 Visual Studio 2013集成解決方案開發(fā)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)出了一種適合工廠作業(yè)的全自動(dòng)灌裝流水線控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，對(duì)整個(gè)灌裝流程尤其是關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并使該系統(tǒng)在自動(dòng)狀態(tài)下各單機(jī)之間可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互鎖?？刂葡到y(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)庫能與企業(yè)的信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，將生產(chǎn)信息及時(shí)錄入企業(yè)的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的信息化管理。

自動(dòng)化；灌裝；控制系統(tǒng)；模塊化

0 引言

我國(guó)的灌裝設(shè)備種類繁多，應(yīng)用范圍也很廣，根據(jù)灌裝液體的特性一般分為壓力灌裝，等壓灌裝、負(fù)壓灌裝和常壓灌裝[1]。傳統(tǒng)灌裝機(jī)性能較單一、自動(dòng)化程度低、通用性差、灌裝速度調(diào)整不方便，而且難以適應(yīng)油墨品種及灌裝規(guī)格的變化等問題。本文介紹的全自動(dòng)油墨灌裝流水線正是根據(jù)某油墨企業(yè)的灌裝自動(dòng)化發(fā)展要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的非標(biāo)設(shè)備，代替現(xiàn)有的生產(chǎn)工人，實(shí)現(xiàn)無人化的自動(dòng)灌裝包裝生產(chǎn)。鑒于此，上海船舶設(shè)備研究所組織技術(shù)人員專門研制了全自動(dòng)油墨灌裝流水線以滿足該企業(yè)生產(chǎn)的需求。

1 全自動(dòng)油墨灌裝流水線的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的組成

圖1自動(dòng)灌裝流水線平面布置圖?？煽闯?，全自動(dòng)油墨灌裝流水線系統(tǒng)由：摞桶輸送線、摞桶提升機(jī)、分桶機(jī)、桶內(nèi)吸塵機(jī)構(gòu)，自動(dòng)罐裝機(jī)、步進(jìn)線體、自動(dòng)上膜機(jī)、自動(dòng)上蓋壓蓋機(jī)，自動(dòng)旋蓋機(jī)，自動(dòng)貼標(biāo)及標(biāo)簽校核設(shè)備和機(jī)器人自動(dòng)碼垛設(shè)備構(gòu)成。

圖1 自動(dòng)灌裝流水線平面布置圖

1.2 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

物料特性：半流體、密度1.2g/cm2～1.3g/cm2；粘度約為5.0Pa/40℃～11.0Pa/40℃，300s-1；環(huán)境溫度5℃～35℃。

包裝桶：20公斤桶(高300mm，上口內(nèi)徑約φ300mm)；15公斤桶(高240mm，上口內(nèi)徑約φ300mm)。

灌裝效率：20kg包裝桶須大于2min5桶；15kg包裝桶應(yīng)大于2min6桶。

灌裝精度：灌裝精度±10g；

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包含罐裝任務(wù)管理、灌裝及標(biāo)簽管理，灌裝設(shè)備管理以及碼垛組盤管理4大塊內(nèi)容，如圖2所示。灌裝任務(wù)管理與企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)建立系統(tǒng)接口，從生產(chǎn)系統(tǒng)中下載獲取灌裝任務(wù)及相關(guān)信息，進(jìn)行正常灌裝運(yùn)作；在灌裝任務(wù)執(zhí)行時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)灌裝設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括標(biāo)簽的打印和校驗(yàn)，碼垛組盤的位置等，發(fā)現(xiàn)異?；蚬收霞皶r(shí)報(bào)警停機(jī)。灌裝任務(wù)完成后，能按時(shí)間、產(chǎn)品編碼、產(chǎn)品名稱和灌裝狀態(tài)等條件進(jìn)行各種查詢，如灌裝任務(wù)查詢、灌裝明細(xì)查詢和碼垛組盤查詢等。

圖2 控制系統(tǒng)功能圖

2 全自動(dòng)油墨灌裝流水線工藝特點(diǎn)

2.1 全自動(dòng)油墨灌裝流水線總體工藝流程

(人工)上桶→自動(dòng)分桶→吸塵→自動(dòng)灌裝→蓋塑料膜→放蓋→壓蓋→打標(biāo)→貼標(biāo)→標(biāo)簽校核→機(jī)器人碼垛→組盤。

首先由人工將高度不超過 2m的整摞包裝桶放置在輸送線上，再登錄自動(dòng)灌裝線操作系統(tǒng)，在主控制界面上輸入工號(hào)和相應(yīng)信息并掃描工時(shí)單，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，摞桶輸送線開始工作，提升機(jī)將整一摞桶輸送到主線體上，再由自動(dòng)分桶機(jī)完成分桶工序。接著分好的桶在滾筒線上運(yùn)行到吸塵工位，完成吸塵工序的包裝桶由步進(jìn)線輸送到灌裝工位，完成自動(dòng)灌裝的油墨包裝桶再由步進(jìn)線輸送到上膜工位，上膜機(jī)將一張塑料膜壓入油墨桶內(nèi)，使桶內(nèi)油墨和空氣進(jìn)行隔離。完成壓膜工序后，包裝桶又被輸送到上蓋壓蓋工位，設(shè)備自動(dòng)將一摞蓋底端的塑料蓋推出，并壓合在塑料桶上，為保證塑料蓋在運(yùn)輸?shù)倪^程中不脫出，壓蓋完成后的包裝桶還要經(jīng)過旋蓋工序。在旋蓋工位同時(shí)完成自動(dòng)打標(biāo)，貼標(biāo)簽的工序，接著包裝桶被輸送到標(biāo)簽校核工位，由CCD系統(tǒng)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行校核，校核完成后的包裝桶被輸送到機(jī)器人抓取工位，由機(jī)器人將包裝桶擺放在碼垛托盤相應(yīng)批號(hào)的位置上。碼垛完成后自動(dòng)掃描托盤編號(hào)錄入數(shù)據(jù)庫，再由叉車將碼垛完成的托盤送入立體庫。

2.2 全自動(dòng)油墨灌裝流水線的特點(diǎn)

本套全自動(dòng)油墨灌裝流水線采用模塊化設(shè)計(jì)，各功能模塊既是整條自動(dòng)灌裝線的有機(jī)組成部分，又可獨(dú)立運(yùn)行(個(gè)別模塊暫停工作時(shí)不影響整線運(yùn)行)，并保證未來功能擴(kuò)充的便利性。灌裝線按油墨批次進(jìn)行間歇式生產(chǎn)，灌裝過程中的生產(chǎn)效率≥50kg/min，灌裝精度能達(dá)到±10g；實(shí)現(xiàn)不同顏色油墨的自動(dòng)灌裝，且換色過程便捷。全自動(dòng)油墨灌裝流水線不但實(shí)現(xiàn)了灌裝操作的自動(dòng)化，同時(shí)能與企業(yè)的信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，將生產(chǎn)信息及時(shí)錄入企業(yè)的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的信息化管理。

3 自動(dòng)灌裝機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

3.1 油墨灌裝工藝的特點(diǎn)

油墨屬于粘度較大且流動(dòng)性較差的粘稠物料，因此需采用壓力灌裝的方式來處理。壓力灌裝是借助外界壓力將液體物料壓入包裝容器，主要適用于粘度較大且流動(dòng)性較差的粘稠物料的灌裝，可提高灌裝速度[2]。傳統(tǒng)的灌裝機(jī)械大都依據(jù)計(jì)算容積或流量控制來處理灌裝的精度[3]，對(duì)于不同品種的油墨灌裝顯然是不適用的。根據(jù)企業(yè)要求全自動(dòng)油墨灌裝流水線須滿足不同品種油墨的15kg、20kg兩種包裝規(guī)格的自動(dòng)灌裝，由于油墨的黏度比較大，很難通過流量來監(jiān)測(cè)或計(jì)算實(shí)際灌裝的質(zhì)量。鑒于此，利用將稱質(zhì)量反饋的PID控制和流量控制相結(jié)合的方式來控制灌裝過程的精度。通過生產(chǎn)測(cè)試，將灌裝的平均精度控制在±10g內(nèi)，滿足用戶需求。

3.2 自動(dòng)灌裝機(jī)的設(shè)計(jì)

為了在確保灌裝精度的前提下提高灌裝速度，自動(dòng)灌裝機(jī)采用分段灌裝方式。所謂分段灌裝就是將1個(gè)灌裝周期分成幾個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的灌裝流量由大至小進(jìn)行變流量灌裝[4]。本灌裝機(jī)(如圖3所示)設(shè)定為兩段式灌裝，塑料空桶自動(dòng)進(jìn)入秤量平臺(tái)，秤量平臺(tái)迅速將空桶提升至桶底距灌裝閥口15cm處停止，灌裝閥隨即開始灌裝，隨灌裝質(zhì)量增加，塑料桶同步下降，使桶內(nèi)墨面與閥口始終保持15cm～17cm距離。在灌裝質(zhì)量達(dá)到設(shè)置質(zhì)量90%時(shí)，閥口第一節(jié)大流量自動(dòng)關(guān)閉，閥口小流量繼續(xù)灌裝至設(shè)置質(zhì)量100%時(shí)，閥口第二節(jié)關(guān)閉。

圖3 灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)控制

針對(duì)油墨灌裝生產(chǎn)的工藝流程及自動(dòng)灌裝機(jī)的工作過程進(jìn)行分析并制訂出全自動(dòng)油墨灌裝流水線的控制要求，采用了基于可編程控制器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。用西門子公司的SIMATIC S7-300系列PLC作為控制系統(tǒng)的核心控制器，結(jié)合使用Visual C#的Visual Studio 2013應(yīng)用程序集成解決方案開發(fā)的上位機(jī)軟件，設(shè)計(jì)出一種適合工廠作業(yè)的全自動(dòng)灌裝流水線控制系統(tǒng)。上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)全自動(dòng)油墨灌裝流水線主要功能的要求進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件通過 Wonderware DA Server與SIMATIC S7-300進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交互，可保證上位機(jī)與PLC讀寫訪問的實(shí)時(shí)性和可靠性，設(shè)備和控制網(wǎng)絡(luò)集成更緊密。上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件主要包括了六大控制模塊，分別實(shí)現(xiàn)了分桶機(jī)、灌裝機(jī)、壓蓋機(jī)、步進(jìn)系統(tǒng)和機(jī)器人碼垛機(jī)以及外圍輔機(jī)的各種功能。這樣控制系統(tǒng)既能對(duì)各個(gè)相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備分塊管理，又能將這些設(shè)備整合起來進(jìn)行集中控制，軟件的控制模式分為脫離上位機(jī)的單機(jī)自動(dòng)控制和灌裝系統(tǒng)生產(chǎn)線的整體制。

系統(tǒng)在自動(dòng)狀態(tài)下各控制模塊之間可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互鎖,而在單機(jī)需要分別調(diào)試或遇到故障檢修時(shí)又可轉(zhuǎn)換為離線控制狀態(tài)。軟件的界面友好，便于操作，可對(duì)灌裝流水線的工作過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)具有信號(hào)采集、故障預(yù)警、參數(shù)設(shè)置、動(dòng)態(tài)管理、實(shí)時(shí)查詢、系統(tǒng)記錄、生成與打印報(bào)表等功能，具體界面如圖4、5所示。

圖4 系統(tǒng)操作界面

圖5 設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控界面

5 結(jié)語

全自動(dòng)油墨灌裝流水線對(duì)整個(gè)灌裝工作過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)管理，消除了灌裝工序中由于人工操作造成的誤差，降低了能源和資源的消耗，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了油墨灌裝生產(chǎn)精確化、智能化和多功能化。同時(shí)控制系統(tǒng)能與企業(yè)的信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)交換，提高了企業(yè)的信息化和科學(xué)化管理水平。目前該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某油墨企業(yè)的試生產(chǎn)運(yùn)行中，滿足了企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求，并取得了良好效果。

[1]余新旸.大容量高精度全自動(dòng)灌裝設(shè)備的研制[J].食品與包裝機(jī)械,2012(30):2-5.

[2]尹章偉.包裝機(jī)械[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[3]李文友,胡振全,葉保華.高精度桶裝液體灌裝生產(chǎn)線的研制[J].食品與包裝機(jī)械,2005(2):45-49.

[4]孫茂泉,嚴(yán)偉躍.稱重式液料灌裝機(jī)控制系統(tǒng)[J].輕工機(jī)械2007(6):324-328.

ABS支持IMO通過強(qiáng)制性極地規(guī)則

（來源：中國(guó)船舶新聞網(wǎng)）

近日，在英國(guó)倫敦召開的海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）會(huì)議上，極地規(guī)則獲得正式通過，這是國(guó)際海事組織（IMO）正式引入冰級(jí)概念的首份強(qiáng)制性文書。據(jù)了解，極地規(guī)則內(nèi)容涵蓋范圍廣泛，涉及設(shè)計(jì)、建造、設(shè)備、操作、培訓(xùn)、搜救及環(huán)境保護(hù)措施等多個(gè)方面，并為暴露于低溫結(jié)冰環(huán)境的船載設(shè)備和安全系統(tǒng)開創(chuàng)了新的認(rèn)證和批準(zhǔn)先例。該規(guī)則將于2017年1月1日生效。極地規(guī)則要求在極地水域作業(yè)的船舶持有注明操作權(quán)限和極區(qū)服務(wù)時(shí)間的極地船舶證書。操作權(quán)限將基于船旗國(guó)管理機(jī)構(gòu)認(rèn)可的流程予以建立，并按照IMO制定的通知要求執(zhí)行。ABS在開發(fā)一項(xiàng)可用于制定操作權(quán)限的流程——POLARIS中發(fā)揮了主導(dǎo)作用，使POLARIS的應(yīng)用得到了簡(jiǎn)化，提高其在實(shí)踐中的可操作性，并準(zhǔn)備與主要船旗國(guó)管理機(jī)構(gòu)合作，對(duì)該流程具體細(xì)節(jié)作出統(tǒng)一解釋。

Design and Research of Automatic Ink Filling Assembly Line

LI Ji,LIU Yi,JING Yu-xin
(Shanghai Marine Equipment Research Institute，Shanghai 200031,China)

In this paper,the composition and technical characteristics of automatic ink filling system is discussed.The filling process of the system is introduced,and the structural characteristics of the main filling equipment are described.The PC software developed by Visual C# of Visual Studio 2013 integrated solution is a control system of automatic filling line,which is suitable for factory operation.The control system software uses modular design method,monitors the entire filling process,especially the critical equipment in automatic mode.The database of control system software can exchange data with enterprise information system and the production information entry of enterprise database is timely.The software achieves the informatization management of enterprise.

automatic; filling; control system; modular

TP212

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.015

李驥（1980-），男，工程師，主要從事非標(biāo)設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。