水泥包裝自動(dòng)套袋裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

魏志豪，吳楨芬，張亮，章小建

水泥包裝自動(dòng)套袋裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

魏志豪1，吳楨芬1，張亮2，章小建2

（1.昆明理工大學(xué)，昆明 650000；2.常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所，江蘇 常州 213000）

為了提升水泥袋裝過(guò)程的自動(dòng)化水平，減少長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)人工套袋的過(guò)度依賴。在現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)式水泥包裝機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一款與之相適應(yīng)的自動(dòng)套袋控制系統(tǒng)。對(duì)套袋裝置的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，同時(shí)明確控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，決定采取以“HMI+PLC”的分層控制結(jié)構(gòu)，在硬件選型的基礎(chǔ)上，又對(duì)控制程序和組態(tài)界面進(jìn)行了開發(fā)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，文中所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、可靠穩(wěn)定、易于維護(hù)，在粉塵濃度較大的環(huán)境中運(yùn)行良好，有效實(shí)現(xiàn)了供袋、取袋、開袋以及套袋等工序流程的自動(dòng)化控制，套袋速度接近1 500袋/h，且套袋成功率達(dá)到98%。系統(tǒng)通過(guò)觸摸屏界面完成遠(yuǎn)程操控，將套袋工人從惡劣的粉塵環(huán)境中解放出來(lái)，為自動(dòng)套袋技術(shù)難題攻關(guān)提供了可參考方案，提升了水泥生產(chǎn)行業(yè)的自動(dòng)化水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。

水泥包裝；套袋裝置；控制系統(tǒng)；PLC；觸摸屏；運(yùn)行分析

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，以自動(dòng)控制、人工智能、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為代表的信息技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了迅猛的應(yīng)用[1]。尤其近年來(lái)，隨著“工業(yè)4.0”概念的提出以及“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略綱要的深入推進(jìn)，我國(guó)加快了傳統(tǒng)制造行業(yè)向智能制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型，逐步將高度依賴人力資源的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式升級(jí)為以信息技術(shù)為牽引的智能生產(chǎn)方式。解放勞動(dòng)力、裝備智能化改造以及生產(chǎn)管理方式變革已經(jīng)成為當(dāng)今制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)[2-3]。在包裝器械領(lǐng)域，為了提高包裝效率以及日漸多元化的產(chǎn)品包裝需求，傳統(tǒng)自動(dòng)包裝機(jī)械正在朝著信息化和智能化的方向發(fā)展，智能包裝融合了電子信息、控制理論、工業(yè)機(jī)器人等先進(jìn)制造技術(shù)，隨著與日俱增的包裝需求，智能包裝在衣、食、住、行等各領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越顯著的作用[4-6]。

水泥包裝是水泥生產(chǎn)過(guò)程的重要一環(huán)，主要依靠水泥包裝機(jī)來(lái)完成，而回轉(zhuǎn)式水泥包裝機(jī)作為當(dāng)前主流的水泥包裝設(shè)備，在很多水泥生產(chǎn)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用?；剞D(zhuǎn)式水泥包裝機(jī)一般具有多個(gè)料嘴，這些料嘴呈均勻分布狀，當(dāng)閥口袋被插在料嘴上后，經(jīng)過(guò)傳感器、電磁閥、稱重儀等相關(guān)器件的工作配合，即可完成對(duì)粉狀水泥的自動(dòng)灌料功能，然而，與其相適應(yīng)的自動(dòng)套袋技術(shù)卻沒(méi)有得到協(xié)同式發(fā)展。在國(guó)內(nèi)，大部分水泥企業(yè)還在依靠人工套袋方式[7-8]，這種人工方式效率較低，不僅嚴(yán)重影響了生產(chǎn)能力，而且套袋工作本身勞累乏味、重復(fù)單調(diào)，加之工作環(huán)境粉塵彌漫，長(zhǎng)此以往，對(duì)工人的身心健康將會(huì)造成嚴(yán)重的損害[9-10]。為此，文中基于上述現(xiàn)狀開發(fā)了自動(dòng)套袋裝置控制系統(tǒng)，根據(jù)該裝置的工作特性，將控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為上下層級(jí)控制結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場(chǎng)工控層以PLC為核心，同時(shí)搭載執(zhí)行器件和傳感器件，負(fù)責(zé)收集設(shè)備狀態(tài)、袋口位置等信息，經(jīng)內(nèi)部程序的處理和運(yùn)算，輸出對(duì)應(yīng)的控制指令驅(qū)動(dòng)相關(guān)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作執(zhí)行；監(jiān)控管理層通過(guò)觸摸屏上的組態(tài)界面來(lái)遠(yuǎn)程監(jiān)控套袋裝置的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)顯示報(bào)警信息以及對(duì)套袋數(shù)量等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，工作人員通過(guò)HMI也可對(duì)設(shè)備進(jìn)行在線調(diào)試和操作維護(hù)[11]。該控制系統(tǒng)的應(yīng)用能夠大幅提升水泥包裝作業(yè)的自動(dòng)化水平，擺脫對(duì)人工套袋的依賴，符合現(xiàn)代化制造業(yè)高效、環(huán)保、智能的生產(chǎn)管理要求。

1 自動(dòng)套袋裝置的工作流程和主要結(jié)構(gòu)介紹

1.1 工作流程

根據(jù)工序先后，自動(dòng)套袋裝置被劃分為4組工作單元，各組工作單元有序銜接，分別為：閥口袋供應(yīng)單元、閥口袋儲(chǔ)存單元、閥口袋抓取單元和閥口袋套袋單元，其工作流程見圖1。

1.2 主要結(jié)構(gòu)

自動(dòng)套袋裝置的結(jié)構(gòu)見圖2，主要包含供袋機(jī)構(gòu)、移袋機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)袋機(jī)構(gòu)、取袋機(jī)構(gòu)和套袋機(jī)構(gòu)等。

1）供袋機(jī)構(gòu)。供袋盤經(jīng)由旋轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)180°的往返擺動(dòng)，當(dāng)供袋盤擺動(dòng)到0°時(shí)，處于上袋工位，此時(shí)可放置批量閥口袋，接近開關(guān)檢測(cè)到袋已放置后，供袋盤擺動(dòng)到180°位置，此時(shí)到達(dá)移袋工位，等待移袋機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

2）移袋機(jī)構(gòu)。閥口袋被送達(dá)移袋工位后，移袋推桿隨著提升氣缸升出，并從供袋盤上的槽體穿出，緊接著，移袋氣缸也隨之水平伸出，移袋推桿經(jīng)由移袋氣缸的推動(dòng)下進(jìn)行水平位移，從而將閥口袋推送至主袋庫(kù)盤上方。

3）儲(chǔ)袋機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)包含2個(gè)袋庫(kù)盤，兩者一主一副，交替進(jìn)行工作。當(dāng)閥口袋被送至主袋庫(kù)盤，提升氣缸立即向上伸出，帶動(dòng)主袋庫(kù)盤升至取袋工位，此時(shí)，激活取袋機(jī)構(gòu)工作，隨著閥口袋越來(lái)越少，當(dāng)減少至設(shè)定的閾值，伺服氣缸開始向上伸出，其作用是補(bǔ)償主袋庫(kù)盤上因袋量不足而導(dǎo)致的袋位下降，至伺服氣缸完全伸出后，副盤移動(dòng)氣缸也隨之伸出，副盤接替主盤托舉剩余的閥口袋，主盤下降至原來(lái)位置，等待接收新一批閥口袋到來(lái)。當(dāng)副盤上的閥口袋也被取完，副盤縮回至初始位置，等待下一次的接替工作。

3）取袋機(jī)構(gòu)。取袋機(jī)構(gòu)用來(lái)吸取儲(chǔ)袋機(jī)構(gòu)中的閥口袋，由于閥口袋的袋身特性，當(dāng)袋口側(cè)被拽拉時(shí)，形變和重力作用會(huì)導(dǎo)致袋口自動(dòng)張開，因此取袋機(jī)構(gòu)也兼具開袋的功能。后吸盤與后取袋氣缸剛性連接，前吸盤與前取袋氣缸經(jīng)四桿機(jī)構(gòu)相連接。當(dāng)閥口袋處在取袋工位時(shí)，閥口袋的袋口和袋尾兩端分別被前后吸盤吸附，待吸附穩(wěn)定后，前后氣缸又同時(shí)動(dòng)作使袋體被吸附提升，前吸盤由于四桿機(jī)構(gòu)的空間變換，使其與被吸取的閥口袋呈垂懸狀態(tài)，等待套袋機(jī)構(gòu)來(lái)取。

圖1 自動(dòng)套袋裝置的工作流程

1.供袋機(jī)構(gòu)；2.移袋機(jī)構(gòu)；3.儲(chǔ)袋機(jī)構(gòu)；4.取袋機(jī)構(gòu)；5.套袋機(jī)構(gòu)。

4）套袋機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要包含機(jī)械手和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂的動(dòng)力來(lái)源于伺服電機(jī)，它的空間結(jié)構(gòu)為典型的平行四桿機(jī)構(gòu)，機(jī)械手連接在機(jī)械臂末端軸上，平行四桿機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)比決定了機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)軌跡。在初始狀態(tài)，機(jī)械臂擺動(dòng)到取袋工位，機(jī)械手放松，當(dāng)取袋動(dòng)作完成后，機(jī)械手夾緊，閥口袋被夾取并保持，等到料嘴到達(dá)后，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂向套袋工位處擺動(dòng)，直到擺動(dòng)至預(yù)定位置，機(jī)械手和料嘴在運(yùn)動(dòng)軌跡上處于相互嚙合狀態(tài)，兩者同步保持旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，袋口也會(huì)沿著料嘴做直線套入運(yùn)動(dòng)，最終使袋口穩(wěn)穩(wěn)套在料嘴上。

2 自動(dòng)套袋裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

自動(dòng)套袋裝置包含多組工位，工作流程復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境惡劣，文中從機(jī)器工作特性和工程實(shí)際需求的角度，對(duì)控制系統(tǒng)制定了如下幾點(diǎn)要求。

1）各工作單元能夠協(xié)調(diào)控制，既要避免各機(jī)構(gòu)間產(chǎn)生空間干涉，又要使供袋、移袋、儲(chǔ)袋、移袋、取袋、套袋等動(dòng)作連續(xù)穩(wěn)定地執(zhí)行。

2）動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好，能夠根據(jù)各路傳感器信號(hào)，實(shí)時(shí)做出判斷并予以反饋。

3）裝置的工作地點(diǎn)為水泥包裝車間，現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度較大，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)考慮粉塵環(huán)境對(duì)硬件電路的影響，選取的電氣元件要具備防爆、防腐蝕和抗干擾性能，從而保證設(shè)備安全運(yùn)行。

4）控制電路須接入空氣開關(guān)、熱繼電器、電壓繼電器等低壓保護(hù)電器，設(shè)置必要的電氣互鎖和聯(lián)鎖電路，增設(shè)急停按鈕，完善報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確保機(jī)器的安全運(yùn)行。

5）配置良好的人機(jī)界面和簡(jiǎn)易的操作指南，便于相關(guān)人員進(jìn)行操作、監(jiān)控和維護(hù)。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)套袋裝置的工作流程復(fù)雜，傳統(tǒng)繼電器控制難以滿足設(shè)計(jì)要求，故系統(tǒng)采用“PLC+HMI”的層級(jí)控制結(jié)構(gòu)，見圖3，控制系統(tǒng)硬件包括PLC、觸摸屏、傳感器、氣缸組合系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。該系統(tǒng)以PLC為核心，一方面收集來(lái)自傳感器件檢測(cè)到的料嘴位置、氣缸行程、閥口袋放置等設(shè)備狀態(tài)信息，另一方面按照內(nèi)部已經(jīng)編寫程序來(lái)實(shí)時(shí)控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作[12]。搭載在觸摸屏上的人機(jī)界面不但可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，而且能夠?qū)崟r(shí)記錄和顯示報(bào)警情況，對(duì)統(tǒng)計(jì)的套袋數(shù)量進(jìn)行查看，通過(guò)人機(jī)界面也可以設(shè)定套袋任務(wù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要切換手、自動(dòng)控制模式，以便對(duì)裝置進(jìn)行維護(hù)和調(diào)試等操作。

3.1 PLC選型與I/O分配

PLC是專門為工業(yè)控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的數(shù)字電子設(shè)備，內(nèi)部集成有中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入接口單元、輸出接口單元等，能夠滿足邏輯判斷、算數(shù)運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等多種控制功能。文中選用S7–200 SMART PLC作為主控制器，該型號(hào)控制器不但繼承了西門子S7–200 PLC運(yùn)行速度快、簡(jiǎn)易實(shí)用、性價(jià)比高等特點(diǎn)，而且在模塊擴(kuò)展、通信接口、運(yùn)動(dòng)控制等方面均具有顯著的優(yōu)勢(shì)[13]。

通過(guò)對(duì)裝置工作流程進(jìn)行分析，文中統(tǒng)計(jì)出控制系統(tǒng)共需約26個(gè)輸入點(diǎn)和25個(gè)輸出點(diǎn)。主控制器模塊CPU ST40自身具備24個(gè)輸入端子，18個(gè)輸出端子，因此，系統(tǒng)還需擴(kuò)展一組EMDT32模塊，該模塊擁有16個(gè)輸入端子和16個(gè)輸出端子，可以充分滿足系統(tǒng)需求，并能為后期的擴(kuò)展提供充足裕量，控制系統(tǒng)I/O端子分配見表1，PLC主控制器模塊接線示意圖見圖4。

圖3 自動(dòng)套袋裝置控制系統(tǒng)硬件框圖

表1 自動(dòng)套袋裝置控制系統(tǒng)I/O端子分配

Tab.1 I/O distribution of automatic bagging device control system

圖4 PLC主模塊接線示意圖

3.2 觸摸屏選型

觸摸屏被作為該裝置的HMI，能夠通過(guò)以太網(wǎng)端口與PLC建立通信連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警、套袋數(shù)量等信息的在線監(jiān)控?？紤]實(shí)用性強(qiáng)、成本低等因素，文中選用昆侖通泰TPC 1061系列觸摸屏為組態(tài)硬件。該系列觸摸屏具備128 M超大內(nèi)存，支持多種通信方式連接，采用DC 24 V直流供電，抗干擾能力達(dá)到工業(yè)Ⅲ級(jí)。通過(guò)MCGS嵌入版組態(tài)軟件可以對(duì)該款觸摸屏的功能界面進(jìn)行自定義開發(fā)。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)套袋裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，除了要完成硬件系統(tǒng)的搭建，還要對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)在很大程度上決定了裝置的工作性能，以及運(yùn)行過(guò)程中的自動(dòng)化和智能化水平。

4.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序是基于STEP–7軟件來(lái)進(jìn)行編寫，程序語(yǔ)言選用梯形圖（LAD），梯形圖是基于圖形化特點(diǎn)的編程語(yǔ)言，簡(jiǎn)單易讀，編寫難度低[14]。文中依照模塊化思路對(duì)自動(dòng)套袋裝置的PLC程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)和編寫，主程序流程見圖5，主程序由手動(dòng)控制程序、自動(dòng)控制程序、報(bào)警模塊程序和統(tǒng)計(jì)模塊程序等組成。在自動(dòng)控制程序中，根據(jù)工作單元的組成，將其切分為供袋子程序、儲(chǔ)袋子程序、取袋子程序和套袋子程序。

手動(dòng)運(yùn)行用于對(duì)機(jī)器的調(diào)試和維護(hù)，機(jī)器在手動(dòng)運(yùn)行模式下，相關(guān)人員可直接對(duì)設(shè)備機(jī)構(gòu)進(jìn)行操控，手動(dòng)檢測(cè)電磁閥的通斷狀態(tài)、整定氣缸行程、確定機(jī)械臂擺動(dòng)角大小等。另外，通過(guò)手動(dòng)調(diào)試也能夠排查傳感器件的檢測(cè)狀況是否正常，通過(guò)校準(zhǔn)傳感器件參數(shù)和調(diào)整傳感器件位置，從而達(dá)到最佳工作性能，為自動(dòng)套袋裝置的運(yùn)行提供切實(shí)保障。

圖5 控制系統(tǒng)主程序流程

自動(dòng)運(yùn)行用于機(jī)器正常工作，當(dāng)機(jī)器切換為自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，首先會(huì)判斷各工作機(jī)構(gòu)是否處于初始狀態(tài)，若非初始狀態(tài)，全體機(jī)構(gòu)復(fù)位。待供袋機(jī)構(gòu)被放置閥口袋后，控制系統(tǒng)依次調(diào)用供袋、儲(chǔ)袋、取袋和套袋子程序，各子程序流程見圖6。在自動(dòng)運(yùn)行的過(guò)程中，管理人員可隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行暫停、停止，以及參數(shù)設(shè)置等操作，從而滿足包裝生產(chǎn)的需要。

圖6 各子程序流程

4.2 HMI軟件開發(fā)

HMI以組態(tài)界面的形式將工作流程和系統(tǒng)狀態(tài)可視化，起到遠(yuǎn)程監(jiān)控和人機(jī)交互的作用。文中選用的是昆侖通泰TPC1061系列觸摸屏，該款觸摸屏采用MCGS專業(yè)版組態(tài)軟件進(jìn)行界面開發(fā)，根據(jù)套袋裝置的工作流程和控制系統(tǒng)監(jiān)控要求，HMI主要完成以下功能。

1）選擇運(yùn)行模式。系統(tǒng)設(shè)置有手動(dòng)運(yùn)行模式和自動(dòng)運(yùn)行模式，操作人員根據(jù)具體工作需要，在HMI上可以靈活的選擇和切換。

2）工作循環(huán)次數(shù)設(shè)置。一次工作循環(huán)是完成一組閥口袋的套袋作業(yè)，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)需求，在HMI上可設(shè)定套袋組數(shù)，即工作循環(huán)總次數(shù)。

3）水泥套袋量統(tǒng)計(jì)。為了方便查驗(yàn)已完成的套袋數(shù)量和預(yù)定工作任務(wù)的完成情況，HMI支持設(shè)備工作時(shí)長(zhǎng)、套袋統(tǒng)計(jì)的實(shí)時(shí)數(shù)量、累計(jì)數(shù)量等數(shù)據(jù)查詢。

4）套袋速度設(shè)置。套袋速度支持低、中、高三級(jí)檔位設(shè)置，在觸摸屏上點(diǎn)擊設(shè)置后，包裝機(jī)旋轉(zhuǎn)速度也會(huì)隨之改變，從而適應(yīng)套袋速度的變化。

5）報(bào)警功能。HMI設(shè)計(jì)有完善的報(bào)警界面，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生電氣故障或者沒(méi)有按照預(yù)設(shè)程序動(dòng)作時(shí)，控制系統(tǒng)將報(bào)警，報(bào)警信息實(shí)時(shí)顯示在HMI上，并同步保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便工作人員查詢。

自動(dòng)套袋裝置的組態(tài)界面主要包含初始、登錄、自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行、參數(shù)整定、報(bào)警等界面，部分人機(jī)界面見圖7，其中，登錄界面用于驗(yàn)證管理人員身份；初始界面為該系統(tǒng)首頁(yè)，用于選擇主要控制功能；手動(dòng)運(yùn)行界面用于手動(dòng)調(diào)試和檢修維護(hù)；自動(dòng)運(yùn)行界面用于監(jiān)控和管理設(shè)備的生產(chǎn)和運(yùn)行情況。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

5.1 系統(tǒng)調(diào)試

自動(dòng)套袋裝置在完成機(jī)械組裝和電控設(shè)計(jì)后進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試階段。系統(tǒng)調(diào)試的目的是為了繼續(xù)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題、排除安全隱患、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案等[15]。通過(guò)點(diǎn)動(dòng)控制來(lái)檢驗(yàn)氣動(dòng)電磁閥的電氣執(zhí)行狀況；通過(guò)調(diào)節(jié)磁性開關(guān)位置來(lái)整定氣缸的擺動(dòng)或伸縮范圍；通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)光電開關(guān)與接近開關(guān)的靈敏度，防止動(dòng)作誤觸的發(fā)生。在調(diào)試PLC程序時(shí)，首先要按照順序?qū)γ總€(gè)工作單元進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，在保證各個(gè)工作單元運(yùn)行穩(wěn)定的前提下，進(jìn)行整體聯(lián)動(dòng)調(diào)試，其目的是保證系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)性和協(xié)調(diào)性，例如單元間的順序銜接控制，包裝機(jī)旋轉(zhuǎn)速度與機(jī)械臂擺動(dòng)速度相協(xié)調(diào)控制等。此外，著重查驗(yàn)PLC與觸摸屏的通訊情況是否良好；通過(guò)模擬意外情況的發(fā)生，檢驗(yàn)報(bào)警系統(tǒng)是否運(yùn)行正常?？偠灾?，在保證系統(tǒng)安全的前提下，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行情況，不斷來(lái)調(diào)整控制參數(shù)和程序結(jié)構(gòu)，按照上述步驟反復(fù)單獨(dú)調(diào)試和聯(lián)動(dòng)調(diào)試，直到控制系統(tǒng)達(dá)到整體穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

5.2 運(yùn)行分析

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)際運(yùn)用，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，易于維護(hù)，具有較高的穩(wěn)定性能，與現(xiàn)有的主流式回轉(zhuǎn)式水泥包裝機(jī)相適應(yīng)，在粉塵濃度較大的環(huán)境中，仍然具備優(yōu)良的通訊性能，傳感器監(jiān)測(cè)功能良好，各工作單元能夠?qū)Τ绦蛑噶钸M(jìn)行準(zhǔn)確執(zhí)行。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)監(jiān)控能力正常，對(duì)套袋數(shù)量能夠進(jìn)行精確統(tǒng)計(jì)，對(duì)設(shè)備故障等突發(fā)情況也能及時(shí)響應(yīng)報(bào)警信息。

表2所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)是該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況：共計(jì)套袋5萬(wàn)余次，成功率達(dá)到98%，平均套袋速度接近1 500袋/h。值得注意的是，該裝置對(duì)閥口袋的材質(zhì)要求較為嚴(yán)格，運(yùn)行前2周，用以包裝水泥的閥口袋多為塑編材質(zhì)，由于塑編袋褶皺和柔軟的原因，裝置在取袋過(guò)程和開袋過(guò)程中易脫落掉地，因此成功率偏低，耗時(shí)偏長(zhǎng)。從第3周后，采用全新的牛皮紙材質(zhì)閥口袋進(jìn)行包裝實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)其套袋速度和套袋成功率得到了顯著提升。

圖7 人機(jī)界面

表2 套袋裝置運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

Tab.2 Operation statistics of bagging device

6 結(jié)語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的基于PLC控制的水泥包裝自動(dòng)套袋裝置，在高粉塵工作環(huán)境中能夠可靠運(yùn)行。系統(tǒng)采用“HMI+PLC”的分層控制結(jié)構(gòu)，與繼電器控制電路相比，具有維護(hù)和擴(kuò)展方便，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)觸摸屏組態(tài)界面，能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互功能，便于監(jiān)控、調(diào)試以及設(shè)備狀態(tài)的可視化。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了供袋、移袋、取袋、開袋、精準(zhǔn)套袋等連續(xù)自動(dòng)化控制，提高了水泥包裝自動(dòng)化程度和包裝效率，為水泥企業(yè)節(jié)約了大量勞動(dòng)力，為水泥自動(dòng)化套袋方案提供了可靠的技術(shù)支撐，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

[1] 崇嵐, 潘軍輝, 熊鵬文. 智能包裝技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J]. 包裝工程, 2017, 38(15): 149-154.

CHONG Lan, PAN Jun-hui, XIONG Peng-wen. Development and Applications of Intelligent Packaging Technology[J]. Packaging Engineering, 2017, 38(15): 149-154.

[2] 褚彪. 淺析工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在水泥裝備行業(yè)的應(yīng)用[J]. 水泥工程, 2020(6): 64-65.

CHU Biao. Analysis on the Application of Industrial Internet in Cement Equipment Industry[J]. Cement Engineering, 2020(6): 64-65.

[3] 金磊. 水泥灌料自動(dòng)插袋機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2019: 1-5.

JIN Lei. Design of Automatic Filling Machine ARM for Cement Filling[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2019: 1-5.

[4] 石磊. 果蔬自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D]. 杭州: 浙江農(nóng)林大學(xué), 2014: 1-4.

SHI Lei. The Design and Research of Control System of Fruit and Vegetable Automatic Packaging Machine[D]. Hangzhou: Zhejiang A & F University, 2014: 1-4.

[5] 曹紅英, 王莉, 姚家琛. 全自動(dòng)面粉包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 包裝工程, 2020, 41(15): 215-221.

CAO Hong-ying, WANG Li, YAO Jia-chen. Design of Control System on Full-Automatic Flour Packaging Production Line[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(15): 215-221.

[6] 馬巖, 許洪剛, 何惠彬, 等. 基于PLC的小徑木雙面連續(xù)式縱向刨切機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 包裝工程, 2016, 37(17): 187-191.

MA Yan, XU Hong-gang, HE Hui-bin, et al. Design of Control System of the Sides Continuous Veneer Slicer for Small-Diameter Wood Based on PLC[J]. Packaging Engineering, 2016, 37(17): 187-191.

[7] 朱攀勇, 付金強(qiáng), 燕怒, 等. 水泥包裝自動(dòng)插袋機(jī)的應(yīng)用與示范[J]. 包裝工程, 2018, 39(21): 168-172.

ZHU Pan-yong, FU Jin-qiang, YAN Nu, et al. Application and Demonstration of Automatic Bag-Insert Machine for Cement Packing[J]. Packaging Engineering, 2018, 39(21): 168-172.

[8] 萬(wàn)亮, 謝劍峰, 付金強(qiáng), 等. 新型水泥自動(dòng)插袋機(jī)的應(yīng)用體會(huì)[J]. 水泥, 2019(4): 41-43.

WAN Liang, XIE Jian-feng, FU Jin-qiang, et al. Application Experience of New Type Cement Automatic Bag Inserting Machine[J]. Cement, 2019(4): 41-43.

[9] 鄒陽(yáng), 唐火紅, 馮寶林, 等. 水泥灌裝機(jī)套袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2015, 32(2): 56-60.

ZOU Yang, TANG Huo-hong, FENG Bao-lin, et al. Design and Optimization on Bagging Mechanism for Cement Filling Machine[J]. Journal of Machine Design, 2015, 32(2): 56-60.

[10] 羅扉, 王會(huì)良. 插袋機(jī)械手研制及其在工程領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀與前景[J]. 時(shí)代農(nóng)機(jī), 2016, 43(3): 36-37.

LUO Fei, WANG Hui-liang. The Development of Sidekick Manipulator and Its Current Situation and Prospect in Engineering Application[J]. Times Agricultural Machinery, 2016, 43(3): 36-37.

[11] 黃振, 李麗娟. 基于S7–1200 PLC的熔銅豎爐燃料濃度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2020, 43(12): 106-110.

HUANG Zhen, LI Li-juan. Design of S7-1200 PLC-Based Fuel Concentration Control System for Molten Copper Shaft Furnace[J]. Modern Electronics Technique, 2020, 43(12): 106-110.

[12] 劉巧, 王磊. 基于小型PLC的智能棉花采摘控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2018, 41(14): 37-40.

LIU Qiao, WANG Lei. Design of Intelligent Cotton Picking Control System Based on Small PLC[J]. Modern Electronics Technique, 2018, 41(14): 37-40.

[13] 蔡杏山. 圖解西門子S7–200 SMART PLC快速入門與提高[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2018: 17-20.

CAI Xing-shan. Graphic introduction and improvement of Siemens S7-200 SMART PLC[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2018: 17-20.

[14] 劉振全, 韓相爭(zhēng), 王漢芝. 西門子PLC從入門到精通[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2018: 28-32.

LIU Zhen-quan, HAN Xiang-zheng, WANG Han-zhi. Siemens PLC from Entry to Mastery[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2018: 28-32.

[15] 胡兵, 王小娟. 基于PLC和觸摸屏的馬口瓶裝箱機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 包裝工程, 2017, 38(5): 157-161.

HU Bing, WANG Xiao-juan. Design of Control System for Tinplate-Bottle Boxing Machine Based on PLC and Touch Screen[J]. Packaging Engineering, 2017, 38(5): 157-161.

Design of Automatic Bagging Device Control System for Cement Packaging

WEI Zhi-hao1, WU Zhen-fen1, ZHANG Liang2, ZHANG Xiao-jian2

(1. Kunming University of Science and Technology, Kunming 650000, China; 2. Changzhou Institute of Advanced Manufacturing Technology, Jiangsu Changzhou 213000, China)

In order to improve the automation level of cement bagging process and reduce the excessive dependence on manual bagging for a long time, an automatic bagging control system is designed based on the existing rotary cement packaging machine technology. This paper briefly expounds the structural principle of bagging device, defines the design key points of control system, and decides to adopt the hierarchical control structure of "HMI + PLC". On the basis of hardware selection, the control program and configuration interface are developed. The field experiment shows that the control system mentioned in this paper is simple, reliable, stable and easy to maintain. It runs well in the environment with high dust concentration, which can effectively realize the automatic control of bag supply, bag taking, bag opening and bag bagging. The bagging speed is close to 1 500 bags/h, and the success rate of bag bagging is 98%. The system completes the remote control through the touch screen interface, liberates the bagging workers from the harsh dust environment, provides a reference scheme for tackling the technical problems of automatic bagging, improves the automation level of cement production industry, and has broad application prospects.

cement packaging, bagging device, control system, PLC, touch screen, operation analysis

TB486+.3；TP23

A

1001-3563(2022)11-0236-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.11.031

2021–10–19

魏志豪（1995—），男，昆明理工大學(xué)碩士生，主攻機(jī)電一體化研究和設(shè)計(jì)。

章小建（1985—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橹悄苤圃旌凸I(yè)機(jī)器人等。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋