煙包包裝箱回收中自動化碼垛系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用

黃林琪 劉文烽 羅家政 陳瑛

【摘 要】為解決卷煙廠煙包包裝箱回收效率低等問題，文章提出了一種紙箱自動碼垛控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠利用可編程控制器協(xié)調(diào)各部件的運作，實現(xiàn)包裝箱的自動堆疊及回收任務(wù);通過提升運輸高度，減少空間占用程度;通過工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)各設(shè)備之間的實時通信?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的人工回收方式相比，該控制系統(tǒng)在減少1名作業(yè)人員的同時大幅降低了作業(yè)人員的勞動強度，既滿足了回收可靠性的要求，又達到了快速回收的效果，可為提升煙草回收物流自動化水平提供支持。

【關(guān)鍵詞】紙箱回收;碼垛控制系統(tǒng);工業(yè)以太網(wǎng);可編程控制器

0 引言

目前，煙草企業(yè)主要將研發(fā)力量集中在物料的包裝、分揀及開包等工序的改進上，而對煙包包裝箱碼垛回收的研究報道較少[1]。包裝箱具有規(guī)格及重量大的特性，常規(guī)的碼垛機器人無法穩(wěn)定地進行回收工作。在回收物流的碼垛系統(tǒng)中，由于煙包種類的復(fù)雜性和隨機性，會導(dǎo)致包裝箱大小規(guī)格不同，并且要求累積一定數(shù)量后自動更換托盤，以便于叉車集中回收，因此規(guī)格不同的包裝箱需經(jīng)過整理后方可進行堆疊回收，以保證包裝箱的穩(wěn)定和整齊，防止出現(xiàn)堆垛傾斜、倒塌的情況。

目前，多數(shù)煙草企業(yè)依舊采用人工方式回收包裝箱，但人工回收方式工作效率低、勞動強度大，已無法滿足企業(yè)需要，逐漸成為煙草企業(yè)發(fā)展的障礙，故設(shè)計新型包裝箱自動碼垛系統(tǒng)成為阻礙煙草回收物流中心的首要任務(wù)[2]。為此，本文以南寧卷煙廠制絲車間回收物料中心為對象，設(shè)計了一種紙箱自動碼垛控制系統(tǒng)，以期實現(xiàn)包裝箱的自動堆疊回收功能，提高回收物流系統(tǒng)的工作效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架

碼垛控制系統(tǒng)以“西門子”S7-1200為核心控制器，能夠通過設(shè)計程序邏輯自動、高效地完成包裝箱堆疊及回收工作;可以通過電壓、電流檢測及過壓保護模塊的監(jiān)測，保障系統(tǒng)動力能源正常工作[4];可以通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)傳輸傳感器采集數(shù)據(jù)，實時獲取包裝箱位置信息;可以利用PROFIN-

ET網(wǎng)絡(luò)傳輸控制指令，通過變頻器驅(qū)動交流電機實現(xiàn)對各個機構(gòu)的控制;可以通過觸摸屏實時監(jiān)控碼垛系統(tǒng)運行狀態(tài)、查看包裝箱位置信息及在手動模式下實時操縱碼垛系統(tǒng)。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

1.2 硬件架構(gòu)

碼垛系統(tǒng)的硬件部分主要由平整裝置、升降機、氣動裝置、紙箱推桿、空中輸送帶、碼垛機及托盤庫等部分組成。其中平整裝置通過左右氣缸推動以平整包裝箱左右側(cè);升降機位于紙箱出料口末端，此處存在車間內(nèi)部通往電梯口的物料搬運通道，若在此進行堆疊及回收工作將會影響物料搬運工作，故采用升降結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計將送入的包裝箱進行提升，以減少空間占用率并防止堵塞電梯出入口（如圖2、圖3所示）。

紙箱推桿通過光電傳感器（如圖4所示）確定紙箱位置，利用擋板和氣缸平整紙箱前后兩側(cè)，以保證包裝箱堆疊整齊?？罩休斔蛶Р捎弥芯嚯x鏈式運輸方式，以增加系統(tǒng)回收能力。碼垛機亦為升降結(jié)構(gòu)，其高度隨著包裝箱的投入而逐漸降低，待堆垛包裝箱數(shù)量達到設(shè)定值后將包裝箱送出。托盤庫位于碼垛機后方，可利用托盤分料裝置自動、快速地補充托盤。

1.3 軟件設(shè)計

軟件部分包括控制邏輯的設(shè)計、PROFINET網(wǎng)絡(luò)搭建、傳感器反饋信號的處理及觸摸屏界面設(shè)計?？刂七壿嬛饕獙崿F(xiàn)碼垛系統(tǒng)各部件的正常運作，包括控制平整裝置、升降機、氣動裝置、紙箱推桿、空中輸送帶等;PROFINET網(wǎng)絡(luò)主要實現(xiàn)控制指令及數(shù)據(jù)的傳輸;觸摸屏則可實時監(jiān)控碼垛系統(tǒng)的運行狀態(tài)及包裝箱位置信息。

本文設(shè)計了兩段空中輸送帶，每段輸送帶安裝3個光電傳感器，利用光電傳感器實時獲取包裝箱位置信息，延長包裝箱之間的距離，防止包裝箱之間發(fā)生碰撞。每段輸送帶由2臺交流電機進行控制，用以提高碼垛系統(tǒng)處理能力。輸送帶控制邏輯如圖5所示。

通過PROFINET建立可編程控制器、觸摸屏、傳感器及變頻器之間的通信網(wǎng)絡(luò)，使得各器件能夠與該網(wǎng)絡(luò)下的任意設(shè)備進行實時數(shù)據(jù)傳輸。PROFINET網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示。

使得人與機器之間能夠準確地進行交流是設(shè)計觸摸屏畫面的關(guān)鍵，通過“西門子”WINCC編程軟件設(shè)計觸摸屏界面，如在碼垛機界面上設(shè)置碼垛數(shù)量，操作人員可以根據(jù)托盤大小更改碼垛數(shù)量，保證包裝箱的穩(wěn)定存放。在各電機控制界面上設(shè)計電機運行狀態(tài)信息及點動按鍵，使得調(diào)試及維護等工作更加便捷。部分觸摸屏畫面設(shè)計如圖7所示。

1.4 碼垛動作流程

待回收的包裝箱到達紙箱出料口后，入口平移機構(gòu)和升降平臺將包裝箱送入空中輸送帶，當(dāng)包裝箱抵達輸送帶末端時，紙箱推桿將其推入碼垛升降機進行堆垛，待堆垛到設(shè)定數(shù)量時，包裝箱在出口輸送機及卸貨機的作用下完成紙箱碼垛任務(wù)。碼垛系統(tǒng)運作流程如圖8所示。

2 實驗數(shù)據(jù)分析

以“真龍”牌煙包包裝箱為回收對象，選用型號為6ES7 215-1BG40-0XB0的“西門子”可編程控制器、型號為6GK7 277-1AA10-0AA0的“西門子”交換機、型號為FC302-P1K1-T5-E20-H1-X-GCAL的“丹佛斯”變頻器及型號為1LG0253-6AB70的“西門子”交流電機進行試驗?，F(xiàn)定一個托盤裝載6垛包裝箱，其中每一垛為6個包裝箱，以堆疊好一個托盤到運輸至指定地點為碼垛時間，在卷煙廠制絲車間生產(chǎn)過程中進行統(tǒng)計，連續(xù)統(tǒng)計1個月。部分數(shù)據(jù)記錄見表1。

南寧卷煙廠2條開包線共用1個紙箱出料口，累積開包6箱煙后將包裝箱運送到出料口，平均出料速率為30 s/垛，輸出6垛包裝箱時間約180 s。統(tǒng)計結(jié)果表明：由于紙箱出料口處存在物料運輸通道，工人需將包裝箱搬運至空曠處進行堆放和整理，因此耗時較長、勞動強度大且堆垛效果不佳，而引進紙箱自動碼垛控制系統(tǒng)后，碼垛回收平均耗時173.6 s，平均出料速率為28.9 s/垛，比人工作業(yè)快約11 s，堆疊效果遠勝于人工，并且在減少1名作業(yè)人員的同時大幅降低了作業(yè)人員的勞動強度，滿足了包裝箱回收實時性及可靠性要求，實現(xiàn)了煙包包裝箱的自動堆疊及回收功能。

3 總結(jié)

針對南寧卷煙廠制絲車間開包后包裝箱回收效率低等問題，本文研究并設(shè)計了一種以可編程控制器為核心、傳感器為感知機構(gòu)、交流電機為執(zhí)行機構(gòu)、PROFINET為傳輸紐帶的紙箱自動碼垛控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠利用平整機構(gòu)和紙箱推桿將包裝箱堆疊整齊，保證其堆疊平穩(wěn);利用PEOFINET網(wǎng)絡(luò)傳輸控制指令及傳感器數(shù)據(jù)，提高各設(shè)備間的通信速率;通過優(yōu)化控制邏輯，保證設(shè)備的協(xié)調(diào)運作。現(xiàn)場測試結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的人工回收方式相比，紙箱自動碼垛控制系統(tǒng)碼垛時間不超過174 s，堆疊效果良好，運作可靠性和回收效率高。在實際生產(chǎn)中，該系統(tǒng)可有效緩解工人勞動強度、降低人工成本、提高包裝箱回收效率、提升煙草回收物流的自動化程度。

參 考 文 獻

[1]孔垂武，張磊.卷煙包裝箱回收利用的實踐與探索[A].中國煙草學(xué)會.中國煙草2013年學(xué)術(shù)年會論文集[C].北京：中國煙草學(xué)會，2013：455-459.

[2]田潤嫻.構(gòu)建卷煙包裝箱循環(huán)利用流程提升回收利用效率[J].中國包裝，2015，35（7）：50-57.

[3]韓松濤.工業(yè)自動化中以太網(wǎng)的應(yīng)用與發(fā)展[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2016（26）：41-42.

[4]劉洋.協(xié)作機器人關(guān)節(jié)設(shè)計及伺服驅(qū)動研究[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2018.