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(dòng)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(yùn)作，實(shí)現(xiàn)包裝箱的自動(dòng)堆疊及回收任務(wù);通過提升運(yùn)輸高度，減少空間占用程度;通過工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(shí)大幅降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，既滿足了回收可靠性的要求，又達(dá)到了快速回收的效果，可為提升煙草回收物流自動(dòng)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(jìn)上，而對(duì)煙包包裝箱碼垛回收的研究報(bào)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(jī)器人無法穩(wěn)定地進(jìn)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(jī)性，會(huì)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(dòng)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(jìn)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(dòng)強(qiáng)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(jì)新型包裝箱自動(dòng)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(duì)象，設(shè)計(jì)了一種紙箱自動(dòng)碼垛控制系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)包裝箱的自動(dòng)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(jì)

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(jì)程序邏輯自動(dòng)、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(cè)及過壓保護(hù)模塊的監(jiān)測(cè)，保障系統(tǒng)動(dòng)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(shí)時(shí)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(dòng)交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)的控制;可以通過觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)控碼垛系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、查看包裝箱位置信息及在手動(dòng)模式下實(shí)時(shí)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(jī)、氣動(dòng)裝置、紙箱推桿、空中輸送帶、碼垛機(jī)及托盤庫等部分組成。其中平整裝置通過左右氣缸推動(dòng)以平整包裝箱左右側(cè);升降機(jī)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(yùn)通道，若在此進(jìn)行堆疊及回收工作將會(huì)影響物料搬運(yùn)工作，故采用升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)將送入的包裝箱進(jìn)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。空中輸送帶采用中距離鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸方式，以增加系統(tǒng)回收能力。碼垛機(jī)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(dá)到設(shè)定值后將包裝箱送出。托盤庫位于碼垛機(jī)后方，可利用托盤分料裝置自動(dòng)、快速地補(bǔ)充托盤。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

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

本文設(shè)計(jì)了兩段空中輸送帶，每段輸送帶安裝3個(gè)光電傳感器，利用光電傳感器實(shí)時(shí)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(tái)交流電機(jī)進(jìn)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(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。PROFINET網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示。

使得人與機(jī)器之間能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行交流是設(shè)計(jì)觸摸屏畫面的關(guān)鍵，通過“西門子”WINCC編程軟件設(shè)計(jì)觸摸屏界面，如在碼垛機(jī)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(jī)控制界面上設(shè)計(jì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息及點(diǎn)動(dòng)按鍵，使得調(diào)試及維護(hù)等工作更加便捷。部分觸摸屏畫面設(shè)計(jì)如圖7所示。

1.4 碼垛動(dòng)作流程

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

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

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

南寧卷煙廠2條開包線共用1個(gè)紙箱出料口，累積開包6箱煙后將包裝箱運(yùn)送到出料口，平均出料速率為30 s/垛，輸出6垛包裝箱時(shí)間約180 s。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：由于紙箱出料口處存在物料運(yùn)輸通道，工人需將包裝箱搬運(yùn)至空曠處進(jìn)行堆放和整理，因此耗時(shí)較長、勞動(dòng)強(qiáng)度大且堆垛效果不佳，而引進(jìn)紙箱自動(dòng)碼垛控制系統(tǒng)后，碼垛回收平均耗時(shí)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(yuǎn)勝于人工，并且在減少1名作業(yè)人員的同時(shí)大幅降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足了包裝箱回收實(shí)時(shí)性及可靠性要求，實(shí)現(xiàn)了煙包包裝箱的自動(dòng)堆疊及回收功能。

3 總結(jié)

針對(duì)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(jì)了一種以可編程控制器為核心、傳感器為感知機(jī)構(gòu)、交流電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PROFINET為傳輸紐帶的紙箱自動(dòng)碼垛控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠利用平整機(jī)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(yùn)作?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的人工回收方式相比，紙箱自動(dòng)碼垛控制系統(tǒng)碼垛時(shí)間不超過174 s，堆疊效果良好，運(yùn)作可靠性和回收效率高。在實(shí)際生產(chǎn)中，該系統(tǒng)可有效緩解工人勞動(dòng)強(qiáng)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(dòng)化程度。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]孔垂武，張磊.卷煙包裝箱回收利用的實(shí)踐與探索[A].中國煙草學(xué)會(huì).中國煙草2013年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].北京：中國煙草學(xué)會(huì)，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(dòng)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(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)及伺服驅(qū)動(dòng)研究[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2018.