王 莉，李艷貞，牛群峰，惠延波

（河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，鄭州 450001）

一種基于無線通訊的橋式碼垛機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 莉，李艷貞，牛群峰，惠延波

（河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，鄭州 450001）

0 引言

碼垛機(jī)廣泛應(yīng)用于糧食、油脂、淀粉、飼料、化肥、水泥等行業(yè)企業(yè)的庫房產(chǎn)品堆包碼垛，可有效解決其庫房碼垛工作量大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、需要?jiǎng)趧?dòng)力多、工作效率低、生產(chǎn)成本高等問題和弊端。目前，糧食加工企業(yè)庫房大量應(yīng)用的橋式碼垛機(jī)，主要采用集中控制和手動(dòng)操作模式，監(jiān)控系統(tǒng)功能簡單，運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)存在故障較多、可靠性差、系統(tǒng)故障排查慢等缺點(diǎn)，造成使用不方便，部分現(xiàn)場(chǎng)甚至因?yàn)楣收项l發(fā)等問題停用橋式碼垛機(jī)，造成設(shè)備浪費(fèi)和生產(chǎn)成本增高[1～3]。根據(jù)糧食加工企業(yè)橋式碼垛機(jī)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)需要，開發(fā)一種實(shí)現(xiàn)冗余控制和故障監(jiān)測(cè)的橋式碼垛機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)促進(jìn)碼垛機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)升級(jí)和科技持續(xù)創(chuàng)新具有重要的實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)的總體功能設(shè)計(jì)

糧食加工企業(yè)橋式碼垛機(jī)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)一般包括包裝機(jī)、輸送設(shè)備和橋式碼垛機(jī)等。其中根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量情況配置包裝機(jī)數(shù)量，設(shè)計(jì)包裝線；根據(jù)庫房的大小和產(chǎn)品庫存量配置橋式碼垛機(jī)的數(shù)量；根據(jù)庫房包裝機(jī)位置和橋式碼垛機(jī)數(shù)量設(shè)計(jì)輸送線。典型糧食加工企業(yè)橋式碼垛機(jī)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 糧食加工企業(yè)橋式碼垛機(jī)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)圖

碼垛機(jī)工作處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其控制內(nèi)容包括整機(jī)動(dòng)作控制和產(chǎn)品輸送控制；輸送設(shè)備需要根據(jù)碼垛機(jī)的工作狀態(tài)實(shí)施聯(lián)鎖控制，其控制內(nèi)容包括輸送運(yùn)行控制和輸送線故障監(jiān)控；包裝機(jī)一般采用定量控制器實(shí)施控制，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)只需要考慮如何通訊即可。本系統(tǒng)采用分散控制模式實(shí)現(xiàn)總體功能設(shè)計(jì)，設(shè)置2種控制子站，分別為碼垛機(jī)控制子站和輸送線控制子站，系統(tǒng)管理站根據(jù)需要設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)控制室或企業(yè)監(jiān)控中心。系統(tǒng)總體功能框圖如圖2所示。

橋式碼垛機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)面對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、一般操作人員使用。從圖2中可以看出，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要包括以下五種：

1）碼垛機(jī)控制，包括對(duì)橋式碼垛機(jī)上下、前后、左右各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)控制，碼垛機(jī)內(nèi)部的輸送線控制；

2）輸送線控制，包括輸送線單機(jī)運(yùn)行控制和輸送線聯(lián)鎖控制；

圖2 橋式碼垛機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體功能框圖

3）產(chǎn)品計(jì)數(shù)，包括每一碼垛機(jī)堆碼產(chǎn)品數(shù)量管理和全車間堆碼產(chǎn)品數(shù)量管理；

4）狀態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)輸送線的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警；

5）數(shù)據(jù)管理，監(jiān)測(cè)過程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，報(bào)告的生成，報(bào)表打印，用戶管理等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

橋式碼垛機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分散控制方式實(shí)現(xiàn)，通信網(wǎng)絡(luò)采用無線方式和電力線路握手形式設(shè)計(jì)。針對(duì)橋式碼垛機(jī)典型應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，將固定輸送部分采用一套PLC實(shí)施控制；在每一個(gè)橋式碼垛機(jī)（移動(dòng)碼垛部分）采用一套PLC實(shí)施控制；在所有的橋式碼垛機(jī)工程中均可采用1+N形式設(shè)計(jì)，便于組合擴(kuò)展，1為固定輸送控制，N為多個(gè)橋式碼垛機(jī)控制。將計(jì)數(shù)和報(bào)警傳感器結(jié)合，控制器與顯示器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)精巧、緊湊化設(shè)計(jì)。計(jì)數(shù)和報(bào)警傳感器采用光電傳感器實(shí)現(xiàn)，控制器采用西門子LOGO系列PLC實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的硬件組成圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的硬件組成圖

2.1 通信方式與通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

由于橋式碼垛機(jī)輸送線包括移動(dòng)輸送線和固定輸送線兩種形式，一旦發(fā)生故障，輸送線要求實(shí)現(xiàn)連鎖停機(jī)控制，所以必須實(shí)現(xiàn)1+N控制形式中1與N控制器之間的交互通信。

針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，目前通信方式與通信網(wǎng)絡(luò)一般采用有線方式的現(xiàn)場(chǎng)總線等形式實(shí)現(xiàn)控制器之間的通信。本系統(tǒng)由于橋式碼垛機(jī)處于移動(dòng)狀態(tài)，電氣線路通過滑觸線或拖纜實(shí)現(xiàn)，如果控制器之間的通信也通過滑觸線或拖纜實(shí)現(xiàn)，存在通信可靠性低、維修不方便和增加成本等缺點(diǎn)?；趹?yīng)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本系統(tǒng)控制器之間的通信方式與通信網(wǎng)絡(luò)采用無線通信形式實(shí)現(xiàn)。由于系統(tǒng)輸入控制器的各種參數(shù)均為數(shù)字開關(guān)量，設(shè)計(jì)采用無線通信模塊傳輸各類數(shù)字開關(guān)量實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制器之間的通信。信號(hào)交互采用繼電器無源觸點(diǎn)輸出形式，用于控制用戶終端的運(yùn)行和停止。發(fā)射端繼電器每次動(dòng)作后，都能將當(dāng)前繼電器狀態(tài)返回給接收端。本系統(tǒng)無線通信模塊采用KYL-803實(shí)現(xiàn)，通信系統(tǒng)工作電壓為DC12V，工作電流小于600mA，控制距離大于600m。

實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)可靠控制僅依靠無線通信是不夠的，本系統(tǒng)在采用無線通信模塊傳遞數(shù)字開關(guān)量基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)在控制器之間采用電力線路傳遞工作狀態(tài)形式實(shí)現(xiàn)冗余通信，通過控制器內(nèi)部比較電力線路通信工作狀態(tài)和無線通信工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了碼垛機(jī)可靠控制。

傳統(tǒng)的橋式碼垛機(jī)采用按鈕控制，操作人員必須在碼垛機(jī)下料平臺(tái)周圍才能實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)控制操作，嚴(yán)重限制碼垛速度。本系統(tǒng)采用按鈕控制和遙控操作結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)操作控制，實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)上下、東西、南北運(yùn)動(dòng)控制和輸送線啟動(dòng)停止控制。遙控設(shè)備選用禹鼎F23-A++實(shí)現(xiàn)，控制距離可達(dá)100米。

系統(tǒng)管理站與輸送線控制子站之間的通信方式與通信網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。圖4為橋式碼垛機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信方式與通信網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖4 通信方式與通信網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.2 基于光電傳感器的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

橋式碼垛機(jī)輸送線運(yùn)行過程中與生產(chǎn)有關(guān)的故障主要有堵包、掉包、爛包等，需要及時(shí)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)輸送線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障處理。系統(tǒng)采用計(jì)數(shù)與狀態(tài)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方式，基于光電傳感器實(shí)現(xiàn)輸送線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示，在包裝袋匯集輸送處設(shè)置防碰撞光電傳感器組，在輸送線轉(zhuǎn)角處均設(shè)置堵包報(bào)警光電傳感器，在易掉包、爛包處設(shè)置報(bào)警光電傳感器。輸送線光電傳感器接入輸送控制子站，碼垛機(jī)上的計(jì)數(shù)、報(bào)警傳感器接入碼垛機(jī)控制子站，針對(duì)距離遠(yuǎn)、接入不方便的位置設(shè)置無線光電傳感模塊，由無線傳輸模塊將信息傳輸?shù)絇LC，通過組建基于光電傳感器的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)橋式碼垛機(jī)輸送線安全可靠運(yùn)行。

圖5 光電傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

2.3 控制子站設(shè)計(jì)

控制子站的設(shè)計(jì)采用手動(dòng)電氣柜和自動(dòng)控制箱組合形式實(shí)現(xiàn)，便于現(xiàn)場(chǎng)施工和后期升級(jí)改造。以輸送線控制子站為例，首先設(shè)計(jì)實(shí)施手動(dòng)電氣柜，預(yù)留手動(dòng)自動(dòng)切換功能，再將自動(dòng)控制箱根據(jù)要求設(shè)計(jì)完成，進(jìn)行互聯(lián)調(diào)試，這樣可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠工作和降級(jí)使用，一旦某一部分發(fā)生故障，根據(jù)需要進(jìn)行切換即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠工作。某輸送線控制子站結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖6 某輸送線控制子站結(jié)構(gòu)圖

橋式碼垛機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要由控制器軟件和監(jiān)控軟件組成。監(jiān)控軟件采用WINCC設(shè)計(jì)，主要由系統(tǒng)總體運(yùn)行監(jiān)控及報(bào)警界面、報(bào)警歷史記錄查詢界面、袋裝產(chǎn)品產(chǎn)量查詢界面、產(chǎn)品產(chǎn)量趨勢(shì)界面等畫面構(gòu)成，運(yùn)行時(shí)首先進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控界面，當(dāng)有故障發(fā)生或傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)時(shí)報(bào)警圖標(biāo)會(huì)閃爍報(bào)警，并顯示何處出現(xiàn)故障，顯示現(xiàn)場(chǎng)輸送線運(yùn)行狀態(tài)和碼垛機(jī)工作情況。監(jiān)控軟件運(yùn)行界面如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)控界面圖

控制器軟件采用LOGO編程軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制和輸送線工作監(jiān)控，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了碰撞檢測(cè)與協(xié)調(diào)控制、故障診斷與輸送線連鎖控制功能，具體設(shè)計(jì)如下：

1）碰撞檢測(cè)與協(xié)調(diào)控制

在多個(gè)分散輸送帶上的產(chǎn)品袋傳送到匯集輸送帶時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生碰撞疊包，影響包裝袋的正常輸送，引起輸送線故障停機(jī)。本系統(tǒng)在每一分散傳送帶放置專用光電傳感器，當(dāng)包裝袋同時(shí)通過時(shí)，PLC根據(jù)傳感器給出的檢測(cè)信號(hào)，判定是否發(fā)生碰撞疊包，依據(jù)設(shè)定好的規(guī)則處理輸送帶動(dòng)作，避免了碰撞疊包情況的發(fā)生。碰撞檢測(cè)與協(xié)調(diào)控制流程如圖8所示。

圖8 碰撞檢測(cè)與協(xié)調(diào)控制流程圖

2）計(jì)數(shù)、監(jiān)測(cè)與輸送線連鎖控制

系統(tǒng)計(jì)數(shù)功能采用光電傳感器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)計(jì)數(shù)傳感器檢測(cè)到有貨物通過時(shí)，便進(jìn)行一次開合，與計(jì)數(shù)傳感器相連的PLC接收計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，經(jīng)過分析計(jì)算，記錄下通過貨物的數(shù)量，存儲(chǔ)至存儲(chǔ)器中，以便以后進(jìn)行產(chǎn)量查詢，特殊設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)空間及存儲(chǔ)模式可以保證數(shù)據(jù)掉電不丟失，上電自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)繼續(xù)工作。

在實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品袋運(yùn)行距離、速度和時(shí)間，根據(jù)構(gòu)建的光電傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)故障診斷與輸送線連鎖控制。當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到貨物在一定時(shí)間內(nèi)不通過或通過異常時(shí)，PLC根據(jù)光電傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析判斷，根據(jù)堵包的情況進(jìn)行報(bào)警，根據(jù)故障情況實(shí)現(xiàn)輸送線連鎖控制。故障診斷與輸送線連鎖控制程如圖9所示。

圖9 故障診斷與輸送線連鎖控制流程圖

4 結(jié)束語

根據(jù)目前碼垛機(jī)監(jiān)測(cè)控制的發(fā)展與要求，采用分散控制設(shè)計(jì)的思想，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套橋式碼垛機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了糧食加工企業(yè)產(chǎn)品包裝、輸送、倉儲(chǔ)、裝車全流程的可靠控制，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)視，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)庫房現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信息。由于系統(tǒng)采用了無線通信與電力線通信結(jié)合、計(jì)數(shù)與狀態(tài)監(jiān)測(cè)相結(jié)合等技術(shù)，提高了系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的持續(xù)工作能力，而且無須增加太多投入即可擴(kuò)充監(jiān)控項(xiàng)目。系統(tǒng)目前已經(jīng)在糧食加工企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，取得滿意的效果。

[1]劉清,韓寶玲,羅慶生,黃麟.S7-200可編程控制器在新型智能碼垛機(jī)器人中的應(yīng)用研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2008,30(7):39-43.

[2]趙偉等.工業(yè)機(jī)器人碼垛線的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011(10):118-120.

[3]邵凝寧,蔣國華,楊歡.基于PLC的自動(dòng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013(2):122-124,128.

Design of a palletizing machine monitoring system based on wireless communications

WANG Li, LI Yan-zhen, NIU Qun-feng, HUI Yan-bo

針對(duì)糧食加工企業(yè)橋式碼垛機(jī)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)需要，采用無線通訊、光電傳感器、西門子小型PLC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種冗余控制的橋式碼垛機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用分散控制模式實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用LOGO系列PLC作為控制器核心，無線通訊技術(shù)組建控制現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合電力線路通信實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)可靠控制；采用光電傳感器組建監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自動(dòng)計(jì)數(shù)管理和信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了橋式碼垛機(jī)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警控制，具有使用方便、計(jì)數(shù)可靠、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

橋式碼垛機(jī)；分散控制；無線通訊；光電傳感

王莉（1973 -），女，河南洛陽人，副教授，博士，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析與智能儀器。

TP23

B

1009-0134(2014)05(下)-0093-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).26

2013-11-11

國家十二五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAF12B13）；鄭州市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2010SFXM469）