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0引言
隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和“中國制造2025”的全面實(shí)施，自動化智能化設(shè)備在現(xiàn)代工業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。全自動碼垛生產(chǎn)線是集機(jī)械制造、電氣系統(tǒng)控制于一體的高技術(shù)產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、糧食等行業(yè)，與人工碼垛和機(jī)器人碼垛相比，高位碼垛機(jī)具有適應(yīng)性強(qiáng)、自動化程度高、碼垛速度快等特點(diǎn)，可大幅度提高生產(chǎn)效率，降低企業(yè)運(yùn)營成本［1-4］。經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展促使石化企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，迫切需要提升包裝碼垛生產(chǎn)環(huán)節(jié)的效率，目前在包裝設(shè)備上已由傳統(tǒng)預(yù)制袋包裝機(jī)逐步向FFS重膜包裝機(jī)過渡，F(xiàn)FS包裝機(jī)包裝速度最高可達(dá)2400包/h，因此對下游碼垛設(shè)備提出更高的性能需求，提升全自動高位碼垛機(jī)的碼垛能力已經(jīng)迫在眉睫。
全自動高位碼垛機(jī)融合了多學(xué)科知識，設(shè)備研發(fā)和調(diào)試需要具備深厚的技術(shù)儲備和豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)壁壘較高［5］。國外自動化包裝行業(yè)起步較早，技術(shù)能力強(qiáng)，產(chǎn)品體系完善，較為出名的企業(yè)包括德國BEUMER、意大利BL、德國HAVER等，圖1為進(jìn)口碼垛機(jī)的幾種結(jié)構(gòu)形式，它們均為具備自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)設(shè)備和具有穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)，能夠保障穩(wěn)定生產(chǎn)能力在2200包/h以上，但產(chǎn)品售價較高。

目前國內(nèi)高位碼垛機(jī)生產(chǎn)廠家主要有無錫力馬、哈爾濱博實(shí)、等廠家，但受到技術(shù)限制，設(shè)計生產(chǎn)能力一般在1800包/h之內(nèi)，實(shí)際穩(wěn)定工作能力在1600包/h左右，與國外產(chǎn)品有一定的差距，難以滿足生產(chǎn)企業(yè)對碼垛生產(chǎn)線性能的要求。表1為國內(nèi)外主要高位碼垛機(jī)廠家的產(chǎn)品性能參數(shù)。
性能完善的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和快速響應(yīng)、精確定位的控制系統(tǒng)是保障和提升碼垛機(jī)生產(chǎn)能力的重要環(huán)節(jié)。為提升現(xiàn)有高位碼垛機(jī)的生產(chǎn)能力，本文通過建立兼顧性能和安全的碼垛生產(chǎn)系統(tǒng)，設(shè)計了基于PROFIBUS-DP擴(kuò)展總線通信的高位碼垛機(jī)伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)，并對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以此來確保研制的高位碼垛機(jī)既可以大幅提升碼垛能力，又可以穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

1高位碼垛機(jī)系統(tǒng)分析
1.1高位碼垛機(jī)工作原理
高位碼垛機(jī)是將定量包裝袋輸送至一定高度后，按照預(yù)定方式對料袋進(jìn)行整形、轉(zhuǎn)位、編組、推包、分層，將料包按層碼放到托盤上，最后由叉車叉運(yùn)。碼垛生產(chǎn)線由不同功能的設(shè)備單元按照工藝流程順序組合連接而成，各個設(shè)備單元在功能上相對配合，其各自的響應(yīng)速度和定位精度是保障整機(jī)高效運(yùn)行的前提。
1.2高位碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)
全自動高位碼垛生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)主要由以下單元組成：過渡輸送機(jī)、爬坡輸送機(jī)、整形輸送機(jī)、提速輸送機(jī)、轉(zhuǎn)位輸送機(jī)、緩?fù)］斔蜋C(jī)、編組輸送機(jī)、推包機(jī)、分層機(jī)、側(cè)整形機(jī)、托盤倉、托盤輸送機(jī)、升降機(jī)、垛盤輸送機(jī)及鋼平臺扶梯等。各單元的技術(shù)參數(shù)和工藝流程協(xié)調(diào)一致確保運(yùn)行效率和碼垛功能［9］。為有效提升碼垛機(jī)的生產(chǎn)能力，在充分分析各組成單元的技術(shù)特點(diǎn)和工況條件，設(shè)計了一套結(jié)構(gòu)緊湊、配合合理的高位碼垛生產(chǎn)線，如圖2為高位碼垛機(jī)三維模型。

1-過渡輸送機(jī)2-爬坡輸送機(jī)3-整形輸送機(jī)4-提速輸送機(jī)5-轉(zhuǎn)位輸送機(jī)16-轉(zhuǎn)位輸送機(jī)27-緩?fù)］斔蜋C(jī)8-編組輸送機(jī)9-推包機(jī)10-分層機(jī)11-側(cè)整形機(jī)12-托盤倉13-托盤輸送機(jī)14-托盤輸送機(jī)15-升降機(jī)16-垛盤輸送機(jī)

轉(zhuǎn)位輸送工位是制約碼垛生產(chǎn)能力的重要環(huán)節(jié)，要保證2400包/h的生產(chǎn)能力，如果配置一個轉(zhuǎn)位工位，則平均每2.5s需要完成一包物料的轉(zhuǎn)向輸送，該工況條件對電機(jī)減速機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和驅(qū)動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求極為苛刻。德國BEUMER公司針對轉(zhuǎn)位工位有較為深入的研究，對于不同料包特性和生產(chǎn)能力要求設(shè)計出三種轉(zhuǎn)位裝置，如圖3所示。夾持轉(zhuǎn)位設(shè)備通過氣缸驅(qū)動夾板夾住料包兩側(cè)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，可應(yīng)用于各種料包，也是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣，技術(shù)最成熟的一種；雙皮帶轉(zhuǎn)位設(shè)備是由兩臺平行布置獨(dú)立驅(qū)動的皮帶輸送機(jī)，應(yīng)用同步伺服電機(jī)控制，系統(tǒng)采用主動反饋控制系統(tǒng)，對于不同規(guī)格料包可以準(zhǔn)確確定皮帶速度，處理料包輕柔，適用于容易變形的物料，效率最高可達(dá)2500包/h，但國內(nèi)鮮有應(yīng)用，技術(shù)尚不成熟；棒性轉(zhuǎn)位設(shè)備適用于大通量處理不易變形的袋裝物料，具有操作方便可靠性高等特點(diǎn)。鑒于以上分析，本文設(shè)計的高位碼垛機(jī)采用雙工位夾持轉(zhuǎn)位輸送機(jī)，以提升轉(zhuǎn)位速度，保障碼垛機(jī)的生產(chǎn)能力。

1.3工藝流程優(yōu)化
高位碼垛生產(chǎn)線碼放的垛型需要穩(wěn)固美觀，以便于物料的儲存和運(yùn)輸，圖4為物料在倉庫中儲存形式，如果垛型碼放松散極易產(chǎn)生傾倒事故。

傳統(tǒng)高位碼垛機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上有一套壓包單元，即在分層碼放到托盤時，通過壓包機(jī)將垛型壓平，但壓包動作一般較慢，嚴(yán)重影響了碼垛機(jī)的碼垛速度，成為提升碼垛機(jī)生產(chǎn)能力的瓶頸［10］。本文所設(shè)計的碼垛機(jī)，通過改變工藝流程和分層機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，在分層機(jī)關(guān)閉后，利用編組的時間，通過升降機(jī)提升碼放好的垛盤對分層平板進(jìn)行擠壓實(shí)現(xiàn)壓包。通過該工藝優(yōu)化，不但有效提升了碼垛機(jī)的生產(chǎn)能力，而且壓包時垛盤受力均衡，使碼放出來的垛型更加規(guī)整。
2控制系統(tǒng)設(shè)計
全自動高位碼垛機(jī)運(yùn)行過程中，輸送、轉(zhuǎn)位、編組、推包、分層等多個動作均是自動完成，為提高碼垛機(jī)生產(chǎn)能力，需要各工序能夠協(xié)調(diào)控制，具有可靠性高和動態(tài)響應(yīng)性能好等特點(diǎn)，同時控制系統(tǒng)需要具備友好的人機(jī)交互界面，以便于生產(chǎn)維護(hù)和性能監(jiān)控［11-12］。根據(jù)碼垛機(jī)生產(chǎn)工藝流程設(shè)計了如圖5所示的硬件控制系統(tǒng)。

2.1“HMI+PLC”控制單元
根據(jù)碼垛生產(chǎn)線要求通用性強(qiáng)、響應(yīng)速度快、擴(kuò)展性好的特點(diǎn)，同時兼顧設(shè)計成本，選用西門子S7-300系列313C-2DP緊湊型PLC控制器。同時，為了便于生產(chǎn)維護(hù)和狀態(tài)監(jiān)控，構(gòu)造人性化的人機(jī)界面，設(shè)計中選用兼具性能和可視化的TP900型精致面板。
2.2電機(jī)控制單元
為保證碼垛生產(chǎn)線達(dá)到2400包/h的生產(chǎn)能力，需要各結(jié)構(gòu)單元在在高速運(yùn)行過程中快速響應(yīng)、精準(zhǔn)定位、穩(wěn)定可靠。針對以上需求，根據(jù)不同單元的工藝特性配置不同的控制驅(qū)動系統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)位、編組、推包機(jī)、分層機(jī)選用SEW同步伺服電機(jī)，因?yàn)橥剿欧哂休^高的動態(tài)特性高，過載能力強(qiáng)（過載能力可達(dá)4倍額定轉(zhuǎn)矩）等特點(diǎn)，尤其對于碼垛機(jī)需要頻繁啟停且系統(tǒng)加速度要求較高的單元，同步伺服電機(jī)最為合適［13］。對于升降機(jī)伺服電機(jī)，由于運(yùn)行過程中需要承受較大的轉(zhuǎn)動慣量，所以選擇異步伺服電機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)PLC主站對運(yùn)動過程的統(tǒng)一管理與控制，伺服電機(jī)配備集成PROFIBUS-DP通訊板卡的MOVIDRIVEMDX61B系列伺服驅(qū)動控制器。
根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，滿垛輸出過程中，如果通過工頻啟動，機(jī)械傳動部分的沖擊振動較大，易導(dǎo)致垛盤傾倒現(xiàn)象，所以垛盤輸送機(jī)通過ABB變頻器進(jìn)行控制，零速啟動時可按照工藝的需要光滑地加速，而且其加速曲線也可以選擇直線加速或S形加速，確保垛盤平穩(wěn)進(jìn)行輸送。
2.1“HMI+PLC”控制單元
根據(jù)碼垛生產(chǎn)線要求通用性強(qiáng)、響應(yīng)速度快、擴(kuò)展性好的特點(diǎn)，同時兼顧設(shè)計成本，選用西門子S7-300系列313C-2DP緊湊型PLC控制器。同時，為了便于生產(chǎn)維護(hù)和狀態(tài)監(jiān)控，構(gòu)造人性化的人機(jī)界面，設(shè)計中選用兼具性能和可視化的TP900型精致面板。
2.2電機(jī)控制單元
為保證碼垛生產(chǎn)線達(dá)到2400包/h的生產(chǎn)能力，需要各結(jié)構(gòu)單元在在高速運(yùn)行過程中快速響應(yīng)、精準(zhǔn)定位、穩(wěn)定可靠。針對以上需求，根據(jù)不同單元的工藝特性配置不同的控制驅(qū)動系統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)位、編組、推包機(jī)、分層機(jī)選用SEW同步伺服電機(jī)，因?yàn)橥剿欧哂休^高的動態(tài)特性高，過載能力強(qiáng)（過載能力可達(dá)4倍額定轉(zhuǎn)矩）等特點(diǎn)，尤其對于碼垛機(jī)需要頻繁啟停且系統(tǒng)加速度要求較高的單元，同步伺服電機(jī)最為合適［13］。對于升降機(jī)伺服電機(jī)，由于運(yùn)行過程中需要承受較大的轉(zhuǎn)動慣量，所以選擇異步伺服電機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)PLC主站對運(yùn)動過程的統(tǒng)一管理與控制，伺服電機(jī)配備集成PROFIBUS-DP通訊板卡的MOVIDRIVEMDX61B系列伺服驅(qū)動控制器。
根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，滿垛輸出過程中，如果通過工頻啟動，機(jī)械傳動部分的沖擊振動較大，易導(dǎo)致垛盤傾倒現(xiàn)象，所以垛盤輸送機(jī)通過ABB變頻器進(jìn)行控制，零速啟動時可按照工藝的需要光滑地加速，而且其加速曲線也可以選擇直線加速或S形加速，確保垛盤平穩(wěn)進(jìn)行輸送。

2.4PROFIBUS-DP控制總線
PROFIBUS是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，它以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持，被納入現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158，PROFIBUS-DP主要用于制造業(yè)自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信。特別適合PLC與現(xiàn)場級分布式I/O設(shè)備之間的快速循環(huán)效據(jù)交換，碼垛機(jī)生產(chǎn)線HMI、PLC、伺服控制器之間的即采用DP總線通信［14］。基于PROFIBUS-DP擴(kuò)展總線建立的碼垛機(jī)控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，如圖7所示。

SEW伺服的擴(kuò)展總線定位功能具有操作使用方便、用戶界面友好、可實(shí)現(xiàn)長距離監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。通過總線控制可以設(shè)定無限多的目標(biāo)位置，且可以隨時調(diào)整運(yùn)行速度，控制系統(tǒng)的軟件限位和狀態(tài)監(jiān)測功能對碼垛生產(chǎn)線的測試優(yōu)化具有重要意義［15-16］。如圖8所示，伺服變頻器是通過過程數(shù)據(jù)通道進(jìn)行控制，PLC發(fā)送6個過程輸出數(shù)據(jù)到伺服變頻器，用于控制伺服使能、啟停、目標(biāo)位置和速度設(shè)定等功能；同時PLC接受從伺服變頻器返回的6個過程輸入數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)伺服變頻器的狀態(tài)監(jiān)測。各控制字定義及使用可參考SEW伺服變頻器系統(tǒng)手冊。

根據(jù)以上分析，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝革新、性能改進(jìn)，設(shè)計并生產(chǎn)了如圖9所示的高位碼垛機(jī)，通過樣機(jī)測試，該碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，運(yùn)行安全可靠，穩(wěn)定碼垛速度可達(dá)2200包/h，大幅提升了現(xiàn)有碼垛機(jī)的生產(chǎn)能力，縮小了與進(jìn)口碼垛設(shè)備的差距，為實(shí)現(xiàn)高性能自動化設(shè)備的國產(chǎn)化邁進(jìn)了一步。

3結(jié)論
通過對高位碼垛機(jī)的工作原理和各單元功能進(jìn)行分析，了解了影響碼垛機(jī)生產(chǎn)能力的主要因素，著重研究了設(shè)備結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)行工藝流程、控制系統(tǒng)對提升碼垛機(jī)生產(chǎn)能力的影響，設(shè)計并研發(fā)了一套性能完善的高位碼垛生產(chǎn)線。主要結(jié)論如下：
（1）碼垛生產(chǎn)線各設(shè)備單元的協(xié)調(diào)一致是提升碼垛機(jī)生產(chǎn)能力的關(guān)鍵，其中，轉(zhuǎn)位輸送工位是制約碼垛機(jī)速度提升的瓶頸，雙工位的夾持轉(zhuǎn)位輸送機(jī)技術(shù)成熟可靠性高，是碼垛生產(chǎn)線的最優(yōu)選擇。
（2）優(yōu)化工藝流程，取消壓包工位，通過升降機(jī)提升碼放好的料包對分層平板進(jìn)行擠壓實(shí)現(xiàn)壓包是提升碼垛機(jī)碼垛能力的有效手段。

（3）根據(jù)碼垛機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)行特點(diǎn)搭建的安全控制系統(tǒng)，能夠保障設(shè)備和操作維護(hù)人員更安全，降低事故率、減少停機(jī)時間，可保證以符合安全標(biāo)準(zhǔn)的方式高效利用設(shè)備，以提高生產(chǎn)效率。
（4）基于PROFIBUS-DP的伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使碼垛生產(chǎn)線控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，并且實(shí)現(xiàn)了PLC主站對運(yùn)動過程的統(tǒng)一管理與控制。

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