（河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

0 引言

現(xiàn)在的粘箱機(jī)主要有兩種類型，半自動(dòng)粘箱機(jī)和全自動(dòng)粘箱機(jī)。半自動(dòng)粘箱機(jī)的紙板粘合工序由機(jī)械自動(dòng)完成，工人完成紙板折疊成箱的工序。由于半自動(dòng)粘箱機(jī)依賴人力折疊限制了生產(chǎn)效率，于是在半自動(dòng)粘箱機(jī)基礎(chǔ)上研發(fā)了全自動(dòng)粘箱機(jī)。全自動(dòng)粘箱機(jī)在歐美等發(fā)達(dá)國家的紙箱生產(chǎn)中被普遍使用，而國內(nèi)的紙箱企業(yè)并沒有全部進(jìn)行設(shè)備更新，自動(dòng)粘箱機(jī)使用率并不算高，所以全自動(dòng)粘箱機(jī)在國內(nèi)有著較好的發(fā)展前景［1］。但全自動(dòng)粘箱機(jī)在工作過程中仍會(huì)發(fā)生傳送精度不高、傳送帶壓力不均等問題，因此對(duì)全自動(dòng)粘箱機(jī)進(jìn)行監(jiān)測可以及時(shí)了解其工作狀況，便于及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行處理，降低故障損失并提高生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

全自動(dòng)粘箱機(jī)包括5個(gè)部分，分別是進(jìn)紙部、折疊部、動(dòng)力部、整理計(jì)數(shù)部和捆扎部。首先是進(jìn)紙部，它由前墻板框架、折壁移動(dòng)控制部分和涂膠部組成，用于實(shí)現(xiàn)折疊部折壁位置的調(diào)整，并準(zhǔn)確接入紙板進(jìn)行涂膠的功能。

然后是折疊部，它主要由左右折臂橫梁、上輸紙皮帶、下折皮帶、中間浮動(dòng)支架、二次壓痕機(jī)構(gòu)、直角整理機(jī)構(gòu)等組成，用于實(shí)現(xiàn)紙板生產(chǎn)中的柔和折疊。折疊部通過皮帶的摩擦帶動(dòng)瓦楞紙板的前進(jìn)，由涂膠輪在瓦楞紙板接合處涂膠，然后進(jìn)行壓痕。再經(jīng)粘箱機(jī)的折疊引導(dǎo)機(jī)構(gòu)進(jìn)行折疊，使瓦楞紙板彎折、合攏、搭接和加壓。被切割的瓦楞紙板在運(yùn)輸?shù)倪^程中前半部分主要依靠折疊導(dǎo)向桿進(jìn)行180°到90°的折合，后半部分是利用皮帶翻邊對(duì)瓦楞紙板進(jìn)行90°到0°的折合，實(shí)現(xiàn)再次折壓，整個(gè)過程如圖1所示。

圖1 瓦楞紙板折合Fig.1 Corrugated board folding

動(dòng)力部主要由各動(dòng)力傳動(dòng)裝置、引出輥、下折皮帶調(diào)速裝置、整理推板裝置、整理用風(fēng)機(jī)等組成，它可以為粘箱機(jī)提供穩(wěn)定的動(dòng)力輸出。接著是整理計(jì)數(shù)部，它主要由接紙架部裝、整理后規(guī)部裝、計(jì)數(shù)推出部裝等組成，可以實(shí)現(xiàn)折疊后的紙板整理整齊，以及計(jì)數(shù)堆碼和最終成品的排出功能。整理部PLC程序運(yùn)行流程如圖2所示。

圖2 整理部PLC程序運(yùn)行流程Fig.2 Finishing department PLC program running flow

整理部的工作流程為：紙板經(jīng)過折疊部折疊落入整理部的接紙架中整齊，接著依次輸送到下壓傳送帶中送至計(jì)數(shù)推出部。當(dāng)紙箱進(jìn)入計(jì)數(shù)推出部的數(shù)量達(dá)到設(shè)定底數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)推出部的光電計(jì)數(shù)器開始進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)累積紙箱數(shù)量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，PLC控制推出桿將堆疊好的預(yù)設(shè)數(shù)量紙箱推到后方的傳送帶上進(jìn)入捆扎階段［2］。

最后是捆扎部，它包括一個(gè)自動(dòng)捆扎機(jī)，可以將堆疊好的紙箱進(jìn)行最終的打包。全自動(dòng)粘箱機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和整個(gè)工藝流程如圖3和圖4所示。

圖3 全自動(dòng)粘箱機(jī)總體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of a full-automatic box gluing

圖4 全自動(dòng)粘箱機(jī)工藝流程Fig.4 Full automatic box gluing machine process

根據(jù)全自動(dòng)粘箱機(jī)的結(jié)構(gòu)與工藝流程，遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)除了監(jiān)測粘箱機(jī)運(yùn)行時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和重要I/O工作狀態(tài)，還需要監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)參數(shù)等信號(hào)。系統(tǒng)主要包括傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)分析模塊和故障診斷與報(bào)警模塊等。通過OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)Labview與PLC的以太網(wǎng)通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)全自動(dòng)粘箱機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測目的［3-5］，全自動(dòng)粘箱機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案流程如圖5。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)總體方案流程Fig.5 Overall program flow of remote monitoring system

2 硬件設(shè)計(jì)

PLC選擇型號(hào)為西門子的S7-200smart系列PLC，它是S7-200系列PLC的加強(qiáng)版，在使用性能、硬件配置等方面均有加強(qiáng)。同時(shí)S7-200smart系列PLC可以給用戶提供多種通訊方式，用戶也可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目中的特點(diǎn)進(jìn)行配置與選擇。由于全自動(dòng)粘箱機(jī)輸入量大部分為開關(guān)量，根據(jù)器件需要的接口數(shù)量，本全自動(dòng)粘箱機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)選擇CPU ST20作為西門子S7-200smartPLC的CPU。

硬件設(shè)計(jì)中選擇DI/DO模塊（數(shù)字量輸入/輸出模塊）采集全自動(dòng)粘箱機(jī)中的歐姆龍生產(chǎn)的E3Z-T81型號(hào)的光電式傳感器和D4V-8104Z-N型號(hào)的行程開關(guān)和一系列伺服電機(jī)以及氣缸的數(shù)字信號(hào)。選擇型號(hào)為6ES7 901-3DB30-0XA0的USB/PPI編程線纜，用來連接S7-200smartPLC的CPU通信口與PC機(jī)中的labview2014實(shí)現(xiàn)通訊。

編碼器選擇歐姆龍E6B2-CWZ5B500P/R編碼器，該增量型編碼器為PNP集電極開路。編碼器的工作電壓為12～24 V直流電，分辨率為500 P/R。它安裝在伺服電機(jī)上，將角位移轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，便于系統(tǒng)測速。溫度傳感器選擇PT100熱電阻傳感器，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的可傳輸信號(hào)，它的使用穩(wěn)定性好、抗電噪聲強(qiáng)、精度高。振動(dòng)傳感器選擇ICP型壓電式加速度傳感器356A44，具有高頻響應(yīng)以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好的特點(diǎn)。且它的頻響范圍較小，在恒定方向加速度下不輸出信號(hào)，具有較小誤差［6-8］。

NI-9411數(shù)據(jù)采集模塊用于采集編碼器脈沖信號(hào)，NI-9411采集卡的工作電壓為±5V～24V，具有6路通道，可以更快的采集粘箱機(jī)編碼器的脈沖信號(hào)。NI-9217數(shù)據(jù)采集卡具有4位通道，兩種采樣率模式，可自動(dòng)檢測連接的熱電阻傳感器類型并配置相應(yīng)采集模式，用于采集PT100熱電阻傳感器輸出信號(hào)。NI-9234數(shù)據(jù)采集卡采集壓電傳感器信號(hào)，它具有4條輸入通道，102dB動(dòng)態(tài)范圍［9］。

3 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件方面包括Windows7操作系統(tǒng)，Labview2014并安裝Labvie DSC（數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控）模塊，STEP 7-Micro/WIN SMART，NI OPC Server。其中Labview204用于上位機(jī)監(jiān)測程序編寫，STEP 7-Micro/WIN SMART用于S7-200smart PLC的編程，NI OPC Server用于對(duì)OPC服務(wù)器的配置［10-12］。以現(xiàn)場計(jì)算機(jī)作為本地服務(wù)器，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)作為客戶端，通過配置Labview的web服務(wù)器與RunTime引擎，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。軟件設(shè)計(jì)流程如圖6。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程Fig.6 Communication framework

3.1 登錄模塊

整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括登錄模塊、粘箱機(jī)參數(shù)監(jiān)測模塊以及故障報(bào)警模塊這三個(gè)部分，其中登錄模塊用于用戶的賬號(hào)密碼登錄，避免了無關(guān)人員操作系統(tǒng)和工藝流程信息泄露。登錄模塊包括賬號(hào)登錄和密碼修改兩個(gè)部分，在登錄界面中操作人員需要輸入正確的登錄密碼，才可以訪問監(jiān)測界面；用戶還可以修改密碼，方便管理。

3.2 信號(hào)采集模塊

系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)、溫度、轉(zhuǎn)速等信號(hào)的采集，需要設(shè)置好連續(xù)采集的采樣頻率、通道數(shù)、保存位置等，以及定時(shí)采集的采樣點(diǎn)數(shù)、采樣時(shí)間間隔等參數(shù)，就可以進(jìn)行信號(hào)的采集。增光式的光電編碼器的A、B相輸出的脈沖方波信號(hào)相差90°，使用NI-9411采集卡進(jìn)行編碼器的信號(hào)采集，可更快獲得轉(zhuǎn)速。程序設(shè)計(jì)使用定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過DAQmx助手建立虛擬通道來采集編碼器的脈沖信號(hào)。通過將采集的信號(hào)傳送到從循環(huán)中50次，進(jìn)行數(shù)據(jù)求和最后平均，最后將主機(jī)的速度并顯示到監(jiān)測界面上。同時(shí)還能監(jiān)測主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，且主機(jī)響應(yīng)超時(shí)還可以進(jìn)行報(bào)警［13］。測速程序如圖7所示。

圖7 編碼器測速Fig.7 Encoder speed measurement

3.3 信號(hào)調(diào)理模塊

由于測量的信號(hào)經(jīng)傳感器變化后變微弱，而這些微弱信號(hào)在傳輸過程中抗干擾能力差。通過信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，并轉(zhuǎn)換信號(hào)類型便于下一步分析。

3.4 信號(hào)分析模塊

信號(hào)分析模塊通過調(diào)用Labview中的數(shù)學(xué)函數(shù)和工具包，對(duì)全自動(dòng)粘箱機(jī)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，以及經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的包絡(luò)譜和幅值譜分析等數(shù)據(jù)處理。處理后的轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)等數(shù)據(jù)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)顯示并保存，方便工作人員進(jìn)行機(jī)器的工作狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

3.5 故障診斷與報(bào)警模塊

系統(tǒng)對(duì)采集到的振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)設(shè)置相應(yīng)的上下界限，當(dāng)超出設(shè)定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。例如主機(jī)速度一般需要保持在20～150 m/min的范圍內(nèi)，所以當(dāng)檢測到主機(jī)速度低于或者高于設(shè)定速度時(shí)便進(jìn)行主機(jī)轉(zhuǎn)速異常報(bào)警。除此以外，障報(bào)警模塊使用DSC模塊提供的事件方法，對(duì)全自動(dòng)粘箱機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生的關(guān)鍵PLC變量進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)OPC的地址標(biāo)簽變化，程序就去讀取OPC變量，從而進(jìn)行對(duì)應(yīng)事件的報(bào)警。DSC模塊中的Alarm and Event Display可以用于顯示預(yù)警信息，采用列表框顯示預(yù)警信息函數(shù)，可以選擇需要的信息進(jìn)行顯示，常見的粘箱機(jī)運(yùn)行故障報(bào)警如下。

折疊部主要由傳送裝置和輔助折疊裝置組成，但紙板在傳送折疊過程中會(huì)出現(xiàn)打滑的情況，就導(dǎo)致紙板在傳送過程中發(fā)生歪斜，從而使得紙板的順次折疊無法進(jìn)行，這是折疊部出現(xiàn)的主要故障。當(dāng)這種故障發(fā)生時(shí)，紙板就無法進(jìn)入整理部。根據(jù)整理部的工作原理，無紙板通過動(dòng)力部掉入接紙架中，則整理部的上電光傳感器未感應(yīng)到紙板通過。由此在故障警程序中，設(shè)置當(dāng)粘箱機(jī)工作時(shí)上電光傳感器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無反饋，則進(jìn)行故障報(bào)警并停止進(jìn)紙和折疊部的傳動(dòng)電機(jī)，以降低故障損失。

動(dòng)力部包括主電機(jī)、直角整理電機(jī)、動(dòng)力部風(fēng)機(jī)和排出電機(jī)等，位于折疊部和整理部的聯(lián)接處，起到起承轉(zhuǎn)合和輸出動(dòng)力的作用。其故障主要是電機(jī)的機(jī)械故障，當(dāng)電機(jī)故障發(fā)生時(shí)，會(huì)對(duì)折疊部和整理部的正常工作造成影響。對(duì)動(dòng)力部的電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)和溫度信號(hào)的監(jiān)測，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)的故障，避免與折疊部和整理部故障混淆，更準(zhǔn)確地定位設(shè)備故障。

整理部的故障診斷，整理部故障主要有下排皮帶卡紙，計(jì)數(shù)推出部推紙未復(fù)位，紙箱堆高極限等。當(dāng)下排皮帶卡紙故障發(fā)生時(shí)，計(jì)數(shù)推出部的下光電傳感器無紙箱通過。所以在程序中設(shè)置下光電傳感器規(guī)定時(shí)間內(nèi)無通過信號(hào)反饋，則下排皮帶電機(jī)、折疊部電機(jī)、進(jìn)紙部電機(jī)工作停止。

計(jì)數(shù)推出部的推出桿做推紙動(dòng)作時(shí)，下排皮帶也在不斷地將折疊好的紙箱傳送到計(jì)數(shù)推出部下部，紙箱的堆疊使得紙堆的高度不斷上升。當(dāng)推出桿將紙箱推到傳送帶上時(shí)，其下方的紙堆高度也會(huì)變高。推出桿的動(dòng)作分為四個(gè)部分：推出、升高、收回、下降，但由于粘箱機(jī)的拖紙架的高度設(shè)置未到位，使得推出桿在收回動(dòng)作時(shí)會(huì)被堆高的紙板擋住。所以程序中設(shè)置若規(guī)定時(shí)間內(nèi)無推紙復(fù)位反饋，則進(jìn)行報(bào)警并停止下排皮帶工作，操作人員可以通過監(jiān)測界面手動(dòng)復(fù)位，并恢復(fù)下排皮帶工作。

至于紙箱堆高極限，其原因?yàn)閯?dòng)力部與整理后規(guī)之間的光電傳感器被障礙物遮擋。在程序中設(shè)置當(dāng)上電光傳感器遮擋時(shí)間超過一秒，則進(jìn)行堆高極限故障報(bào)警，粘箱機(jī)緊急停止，工作人員對(duì)該部位進(jìn)行故障問題檢測［14］。

4 監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能

全自動(dòng)粘箱機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)在Labview的編程環(huán)境下完成，得益于Labview強(qiáng)大的虛擬儀器技術(shù)整個(gè)系統(tǒng)的工作界面更加的生動(dòng)直觀，具有很好的交互性，監(jiān)測界面如圖8所示。

圖8 監(jiān)測界面Fig.8 monitoring interface

整個(gè)系統(tǒng)主要有以下幾種功能：

（1）對(duì)全自動(dòng)粘箱機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)測。這一功能主要包括對(duì)批次產(chǎn)量、紙板參數(shù)、捆扎數(shù)量等生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)測。其中批次產(chǎn)量能夠顯示本批次折疊紙板的總量，以便后期查數(shù)。紙板參數(shù)用于顯示本批次生產(chǎn)紙箱的長寬高。捆扎數(shù)量則顯示的是整理部當(dāng)前打包紙板數(shù)量，用于了解實(shí)際生產(chǎn)的紙箱數(shù)量。此外系統(tǒng)還對(duì)全自動(dòng)粘箱機(jī)折疊部、整理部等重要工作部位的主要I/O口進(jìn)行監(jiān)測，方便工作人員對(duì)排紙風(fēng)機(jī)、移動(dòng)擋板電機(jī)、整理后規(guī)電機(jī)、壓紙升降電機(jī)、下壓排出電機(jī)等一系列重要電機(jī)工作狀態(tài)的了解［15］。

（2）提供信號(hào)分析和故障診斷功能。系統(tǒng)利用Labview中提供的工具和函數(shù)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，向用戶反饋相關(guān)的時(shí)域分析圖、頻域分析圖、頻譜圖等，為機(jī)器的維護(hù)和故障維修提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

（3）報(bào)警功能和遠(yuǎn)程控制。根據(jù)全自動(dòng)粘箱機(jī)運(yùn)行原理和現(xiàn)場常見的工作故障結(jié)合對(duì)采集到的數(shù)據(jù)分析，在系統(tǒng)中設(shè)置各部位的預(yù)設(shè)報(bào)警值。當(dāng)數(shù)據(jù)異常或生產(chǎn)過程中出現(xiàn)故障時(shí)，能夠及時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警，并可以對(duì)全自動(dòng)粘箱機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程的停機(jī)，方便工作人員對(duì)現(xiàn)場情況進(jìn)行及時(shí)處理。

（4）故障信息的存儲(chǔ)和顯示。系統(tǒng)在全自動(dòng)粘箱機(jī)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并儲(chǔ)存故障信息，以方便粘箱機(jī)的檢修工作和對(duì)預(yù)設(shè)報(bào)警值的修改和確定。

（5）系統(tǒng)可拓展性。系統(tǒng)基于Labview程序設(shè)計(jì)，其模塊化的機(jī)構(gòu)方便用戶根據(jù)需要添加相應(yīng)的測量模塊或者需要的控制功能，而不會(huì)對(duì)已有系統(tǒng)造成影響，具有極強(qiáng)的可拓展性。

5 結(jié)語

全自動(dòng)粘箱機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)基于Labview軟件進(jìn)行開發(fā)，利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)與西門子S7-200smart PLC的通信，達(dá)到了對(duì)全自動(dòng)粘箱機(jī)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和重要I/O口的遠(yuǎn)程監(jiān)測，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了故障報(bào)警和遠(yuǎn)程停機(jī)功能。系統(tǒng)對(duì)采集到的粘箱機(jī)信號(hào)進(jìn)行處理分析并儲(chǔ)存，工作人員可以通過與歷史數(shù)據(jù)比對(duì)，更準(zhǔn)確地對(duì)全自動(dòng)粘箱機(jī)進(jìn)行故障診斷和維護(hù)。Labview DSC模塊使得PC機(jī)與PLC的通信更加穩(wěn)定、快捷、簡單，用戶可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)地了解粘箱機(jī)各部分的運(yùn)行狀況，提高工作人員對(duì)粘箱機(jī)的掌控與故障檢測能力。同時(shí)基于Labview模塊化的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，可拓展性強(qiáng)，便于二次開發(fā)。