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        異型煙全自動(dòng)包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2021-09-17 09:08:02鄭豐茂蘇浩業(yè)
        關(guān)鍵詞:條煙鏈板疊層

        張 都 鄭豐茂 蘇浩業(yè)

        (廣東省東莞市煙草專賣局(公司)物流配送中心,廣東 東莞 523078)

        隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展,日益增長(zhǎng)的物質(zhì)文化需求不斷提高,個(gè)性化需求和高品質(zhì)生活追求也日趨多樣化,卷煙作為日常消費(fèi)品的主力品種也不斷跟上時(shí)代潮流,銷售種類和高端煙的數(shù)量持續(xù)上升,異型煙的銷量增長(zhǎng)尤為突出。隨著卷煙數(shù)量種類的不斷增長(zhǎng),導(dǎo)致原來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化程度非常高的分揀模式跟不上發(fā)展的要求,煙草商業(yè)物流工藝設(shè)備特別是異型煙分揀設(shè)備需要不斷創(chuàng)新來(lái)適應(yīng)新的發(fā)展[1~2]。近年來(lái),行業(yè)中很多企業(yè)對(duì)異型煙自動(dòng)碼垛包裝技術(shù)的研發(fā)投入均有所加大,并且取得了一些的成績(jī),如沈陽(yáng)新松公司開發(fā)了一種蜘蛛形機(jī)械手用于異型煙碼垛,機(jī)械手末端搭配吸盤機(jī)構(gòu)來(lái)抓取條煙,分揀速度可達(dá)2 600條/h。胡敏[3]在異型煙碼垛機(jī)器手上應(yīng)用視覺(jué)系統(tǒng),并采用自由碼垛算法,分揀速率可達(dá)1 800條/h 。楊旭東等人[4]采用了機(jī)器人和人機(jī)交互技術(shù),結(jié)合伺服控制和PLC控制等研發(fā)了一套全自動(dòng)異型煙碼垛及包裝流水線。管忠等人[5]采用共線分揀的思路提出一套細(xì)支煙和標(biāo)準(zhǔn)煙的共線合單智能化包裝系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)煙和細(xì)支煙組合堆垛和共線分揀。

        該文針對(duì)某地物流配送中心異型煙包裝效率低、條煙差錯(cuò)多和用工成本高等問(wèn)題,結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)需求和品牌發(fā)展需求,提出一種高效、穩(wěn)定、可靠的全自動(dòng)包裝系統(tǒng),包裝效率可達(dá)4 800 條/h以上。

        1 異型煙全自動(dòng)包裝系統(tǒng)

        1.1 混合碼垛設(shè)計(jì)

        混合碼垛設(shè)計(jì)由疊層設(shè)備和鏈?zhǔn)綋軣熝b置組成,單次碼垛的最多層數(shù)為5層,每層最多為5條,堆垛形狀要求規(guī)則整齊,疊層設(shè)備最大層數(shù)為4層,每層最多5條。鏈?zhǔn)綋軣煓C(jī)構(gòu)撥煙動(dòng)作頻次要求小于1 s/次,不論條煙的規(guī)格尺寸,一次性最多可撥打4條,設(shè)計(jì)效率須滿足6 000 條/h,包裝系統(tǒng)要設(shè)置有效防護(hù)裝置及條煙保護(hù)光電,避免造成人員意外傷害和條煙損壞,操作界面采用觸摸屏,操作簡(jiǎn)單便捷,維護(hù)方便,具備靈活的擴(kuò)展性,設(shè)備故障率小于1%,包裝差錯(cuò)率小于0.1‰,損煙率小于0.1‰。

        1.2 碼垛及包裝工藝流程

        碼垛包裝系統(tǒng)由輸送裝置、鏈?zhǔn)綋軣熝b置、平板升降機(jī)構(gòu)、疊層設(shè)備、鏈板輸送機(jī)、直推機(jī)構(gòu)和包裝機(jī)構(gòu)等組成,如圖1所示。其中輸送裝置由輸送皮帶和機(jī)架組成,通過(guò)繼電器控制電機(jī)啟動(dòng)和停止,在輸送帶尾端設(shè)置移動(dòng)擋板和5個(gè)光電開關(guān)(檢測(cè)條煙到位)。鏈?zhǔn)綋軣熝b置由伺服電機(jī)、鏈條和撥桿等組成,伺服電機(jī)由伺服驅(qū)動(dòng)器控制為撥煙裝置提供動(dòng)力,采用接近開關(guān)控制和判斷撥桿停留位置。平板升降機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、平板、升降滑軌和水平滑軌等組成,平板的伸出和退回、上升和下降均由伺服電機(jī)提供動(dòng)力,通過(guò)鏈傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。疊層設(shè)備采用條煙自動(dòng)疊層設(shè)備,主要由疊層片、側(cè)推機(jī)構(gòu)和直推機(jī)構(gòu)組成。鏈板輸送機(jī)主要由機(jī)架和18格鏈板組成。裹膜包裝設(shè)備主要由送膜裝置、封切裝置、皮帶輸送裝置和熱收縮爐等組成。包裝工藝流程如圖2所示。

        圖1 包裝系統(tǒng)組成

        圖2 包裝工藝流程

        2 自動(dòng)包裝系統(tǒng)硬件選型

        根據(jù)上述全自動(dòng)包裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和工藝流程,該文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于PLC、工控機(jī)和觸摸屏的自動(dòng)包裝系統(tǒng),其硬件的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 硬件的總體結(jié)構(gòu)

        該自動(dòng)包裝系統(tǒng)硬件設(shè)備主要由PLC、工控機(jī)、觸摸屏、變頻器、信號(hào)輸入/輸出模塊(包括數(shù)字量和模擬量)、電機(jī)、繼電器和伺服驅(qū)動(dòng)器等組成。上位設(shè)備包括觸摸屏和工控機(jī),觸摸屏用于人機(jī)交互界面,包括設(shè)置包裝參數(shù)和誤差參數(shù)、手動(dòng)操控設(shè)備、提示報(bào)警信息和監(jiān)控條煙堆疊實(shí)時(shí)情況等;工控機(jī)用于下載客戶訂單信息、實(shí)時(shí)顯示包裝信息和查詢歷史訂單信息等。二者相結(jié)合令自動(dòng)包裝系統(tǒng)功能完善、操作簡(jiǎn)便。下位設(shè)備包括PLC、變頻器及伺服驅(qū)動(dòng)器等,PLC既接收觸摸屏和工控機(jī)發(fā)出的信號(hào),變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器反饋的信號(hào)和各傳感器的信號(hào),又向變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出相關(guān)動(dòng)作指令,向繼電器發(fā)出相關(guān)控制指令。

        2.1 上位設(shè)備選型

        上位設(shè)備的選型類別較多,各類設(shè)備的兼容性也不一致。在監(jiān)控成本和實(shí)際應(yīng)用需求的同時(shí),還要考慮設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性,同時(shí)還要兼顧操作方便和實(shí)時(shí)監(jiān)控需求。綜合考慮下觸摸屏選擇的型號(hào)為威綸通TK6071IP,該屏通信采用以太網(wǎng)或者RS232/RS485,機(jī)身存儲(chǔ)容量為128 MFLASH + 64M DRAM,處理器為32位400 MHz RISC,處理速度較快;工控機(jī)使用聯(lián)想PC-20181007RKBP,其處理器采用Inter Core i3,其CPU為7100,4G運(yùn)行內(nèi)存。兩款設(shè)備均具備較高的可靠性和可操作性,采購(gòu)成本和可替代性也較強(qiáng),性能均可滿足工作要求。

        2.2 下位設(shè)備選型

        根據(jù)自動(dòng)包裝系統(tǒng)的工藝流程,對(duì)PLC進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),主要組成為CPU模塊和信號(hào)輸入/輸出模塊,并預(yù)留了擴(kuò)展可能性,若后期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展,只需增加相應(yīng)功能模塊。為確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)兼顧成本,要求選用處理速度高的CPU,并且設(shè)備日均可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)超過(guò)12h,不然將嚴(yán)重影響物流中心異型煙分揀任務(wù)的完成,因此要求系統(tǒng)的PLC具備較高的可靠性和穩(wěn)定性[6],最終通過(guò)綜合考慮選擇了西門子的S7-200 smart系列PLC,這是一款模塊化、緊湊型的PLC,具有性能強(qiáng)、運(yùn)行快、體積小和通信功能強(qiáng)等特點(diǎn)。

        3 自動(dòng)包裝系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        異型煙全自動(dòng)包裝系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各動(dòng)作機(jī)構(gòu)的控制,而且能夠?qū)Ω髟O(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,并具備異常報(bào)警功能和保護(hù)人員安全功能,同時(shí)可提供便捷的人機(jī)交互體驗(yàn)。

        3.1 PLC控制流程

        參考包裝工藝流程編寫系統(tǒng)的PLC控制流程,如圖4所示。首先工控機(jī)下載客戶訂單數(shù)據(jù),接著將待包裝數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC,包裝啟動(dòng)之后,輸送線皮帶運(yùn)轉(zhuǎn),PLC向擋板伺服電機(jī)發(fā)送信號(hào),擋板移動(dòng)到規(guī)定位置擋住條煙移動(dòng);當(dāng)細(xì)支條煙到位時(shí),疊層向上轉(zhuǎn)動(dòng)依次堆疊條煙,堆疊完成后由側(cè)推將煙跺推出;檢測(cè)到側(cè)推到位時(shí),直推機(jī)構(gòu)將煙跺推送至鏈板輸送機(jī);檢測(cè)到直推退回到位時(shí),鏈板輸送機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將煙跺輸送至平板升降機(jī)構(gòu)工位;檢測(cè)到平板升高到位、伸出到位,并且異型條煙到位時(shí),鏈?zhǔn)綋軣煓C(jī)構(gòu)將條煙撥至平板上;檢測(cè)到撥桿到位時(shí),PLC收到信號(hào)后控制伺服驅(qū)動(dòng)器使平板下降,到位后平板退回零位,異型煙落在細(xì)支煙跺上進(jìn)行合流;檢測(cè)到平板到位時(shí),鏈板輸送機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),將煙跺移動(dòng)到直推機(jī)構(gòu)工位;檢測(cè)到鏈板到位時(shí),直推動(dòng)作將煙跺推送至裹膜包裝裝置,完成后續(xù)包裝工序。

        圖4 PLC控制流程

        3.2 觸摸屏和工控機(jī)軟件設(shè)計(jì)

        上位機(jī)軟件通常是操作人員進(jìn)行人機(jī)交互的主界面,主要以文字或圖形的形式實(shí)時(shí)反映整個(gè)自動(dòng)包裝系統(tǒng)的運(yùn)行情況,方便采集、保存和查詢相關(guān)的數(shù)據(jù)信息,保障數(shù)據(jù)的可讀性和安全性。并且操作人員可通過(guò)點(diǎn)擊軟件程序里的控制按鈕來(lái)對(duì)各設(shè)備進(jìn)行控制。

        觸摸屏主要用于設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)控、訂單包裝數(shù)據(jù)的手動(dòng)申請(qǐng)、數(shù)據(jù)清除、設(shè)備的手動(dòng)操作、設(shè)備故障顯示、設(shè)備啟停等。觸摸屏包括4個(gè)界面,分別為疊層操作界面,手自動(dòng)轉(zhuǎn)換、手動(dòng)操作、包裝數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。工控機(jī)的主要功能是下載客戶訂單數(shù)據(jù)、客戶訂單查詢、客戶訂單信息實(shí)時(shí)顯示和實(shí)時(shí)碼垛數(shù)據(jù)等,具體功能如圖5所示。

        圖5 工控機(jī)軟件功能

        4 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

        為驗(yàn)證實(shí)際效果,在包裝系統(tǒng)安裝后,進(jìn)行了設(shè)備全手動(dòng)操作,訂單信息實(shí)時(shí)更新,報(bào)警功能等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果表明,該包裝控制系統(tǒng)包裝差錯(cuò)率≤0.005%,損煙率≤0.005%,設(shè)備故障率≤0.5%。具有良好的可靠性和穩(wěn)定性,符合工業(yè)應(yīng)用需求。包裝效率峰值為6 000 條/h。滿足物流配送中心的實(shí)際需求。

        5 結(jié)語(yǔ)

        從某市物流配送中心實(shí)際問(wèn)題出發(fā),分析出當(dāng)前異型煙包裝效率的不足之處和實(shí)際的分揀需求,根據(jù)自動(dòng)包裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和工藝流程,該文基于PLC、觸摸屏和工控機(jī)設(shè)計(jì)一種異型煙全自動(dòng)包裝系統(tǒng),重點(diǎn)論述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理和工藝流程。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了某市物流配送中心從異型煙手工分揀到自動(dòng)包裝的跨越,大大提高了異型煙分揀效率,解決了人工成本高和條煙差錯(cuò)率高等問(wèn)題,具有良好的穩(wěn)定性和可靠性,同時(shí)也為同行業(yè)異型煙分揀包裝提供參考。

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