報(bào)紙印刷自動(dòng)輸紙系統(tǒng)技術(shù)解析

文/劉曉明 李炫

報(bào)業(yè)印刷自動(dòng)輸送新聞紙系統(tǒng)，是針對(duì)報(bào)業(yè)高速輪轉(zhuǎn)印刷機(jī)在生產(chǎn)過程中對(duì)紙張的多規(guī)格、多路徑、多機(jī)位的多元任務(wù)，設(shè)計(jì)開發(fā)的實(shí)用型創(chuàng)新技術(shù)。該技術(shù)通過對(duì)新聞紙卷物流閉環(huán)處理的智能控制，在無線組網(wǎng)集群控制下，自主機(jī)器人與進(jìn)口印刷設(shè)備紙架群生產(chǎn)高效自動(dòng)對(duì)接，可大大提高印刷生產(chǎn)效率。

1.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

報(bào)業(yè)印刷自動(dòng)輸紙系統(tǒng)包含無線通訊技術(shù)、ARM嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)控制技術(shù)、驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、磁導(dǎo)航技術(shù)、安全控制技術(shù)、電池電源技術(shù)等，通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)輸紙系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控，根據(jù)印報(bào)機(jī)各個(gè)紙架的要紙信號(hào)，由工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)控制器處理傳輸給中控系統(tǒng)，再由無線局域網(wǎng)調(diào)度各運(yùn)載機(jī)器人完成紙卷自動(dòng)裝載、自動(dòng)運(yùn)送、自動(dòng)稱重、自動(dòng)上下紙、自動(dòng)回收紙芯、自動(dòng)充電等工作，并監(jiān)控系統(tǒng)各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、自診斷和指示故障。系統(tǒng)能夠連接到公司ERP系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)紙張消耗信息的收集、記錄和統(tǒng)計(jì)處理。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施路線圖

如上，系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)是以實(shí)際需求為基礎(chǔ)的，確定需求總體目標(biāo)后，需將其分解為若干分項(xiàng)子目標(biāo)，據(jù)此構(gòu)建和確定總體技術(shù)設(shè)計(jì)方案，分類進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)行實(shí)施，并在安裝調(diào)試與試運(yùn)行過程中進(jìn)行優(yōu)化，最終投入使用。

2.系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

無線群控機(jī)器人自動(dòng)輸紙系統(tǒng)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)為：系統(tǒng)接到紙架的要紙信號(hào)后，對(duì)要紙紙架、紙型和開卷方向等進(jìn)行判斷，自動(dòng)生成相應(yīng)的送紙任務(wù)；此任務(wù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給在停車場發(fā)車位等待的自動(dòng)機(jī)器人――AGV運(yùn)輸車，接收到任務(wù)的AGV自動(dòng)到相應(yīng)的儲(chǔ)紙擱板輸送帶尾部的裝紙臺(tái)裝載紙卷（在系統(tǒng)上預(yù)先設(shè)定擱板輸送帶上紙卷的紙型和開卷方向）；AGV到達(dá)裝紙臺(tái)后，擱板輸送帶啟動(dòng)裝紙；AGV在成功裝載好紙卷后，在弱磁導(dǎo)引線的導(dǎo)引下將紙卷送至要紙的紙架（中間要紙卷稱重），并在完成自動(dòng)上下紙后將紙芯帶回，由紙芯回收裝置將紙芯集中回收（同時(shí)要紙芯稱重）。最后，AGV返回停車場排隊(duì)，等待下一次任務(wù)。

3.集群控制技術(shù)

無線群控網(wǎng)絡(luò)主要是將多層次網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)引入新聞紙自動(dòng)輸送系統(tǒng)，包括將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)（包括無線以太網(wǎng)和有線以太網(wǎng)）和工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)（PROFIBUS-DP）等，按照新聞紙輸送系統(tǒng)的控制任務(wù)分區(qū)和分層使用，使整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更優(yōu)化合理。本系統(tǒng)特別設(shè)置了紙卷預(yù)處理區(qū)和紙卷輸送區(qū)，每個(gè)區(qū)有一套西門子S7-300PLC作主站， 若干S7-200PLC等作子站，子站通過PROFIBUS工業(yè)總線與主站交換信息，S7-300PLC主站則通過工業(yè)以太網(wǎng)與系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交換；同時(shí)，主控計(jì)算機(jī)通過無線以太網(wǎng)（Ethernet）與自動(dòng)運(yùn)載機(jī)器人AGV交換信息；遵循TCP/IP協(xié)議；廠區(qū)覆蓋半徑150米以上，實(shí)現(xiàn)對(duì)18部低托盤運(yùn)載機(jī)器人（AGV）的網(wǎng)絡(luò)化無線集群控制。

圖2 系統(tǒng)平面布置示意圖

圖3 生產(chǎn)工藝布局示意圖

采用以上方案將復(fù)雜的新聞紙輸送系統(tǒng)模塊化，復(fù)雜功能被分解，系統(tǒng)組織更加有序、高效和可靠。

控制系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)和AGV之間通過無線以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，此無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建在主控計(jì)算機(jī)側(cè)基于一組符合IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)無線路由，本系統(tǒng)采用電信級(jí)大功率無線AP，輸出功率1W可調(diào)，頻率范圍2400～2484 MHz，傳輸速率可達(dá)54Mbps。在AGV側(cè)采用同樣符合IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器（無線網(wǎng)卡）。主控計(jì)算機(jī)一個(gè)大功率寬帶無線AP和18個(gè)AGV對(duì)應(yīng)的18個(gè)MOXA無線網(wǎng)卡組成一個(gè)無線局域網(wǎng)。在主控計(jì)算機(jī)安裝好驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)置虛擬端口參數(shù)，同時(shí)對(duì)無線AP及內(nèi)置AGV的無線網(wǎng)卡的通訊參數(shù)和IP地址進(jìn)行正確設(shè)置，并對(duì)AGV上的主控CPU進(jìn)行相應(yīng)的接口編程后，主控計(jì)算機(jī)和AGV之間即可實(shí)現(xiàn)即時(shí)通訊。

通過無線網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)交換，主控計(jì)算機(jī)就可以了解對(duì)應(yīng)各AGV當(dāng)前的空間位置、任務(wù)進(jìn)程、控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、動(dòng)力狀況等，并根據(jù)所獲得的信息反饋，給相應(yīng)AGV下達(dá)新的任務(wù)指令，以方便AGV完成新的任務(wù)。

在主控計(jì)算機(jī)和AGV運(yùn)行狀態(tài)均設(shè)置為自動(dòng)的情況下，主控計(jì)算機(jī)和AGV之間按照每秒2～3次的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。

4.軟硬件及控制流程

由于系統(tǒng)各部分設(shè)備選用的產(chǎn)品不同，控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)也會(huì)有所不同。深圳報(bào)業(yè)集團(tuán)的自動(dòng)輸紙系統(tǒng)，主控計(jì)算機(jī)控制程序等主要是基于微軟的Windows XP professional、SQL 2000 server、VB、VC以及亞控科技的組態(tài)王技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)；主控制器和紙架控制部分則是基于西門子S7-300、S7-200可編程控制器系列開發(fā)軟件以及西門子總線技術(shù)SIMATIC NET進(jìn)行開發(fā)；AGV的主控制器的控制程序主要是基于C/C++語言開發(fā)。各部分控制系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，但相互之間通過有線或無線通信保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV輸紙的無線集群控制。

圖4 無線網(wǎng)絡(luò)通訊示意圖

圖5 控制系統(tǒng)流程圖

深圳報(bào)業(yè)集團(tuán)無線群控機(jī)器人自動(dòng)輸紙系統(tǒng)配置

序號(hào) 設(shè)備名稱 型 號(hào) 數(shù) 量 功 用1 主控電腦 戴爾商用OPTIPLEX 330 1臺(tái) 監(jiān)控、管理2 主控制器PLC 西門子S7-300 1組 系統(tǒng)控制3 子控制器PLC 西門子S7-200 8組 紙架現(xiàn)場控制4 無線路由器（AP） WiFly-City ODU-8300-PG 1套 無線通訊5 運(yùn)載機(jī)器人AGV （外委加工） 18部 自動(dòng)輸送紙卷6 手持遙控器 20 AGV手動(dòng)控制7 導(dǎo)引和地標(biāo)磁條8 光地標(biāo)反射板9 紅外光發(fā)射器 8

主控計(jì)算機(jī)與S7-300PLC主站通過工業(yè)以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)和信息；監(jiān)控軟件通過人機(jī)界面組態(tài)，實(shí)時(shí)圖形仿真現(xiàn)場環(huán)境，動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)全部設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；通過無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度AGV的運(yùn)行等；也可對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制、故障診斷、記錄等，智能化管理在線的設(shè)備。

通過聯(lián)接企業(yè)ERP軟件可根據(jù)系統(tǒng)對(duì)各紙卷稱重和紙芯稱重信息，記錄每個(gè)紙架的用紙量等，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)生成出新聞紙消耗的流水報(bào)表和班組報(bào)表。

報(bào)業(yè)印刷自動(dòng)輸送新聞紙系統(tǒng)，充分利用了各種成熟的新技術(shù)、新工藝，具有自動(dòng)化程度高、集成度高、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)保養(yǎng)簡單、經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)。系統(tǒng)提升了企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境質(zhì)量和管理水平，提升了報(bào)業(yè)印刷企業(yè)的效益。