一種大藥卷工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)的研制

潘先峰

（中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司，淮北 235000）

工業(yè)炸藥可分為膠狀乳化炸藥、多孔粒狀銨油炸藥、膨化硝銨炸藥、粉狀乳化炸藥以及改性銨油炸藥等。從我國(guó)工業(yè)炸藥產(chǎn)量結(jié)構(gòu)來(lái)看，膠狀乳化炸藥和多孔粒狀銨油炸藥產(chǎn)量繼續(xù)呈逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。2022 年，膠狀乳化炸藥產(chǎn)量占全國(guó)工業(yè)炸藥總產(chǎn)量的60.83%，在工業(yè)炸藥中處于主導(dǎo)地位，通常采用藥卷包裝系統(tǒng)進(jìn)行包裝。工業(yè)炸藥包裝是一個(gè)復(fù)雜而危險(xiǎn)的生產(chǎn)過(guò)程，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)由人工進(jìn)行操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，且存在較大的安全隱患。

工業(yè)和信息化部《關(guān)于推進(jìn)民爆行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見(jiàn)》和《“十四五”民用爆炸物品行業(yè)安全發(fā)展規(guī)劃》均強(qiáng)調(diào)推進(jìn)民爆行業(yè)智能制造技術(shù)的推廣應(yīng)用，不斷提高行業(yè)智能制造水平和生產(chǎn)線本質(zhì)安全水平[1-2]。在工業(yè)炸藥制藥、裝藥、包裝、裝卸等危險(xiǎn)崗位，滿足安全生產(chǎn)、降耗減碳、提質(zhì)降本等前提下，推廣少人或無(wú)人作業(yè)，實(shí)施安全一體化監(jiān)控。研發(fā)智能制造裝備和智能化生產(chǎn)線，加快生產(chǎn)設(shè)備的智能化改造，推廣應(yīng)用一批“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”的安全技術(shù)裝備，是民爆行業(yè)實(shí)現(xiàn)安全發(fā)展戰(zhàn)略的主要規(guī)劃之一[3]。隨著科技的進(jìn)步和國(guó)家政策的引導(dǎo)，工業(yè)炸藥生產(chǎn)各工序都向著連續(xù)化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，促使民爆行業(yè)開發(fā)出各種自動(dòng)化設(shè)備用以替代人工操作，且取得了良好成效。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的工業(yè)炸藥包裝系統(tǒng)的自動(dòng)化水平、智能化水平、運(yùn)行可靠性以及產(chǎn)能均得到一定提高，尤其是工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)一線的廣泛使用，大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。由于民爆行業(yè)科研投入不足，信息化、智能制造還處于起步階段，專用生產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備在智能制造、綠色環(huán)保等方面落后于國(guó)內(nèi)其他行業(yè)，對(duì)民爆行業(yè)實(shí)現(xiàn)安全發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展形成了阻礙?，F(xiàn)有包裝技術(shù)主要存在以下問(wèn)題：一是箱式包裝方式仍然處于市場(chǎng)主流地位，生產(chǎn)成本高，不滿足企業(yè)降低包裝成本的需求；二是箱式包裝方式中開箱、捆扎工序動(dòng)作較多，預(yù)放紙箱少，添加紙箱頻繁且勞動(dòng)強(qiáng)度大，易出現(xiàn)故障，需人員巡視，不滿足包裝無(wú)人化要求。

隨著民爆行業(yè)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)線智能化和無(wú)人化要求的不斷提升和企業(yè)生產(chǎn)成本壓力的不斷加大，新型智能化無(wú)人生產(chǎn)技術(shù)具備的優(yōu)勢(shì)凸顯且需求迫切。復(fù)合袋包裝技術(shù)尤其是覆膜編織袋、紙塑袋包裝技術(shù)，具有成本低廉、防水防潮、環(huán)保等特點(diǎn)，能大幅降低生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，減少人員操作，是包裝技術(shù)的發(fā)展方向，符合民爆行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求。

1 工藝設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)分料輸送系統(tǒng)，將藥卷進(jìn)行可靠的自動(dòng)分流，經(jīng)整平理料系統(tǒng)將姿態(tài)正確的藥卷送入藥卷計(jì)數(shù)堆碼裝置，無(wú)序藥卷送入回料裝置重新理料，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)理料功能。經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)堆碼裝置的藥卷按照設(shè)定的數(shù)量及規(guī)格進(jìn)行收集疊包裝袋。裝袋完成后，對(duì)包裝袋進(jìn)行自動(dòng)縫包捆扎，完成整個(gè)炸藥包裝工序，最后進(jìn)入成品轉(zhuǎn)運(yùn)儲(chǔ)存環(huán)節(jié)。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

2 智能包裝系統(tǒng)的研究

系統(tǒng)集自動(dòng)上袋、裝袋、自動(dòng)壓邊以及自動(dòng)封口等功能于一體，可實(shí)現(xiàn)大直徑藥卷裝袋包裝過(guò)程的自動(dòng)化和無(wú)人化。系統(tǒng)由藥卷理料輸送裝置、藥卷計(jì)數(shù)裝置、藥卷裝袋裝置、袋子供袋裝置、袋子縫包裝置以及成品輸送等組成，如圖2 所示，主要完成藥卷自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)上袋、自動(dòng)裝袋以及自動(dòng)壓邊縫口等自動(dòng)化包裝過(guò)程。系統(tǒng)的工作過(guò)程為“在供袋裝置中放置包裝袋→開機(jī)運(yùn)行→取袋機(jī)構(gòu)自動(dòng)吸取包裝袋→放至開袋機(jī)構(gòu)→開袋→撐袋→裝袋→移袋→壓邊/縫口→進(jìn)入下一工序”。

2.1 藥卷理料輸送裝置

分料輸送裝置分流后的藥卷進(jìn)入理料裝置時(shí)，理料擋板會(huì)定時(shí)上下動(dòng)作。當(dāng)理料擋板動(dòng)作時(shí)，擋住藥卷往前輸送，此時(shí)雜亂無(wú)序的藥卷在理料輥筒的帶動(dòng)下在輥筒間的縫隙滾動(dòng)，并轉(zhuǎn)為橫向，擋板向下動(dòng)作，橫向藥卷放行，而沒(méi)有轉(zhuǎn)為橫向的藥卷在后面經(jīng)過(guò)過(guò)橋皮帶時(shí)從過(guò)橋皮帶兩邊的空檔掉到回料皮帶上，再由回料皮帶輸送返回到主皮帶進(jìn)入理料機(jī)重新理料，理料過(guò)程無(wú)須人工干預(yù)。橫向的藥卷經(jīng)過(guò)過(guò)橋皮帶后，經(jīng)理料輥筒進(jìn)入鏈板計(jì)數(shù)裝置。

2.2 藥卷計(jì)數(shù)裝置

根據(jù)不同的藥卷規(guī)格，藥卷計(jì)數(shù)裝置的裝袋根數(shù)不同。每袋每層的數(shù)量由藥卷計(jì)數(shù)裝置統(tǒng)計(jì)，并輸送到裝袋裝置。通過(guò)橫向藥卷從鏈板輸送過(guò)來(lái)后，藥卷計(jì)數(shù)傳感器采用基恩士的激光傳感器檢測(cè)不同規(guī)格藥卷的高度。每經(jīng)過(guò)一根藥卷，傳感器向系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)信號(hào)。當(dāng)藥卷根數(shù)達(dá)到要求后，鏈板停止輸送，藥卷輸送皮帶把藥卷輸送出去，鏈板再次啟動(dòng)。藥卷輸送到藥卷?yè)醢逄帟r(shí)，藥卷平齊后再放行到裝袋處。

2.3 袋子供袋裝置

袋子供袋裝置的主要功能是給裝袋機(jī)構(gòu)自動(dòng)提供袋子。通過(guò)供袋皮帶把袋子輸送到真空吸盤下方，吸袋升降氣缸動(dòng)作下降到位后，真空吸盤動(dòng)作吸住袋子，升降氣缸上升到位后，供袋電機(jī)啟動(dòng)往前供袋。袋子到達(dá)裝袋口后，停止真空，供袋電機(jī)返回，整個(gè)過(guò)程完成，成品袋移動(dòng)到開袋裝置的進(jìn)料口處。

2.4 藥卷開袋、裝袋裝置

當(dāng)編織袋送到裝袋工位時(shí)，可自動(dòng)完成開袋操作，并檢測(cè)相應(yīng)的信號(hào)。若開袋失敗，則停機(jī)報(bào)警，等待人工處理進(jìn)行剔除。當(dāng)開袋成功后，推桿機(jī)構(gòu)可將移動(dòng)斗內(nèi)定量的藥卷自動(dòng)裝入編織袋中，同時(shí)在填充過(guò)程中能夠保證袋子的整體形狀不改變。藥卷開袋、裝袋裝置根據(jù)不同的藥卷規(guī)格、裝袋根數(shù)和層數(shù)進(jìn)行裝袋。通過(guò)藥卷進(jìn)入升降斗后，升降斗下降，然后撐袋升降電機(jī)下降，到位后真空吸住袋子口往上拉，再由開口氣缸撐開袋子口，等待藥卷推入。一層藥卷高度在第二層藥卷進(jìn)入后，升降斗下降到底部，由推藥氣缸把升降斗上的藥卷推入移動(dòng)斗內(nèi)。移動(dòng)斗寬度可根據(jù)不同規(guī)格藥卷寬度自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。移動(dòng)斗抱緊藥卷移動(dòng)到裝袋口處，等待推進(jìn)袋子。

2.5 袋子縫包裝置

在完成裝袋后，自動(dòng)整平袋口，以便后續(xù)縫口。袋子縫包裝置主要是對(duì)完成藥卷裝袋的袋口進(jìn)行封口。藥卷完成裝袋后，經(jīng)過(guò)上下合氣缸處時(shí)，上下合氣缸動(dòng)作把袋子的袋口壓住進(jìn)入壓袋口皮帶。壓袋口皮帶壓著袋口往前縫紉機(jī)口輸送，縫紉機(jī)啟動(dòng)將袋口縫住進(jìn)行封口，封口完成后由成品輸送皮帶輸送出去。

2.6 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由傳感器、儀器儀表和電氣元件組合而成，現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程集中控制相結(jié)合，利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）對(duì)工藝設(shè)備及執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作進(jìn)行邏輯控制和智能控制，根據(jù)客戶輸入的信息或藥卷的直徑控制機(jī)器人完成裝袋動(dòng)作。當(dāng)某設(shè)備或動(dòng)作出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，相關(guān)設(shè)備會(huì)聯(lián)鎖停機(jī)并報(bào)警，滿足工藝過(guò)程要求。控制系統(tǒng)是包裝系統(tǒng)的核心，主要功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分料輸送、自動(dòng)理料、計(jì)數(shù)堆碼、自動(dòng)開袋、裝袋以及縫包。根據(jù)確定的方案和工藝技術(shù)路線，控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)管理，主要由分料輸送、理料、計(jì)數(shù)堆碼、供袋、開袋、裝袋以及縫包等部分的控制模塊組成。這7 部分既相對(duì)獨(dú)立，又相互聯(lián)鎖控制?？刂葡到y(tǒng)采用PLC 作為處理中樞，采用工業(yè)觸摸屏作為人機(jī)交互界面，且觸摸屏和PLC 之間利用RS-232 通信電纜進(jìn)行通信控制?？刂葡到y(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

3 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

為確保系統(tǒng)的安全性能滿足國(guó)家和行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求，在設(shè)備和包裝工藝研制過(guò)程中，主要在外購(gòu)件、機(jī)械、氣動(dòng)、控制和工藝等方面采用適當(dāng)?shù)陌踩夹g(shù)措施[4-6]。

3.1 材料安全設(shè)計(jì)

設(shè)備材質(zhì)均選用不銹鋼，與民爆物品的原材料、在制品、成品無(wú)不良反應(yīng)，以保證設(shè)備在正常運(yùn)行中不會(huì)受到乳化炸藥強(qiáng)腐蝕性的影響。

3.2 工藝安全設(shè)計(jì)

在滿足系統(tǒng)功能的前提下，采用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)工藝技術(shù)和裝備。各設(shè)備具有對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)控的功能，與電氣裝置可協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。各工序間需要采取可靠的防殉爆技術(shù)措施。此外，考慮各設(shè)備工序本質(zhì)安全性和時(shí)間均衡，合理分配和優(yōu)化各設(shè)備的工序內(nèi)容，充分發(fā)揮整個(gè)系統(tǒng)的效率，避免在部分設(shè)備中造成資源浪費(fèi)。

3.3 設(shè)備安全設(shè)計(jì)

電機(jī)一般采用防爆性能符合有關(guān)規(guī)定的防爆步進(jìn)電機(jī)，由驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制器輸出的脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)同步，可跟蹤檢測(cè)電機(jī)的速度、扭矩和位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和運(yùn)行速度的方便調(diào)節(jié)。不需要頻繁啟停的電機(jī)可以采用防爆異步電機(jī)。系統(tǒng)所有電機(jī)、氣缸、儀器儀表及核心控制元器件，均采用國(guó)內(nèi)外知名品牌，精度高，質(zhì)量可靠。設(shè)備上張貼容易辨認(rèn)且清晰的安全警示標(biāo)志，避免操作人員誤操作受傷。

3.4 機(jī)械安全設(shè)計(jì)

系統(tǒng)與藥卷接觸的設(shè)備零部件表面光滑，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用無(wú)積料的死角。對(duì)系統(tǒng)所有運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行防護(hù)，并采取防止?jié)櫥秃臀锪线M(jìn)入其他轉(zhuǎn)動(dòng)部件的措施，提高了設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的安全性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了穩(wěn)定的支架與接地螺栓結(jié)構(gòu)，可保證設(shè)備安裝后不會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)等外界作用而改變位置或發(fā)生傾斜對(duì)操作人員造成威脅。同時(shí)，為避免設(shè)備漏電對(duì)電氣控制系統(tǒng)信號(hào)造成干擾甚至損壞電氣元件，對(duì)設(shè)備金屬構(gòu)件間進(jìn)行了跨接。此外，設(shè)備連接處增加了導(dǎo)靜電膠條，使設(shè)備金屬機(jī)架形成通路，可有效導(dǎo)除靜電。

3.5 氣動(dòng)系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

由于各子系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作關(guān)系比較復(fù)雜，選擇空氣壓力作為傳動(dòng)動(dòng)力，其對(duì)沖擊負(fù)載和過(guò)載有自我保護(hù)能力，使用安全，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送。設(shè)計(jì)中采用電氣系統(tǒng)控制設(shè)備啟停、電控箱低壓報(bào)警和高壓排氣。氣路配有三聯(lián)體，防止氣缸阻塞和發(fā)生故障。

3.6 控制系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)有緊急停機(jī)按鈕，安裝在電控箱操作面板上，方便工作人員操作。這樣可以在發(fā)生緊急危險(xiǎn)情況時(shí)快速切斷控制系統(tǒng)電源，使設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)。PLC放置在防爆電控箱，采用正壓防爆設(shè)計(jì)。電控箱與電氣元件中間設(shè)有絕緣板，可有效防止漏電。此外，檢測(cè)元件設(shè)有接近開關(guān)和光電開關(guān)兩種，供電電壓均為24 V，外接接頭均套有密封條，電纜則均用軟管包裹。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的大藥卷炸藥智能包裝系統(tǒng)已在多家公司應(yīng)用，運(yùn)行情況表明，包裝系統(tǒng)具有創(chuàng)新性和先進(jìn)性，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)包裝過(guò)程的連續(xù)化、自動(dòng)化與智能化，全線運(yùn)行順暢，過(guò)程安全、平穩(wěn)、可靠，產(chǎn)能達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。利用無(wú)人化裝袋工藝與關(guān)鍵技術(shù)，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，大幅降低了生產(chǎn)成本，且整線無(wú)固定操作人員，減少了人員操作，降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了無(wú)損裝袋，綠色環(huán)保，符合民爆行業(yè)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)線的智能化和無(wú)人化要求，是我國(guó)工業(yè)炸藥包裝工藝的發(fā)展方向。