王雷博，胡 軍，丁海建

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

造紙廠生產(chǎn)的成品紙卷包含許多種規(guī)格，每一種規(guī)格的紙卷又有不同的質(zhì)量品級，生產(chǎn)車間需要將不同的紙卷分門別類的輸送到相應(yīng)的儲存位置或者發(fā)貨平臺，而紙卷的質(zhì)量又重，采用傳統(tǒng)方式處理紙卷費工費時，這就需要有高度自動化、高效率的紙卷自動物流輸送系統(tǒng)來滿足紙廠的生產(chǎn)需求。

1 紙卷自動化物流輸送系統(tǒng)

輸送系統(tǒng)的組成及功能見表1。

表1 輸送系統(tǒng)組成及功能

生產(chǎn)的成品紙卷質(zhì)量一般都在1 000 kg以上，這就要高度自動化的輸送系統(tǒng)將紙卷送至立體倉庫或者發(fā)貨平臺。由于成品紙卷規(guī)格較多，再加上同一品種的產(chǎn)品在質(zhì)量上也有不同的檔次，因此就需要輸送系統(tǒng)根據(jù)不同規(guī)格檔次將紙卷自動送往指定工位，見圖1。

圖1 紙卷輸送系統(tǒng)流程

2 紙卷自動化物流輸送系統(tǒng)控制原理

2.1 輸送設(shè)備工作原理

PLC通過PROFINET控制變頻器為輸送設(shè)備提供動力，紙卷輸送過程中遮擋光電開關(guān)，PLC根據(jù)光電開關(guān)產(chǎn)生的上升沿、下降沿信號發(fā)出啟動、停止輸送線的命令，同時通過PROFINET通信給定變頻器速度值，速度值正負決定了輸送線運行正反方向。紙卷進入稱重輸送線時，PLC運用變頻器的恒定速度V，紙卷遮擋光電開關(guān)的時間t來計算紙卷的幅寬W，得到的數(shù)據(jù)誤差在±10 mm以內(nèi)。紙卷輸送至稱重線中間位自動暫停，稱重工位的超聲波測距傳感器、稱重傳感器將紙卷的直徑D、質(zhì)量Wt數(shù)據(jù)以模擬量的形式反饋給PLC，PLC將模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成mm單位通過OPC通信將紙卷的幅寬W、直徑D、質(zhì)量Wt數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機IT合格證系統(tǒng)。IT合格證系統(tǒng)自動將收到的紙卷信息和紙廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)MES的排產(chǎn)信息進行比較，比較無誤后生成唯一的紙卷條碼信息，同時稱重輸送線自動啟動將紙卷輸送至貼標(biāo)工位。紙卷輸送過程中遮擋貼標(biāo)工位光電開關(guān)后暫停，PLC通過PROFINET將幅寬W、直徑D數(shù)據(jù)發(fā)送給機械手，將條碼信息發(fā)送給打印機，機械手根據(jù)紙卷尺寸數(shù)據(jù)確認(rèn)貼標(biāo)位置，合格證打印完成后機械手自動吸取合格證粘貼到紙卷筒身。貼標(biāo)完成后紙卷向前輸送到掃描工位，掃描槍將掃描得到的紙卷合格證條碼信息通過以太網(wǎng)發(fā)送給紙廠倉庫管理系統(tǒng)WMS，由WMS來安排紙卷去向并將去向信息發(fā)送給上位機IT系統(tǒng)，上位IT系統(tǒng)再通過OPC通信將去向信息以數(shù)字的形式發(fā)送給PLC，PLC根據(jù)紙卷去向通過轉(zhuǎn)盤來改變紙卷輸送方向。

2.2 紙卷去向一：自動立體倉庫

入庫：紙卷經(jīng)過一段距離的輸送后到達自動倉庫的掃描工位，掃描槍將掃描得到的紙卷合格證條碼發(fā)送給上位機IT系統(tǒng)，上位機IT系統(tǒng)通過以太網(wǎng)通信將條碼信息發(fā)送給自動立體倉庫系統(tǒng)WCS并申請貨位，WCS獲取條碼信息后解讀出紙卷的規(guī)格、批次、品種，以此來分配紙卷相應(yīng)的庫區(qū)巷道、貨位，并將分配到的巷道數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機IT系統(tǒng)。上位機IT系統(tǒng)將巷道數(shù)據(jù)以數(shù)字形式反饋給輸送系統(tǒng)PLC，PLC發(fā)出指令控制相關(guān)的輸送線、轉(zhuǎn)盤將紙卷輸送到指定的移動小車工位，移動小車安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器可以將紙卷精確的輸送到堆垛機取貨工位。PLC通過PROFINET將允許取貨信號發(fā)送給堆垛機，堆垛機啟動運行將紙卷放到申請到的貨位并將紙卷信息儲存在自動立體倉數(shù)據(jù)庫，同時堆垛機反饋輸送系統(tǒng)PLC取貨完成信號，移動小車返回原位等待下一個紙卷入庫指令。

出庫：自動立體倉庫如果有客戶訂單需求的紙卷規(guī)格，倉管人員可以通過WMS下發(fā)出庫任務(wù)，堆垛機從數(shù)據(jù)庫調(diào)取紙卷信息執(zhí)行指令取貨放到輸送系統(tǒng)的移動小車上，同時給PLC發(fā)送紙卷編號、分配去向、放貨完成信號。PLC收到信號后，啟動移動小車輸送紙卷通過出庫路徑的輸送線體、轉(zhuǎn)盤將紙卷輸送到目標(biāo)出庫站臺，紙卷到達出庫站臺后倉管人員用手持掃描槍掃描紙卷合格證條碼，將出庫紙卷信息反饋給WMS，同時出庫LED顯示屏顯示出庫紙卷的規(guī)格編號形成閉環(huán)。另外存在出庫后由于其他原因重新入庫的紙卷，出庫平臺有返庫專用的上紙平臺，該部分紙卷可以以此返庫經(jīng)自動掃描由上位機IT系統(tǒng)向WCS申請入庫。

2.3 紙卷去向二：手動平面?zhèn)}庫

根據(jù)客戶訂單生產(chǎn)的暫未裝車運輸?shù)募埦斫?jīng)輸送系統(tǒng)輸送至手動平面?zhèn)}庫。PLC收到該去向信號后，控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向?qū)⒓埦硗ㄟ^升降機由二樓生產(chǎn)車間輸送至一樓手動倉庫，經(jīng)過一樓的掃描工位時紙卷的合格證條碼、規(guī)格信息發(fā)送給WMS完成入庫閉環(huán)，當(dāng)紙卷需要出庫時再由WMS下發(fā)出庫任務(wù)，人工開動抱車將任務(wù)單中的紙卷裝車運輸。

2.4 紙卷去向三：直發(fā)平臺

生產(chǎn)需要直接裝車運輸?shù)脑嚲?，給PLC該去向信號，PLC控制轉(zhuǎn)盤去向?qū)⒓埦硗ㄟ^路徑上的輸送線體輸送至直發(fā)平臺。

3 紙卷自動化物流輸送系統(tǒng)的人機交互

3.1 HMI 在輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)輸送系統(tǒng)的操作設(shè)備采用了大量的按鈕和指示燈，不僅要用大量的控制電纜連接按鈕和PLC，還要占用相當(dāng)數(shù)量的PLC輸入輸出IO點，不利于節(jié)約成本。該紙廠輸送系統(tǒng)操作設(shè)備設(shè)計采用西門子HMI替代了手動操作所需要的按鈕，根據(jù)不同的輸送設(shè)備可以在HMI畫面上設(shè)計所需的按鈕、旋鈕和指示燈，并且HMI和PLC通過PROFINET進行通信只需一根網(wǎng)線，不僅節(jié)約了大量的控制電纜、PLC輸入輸出模塊，而且通過HMI還能讀寫系統(tǒng)運行相關(guān)的參數(shù)信息、報警記錄。一個HMI根據(jù)需要可以設(shè)計多個不同功能的畫面，利用HMI自帶的功能鍵F1-F8進行切換，查看相關(guān)設(shè)備的實時狀態(tài)。輸送系統(tǒng)操作設(shè)備見圖2，HMI顯示畫面見圖3。

圖2 輸送系統(tǒng)操作設(shè)備

圖3 HMI 顯示畫面

3.2 HMI 實時監(jiān)控和糾錯功能的運用

稱重工位后的每個紙卷都有一一對應(yīng)的條碼和規(guī)格信息，紙卷在輸送過程中PLC程序?qū)⒓埦硇畔⑦M行數(shù)據(jù)移位，保證了每個輸送工位上的紙卷都能被自動識別，各個操作設(shè)備上的HMI通過PROFINET讀取PLC的紙卷信息實現(xiàn)紙卷輸送的實時監(jiān)控。當(dāng)輸送過程中出現(xiàn)紙卷信息缺失或者異常，PLC程序會下達當(dāng)前輸送設(shè)備停止的指令并發(fā)出聲光報警信號，現(xiàn)場維護人員從就近的HMI查看報警記錄以及紙卷信息。如果是紙卷信息異常，維護人員可以根據(jù)紙卷實際的信息在HMI上進行修改；如果是輸送設(shè)備傳感器、變頻器或者其他方面的故障，維護人員可以切換HMI畫面查看連鎖信號以及報警指示燈來確定故障源，從而快速的獲取故障原因和糾錯辦法，實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)可視化和控制智能化。HMI紙卷信息畫面見圖4。

圖4 紙卷信息畫面

4 結(jié)論

本文分析了自動化物流輸送系統(tǒng)在造紙廠的應(yīng)用，該系統(tǒng)不僅自動化程度高，提升了生產(chǎn)效率，并且系統(tǒng)操作界面功能強大具有較強的交互性，減少了現(xiàn)場操作人員、設(shè)備維護人員的工作量。另外，輸送系統(tǒng)多個接口都有PLC和IT的數(shù)據(jù)交互，使IT技術(shù)從辦公環(huán)境走向了工業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)了生產(chǎn)輸送調(diào)度統(tǒng)一，完全滿足了用戶的控制要求，具有廣闊的市場前景。