一種基于無線通訊的橋式碼垛機監控系統設計

王 莉，李艷貞，牛群峰，惠延波

（河南工業大學 電氣工程學院，鄭州 450001）

一種基于無線通訊的橋式碼垛機監控系統設計

王 莉，李艷貞，牛群峰，惠延波

（河南工業大學 電氣工程學院，鄭州 450001）

0 引言

碼垛機廣泛應用于糧食、油脂、淀粉、飼料、化肥、水泥等行業企業的庫房產品堆包碼垛，可有效解決其庫房碼垛工作量大、勞動強度大、需要勞動力多、工作效率低、生產成本高等問題和弊端。目前，糧食加工企業庫房大量應用的橋式碼垛機，主要采用集中控制和手動操作模式，監控系統功能簡單，運行現場存在故障較多、可靠性差、系統故障排查慢等缺點，造成使用不方便，部分現場甚至因為故障頻發等問題停用橋式碼垛機，造成設備浪費和生產成本增高[1～3]。根據糧食加工企業橋式碼垛機應用現場需要，開發一種實現冗余控制和故障監測的橋式碼垛機監控系統,對促進碼垛機產品的技術升級和科技持續創新具有重要的實際意義。

1 系統的總體功能設計

糧食加工企業橋式碼垛機應用現場一般包括包裝機、輸送設備和橋式碼垛機等。其中根據企業產品產量情況配置包裝機數量，設計包裝線；根據庫房的大小和產品庫存量配置橋式碼垛機的數量；根據庫房包裝機位置和橋式碼垛機數量設計輸送線。典型糧食加工企業橋式碼垛機應用現場如圖1所示。

圖1 糧食加工企業橋式碼垛機應用現場圖

碼垛機工作處于運動狀態，其控制內容包括整機動作控制和產品輸送控制；輸送設備需要根據碼垛機的工作狀態實施聯鎖控制，其控制內容包括輸送運行控制和輸送線故障監控；包裝機一般采用定量控制器實施控制，監控系統設計時只需要考慮如何通訊即可。本系統采用分散控制模式實現總體功能設計，設置2種控制子站，分別為碼垛機控制子站和輸送線控制子站，系統管理站根據需要設置在現場控制室或企業監控中心。系統總體功能框圖如圖2所示。

橋式碼垛機監控系統面對生產現場、一般操作人員使用。從圖2中可以看出，系統實現的功能主要包括以下五種：

1）碼垛機控制，包括對橋式碼垛機上下、前后、左右各個方向的運動控制，碼垛機內部的輸送線控制；

2）輸送線控制，包括輸送線單機運行控制和輸送線聯鎖控制；

圖2 橋式碼垛機監控系統總體功能框圖

3）產品計數，包括每一碼垛機堆碼產品數量管理和全車間堆碼產品數量管理；

4）狀態監測，對輸送線的運行狀態實施監測和故障報警；

5）數據管理，監測過程數據的存儲，報告的生成，報表打印，用戶管理等。

2 系統硬件設計

橋式碼垛機監控系統采用分散控制方式實現，通信網絡采用無線方式和電力線路握手形式設計。針對橋式碼垛機典型應用現場，將固定輸送部分采用一套PLC實施控制；在每一個橋式碼垛機（移動碼垛部分）采用一套PLC實施控制；在所有的橋式碼垛機工程中均可采用1+N形式設計，便于組合擴展，1為固定輸送控制，N為多個橋式碼垛機控制。將計數和報警傳感器結合，控制器與顯示器結合，實現監控系統精巧、緊湊化設計。計數和報警傳感器采用光電傳感器實現，控制器采用西門子LOGO系列PLC實現。系統的硬件組成圖如圖3所示。

圖3 系統的硬件組成圖

2.1 通信方式與通信網絡設置

由于橋式碼垛機輸送線包括移動輸送線和固定輸送線兩種形式，一旦發生故障，輸送線要求實現連鎖停機控制，所以必須實現1+N控制形式中1與N控制器之間的交互通信。

針對工業現場，目前通信方式與通信網絡一般采用有線方式的現場總線等形式實現控制器之間的通信。本系統由于橋式碼垛機處于移動狀態，電氣線路通過滑觸線或拖纜實現，如果控制器之間的通信也通過滑觸線或拖纜實現，存在通信可靠性低、維修不方便和增加成本等缺點。基于應用現場實際情況，本系統控制器之間的通信方式與通信網絡采用無線通信形式實現。由于系統輸入控制器的各種參數均為數字開關量，設計采用無線通信模塊傳輸各類數字開關量實現各個控制器之間的通信。信號交互采用繼電器無源觸點輸出形式，用于控制用戶終端的運行和停止。發射端繼電器每次動作后，都能將當前繼電器狀態返回給接收端。本系統無線通信模塊采用KYL-803實現，通信系統工作電壓為DC12V，工作電流小于600mA，控制距離大于600m。

實現碼垛機可靠控制僅依靠無線通信是不夠的，本系統在采用無線通信模塊傳遞數字開關量基礎上，設計在控制器之間采用電力線路傳遞工作狀態形式實現冗余通信，通過控制器內部比較電力線路通信工作狀態和無線通信工作狀態實現了碼垛機可靠控制。

傳統的橋式碼垛機采用按鈕控制，操作人員必須在碼垛機下料平臺周圍才能實現碼垛機控制操作，嚴重限制碼垛速度。本系統采用按鈕控制和遙控操作結合方式實現碼垛機操作控制，實現碼垛機上下、東西、南北運動控制和輸送線啟動停止控制。遙控設備選用禹鼎F23-A++實現，控制距離可達100米。

系統管理站與輸送線控制子站之間的通信方式與通信網絡采用工業以太網實現。圖4為橋式碼垛機監控系統通信方式與通信網絡示意圖。

圖4 通信方式與通信網絡示意圖

2.2 基于光電傳感器的監測網絡

橋式碼垛機輸送線運行過程中與生產有關的故障主要有堵包、掉包、爛包等，需要及時進行處理，實現輸送線運行狀態監測和故障處理。系統采用計數與狀態監測相結合的監測方式，基于光電傳感器實現輸送線監測網絡，如圖5所示，在包裝袋匯集輸送處設置防碰撞光電傳感器組，在輸送線轉角處均設置堵包報警光電傳感器，在易掉包、爛包處設置報警光電傳感器。輸送線光電傳感器接入輸送控制子站，碼垛機上的計數、報警傳感器接入碼垛機控制子站，針對距離遠、接入不方便的位置設置無線光電傳感模塊，由無線傳輸模塊將信息傳輸到PLC，通過組建基于光電傳感器的監測網絡實現橋式碼垛機輸送線安全可靠運行。

圖5 光電傳感器監測網絡監測點分布圖

2.3 控制子站設計

控制子站的設計采用手動電氣柜和自動控制箱組合形式實現，便于現場施工和后期升級改造。以輸送線控制子站為例，首先設計實施手動電氣柜，預留手動自動切換功能，再將自動控制箱根據要求設計完成，進行互聯調試，這樣可以實現系統可靠工作和降級使用，一旦某一部分發生故障，根據需要進行切換即可實現系統可靠工作。某輸送線控制子站結構如圖6所示。

3 系統軟件設計

圖6 某輸送線控制子站結構圖

橋式碼垛機監控系統軟件主要由控制器軟件和監控軟件組成。監控軟件采用WINCC設計，主要由系統總體運行監控及報警界面、報警歷史記錄查詢界面、袋裝產品產量查詢界面、產品產量趨勢界面等畫面構成，運行時首先進入系統運行監控界面，當有故障發生或傳感器發出報警信號時報警圖標會閃爍報警，并顯示何處出現故障，顯示現場輸送線運行狀態和碼垛機工作情況。監控軟件運行界面如圖7所示。

圖7 系統監控界面圖

控制器軟件采用LOGO編程軟件設計，實現現場設備控制和輸送線工作監控，系統軟件設計實現了碰撞檢測與協調控制、故障診斷與輸送線連鎖控制功能，具體設計如下：

1）碰撞檢測與協調控制

在多個分散輸送帶上的產品袋傳送到匯集輸送帶時可能會產生碰撞疊包，影響包裝袋的正常輸送，引起輸送線故障停機。本系統在每一分散傳送帶放置專用光電傳感器，當包裝袋同時通過時，PLC根據傳感器給出的檢測信號，判定是否發生碰撞疊包，依據設定好的規則處理輸送帶動作，避免了碰撞疊包情況的發生。碰撞檢測與協調控制流程如圖8所示。

圖8 碰撞檢測與協調控制流程圖

2）計數、監測與輸送線連鎖控制

系統計數功能采用光電傳感器實現，當計數傳感器檢測到有貨物通過時，便進行一次開合，與計數傳感器相連的PLC接收計數脈沖信號，經過分析計算，記錄下通過貨物的數量，存儲至存儲器中，以便以后進行產量查詢，特殊設計的存儲空間及存儲模式可以保證數據掉電不丟失，上電自動讀取數據繼續工作。

在實現計數功能的基礎上，系統根據產品袋運行距離、速度和時間，根據構建的光電傳感器監測網絡，實現故障診斷與輸送線連鎖控制。當光電傳感器檢測到貨物在一定時間內不通過或通過異常時，PLC根據光電傳感器監測網絡進行分析判斷，根據堵包的情況進行報警，根據故障情況實現輸送線連鎖控制。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 結束語

根據目前碼垛機監測控制的發展與要求，采用分散控制設計的思想，設計開發了一套橋式碼垛機監控系統。該系統實現了糧食加工企業產品包裝、輸送、倉儲、裝車全流程的可靠控制，能夠對現場設備進行控制和監視，實時監測庫房現場狀態信息。由于系統采用了無線通信與電力線通信結合、計數與狀態監測相結合等技術，提高了系統的可靠性，使系統具有很強的持續工作能力，而且無須增加太多投入即可擴充監控項目。系統目前已經在糧食加工企業現場運行，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器人中的應用研究[J].制造業自動化,2008,30(7):39-43.

[2]趙偉等.工業機器人碼垛線的設計[J].制造業自動化,2011(10):118-120.

[3]邵凝寧,蔣國華,楊歡.基于PLC的自動倉儲系統設計[J].制造業自動化,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

針對糧食加工企業橋式碼垛機應用現場需要，采用無線通訊、光電傳感器、西門子小型PLC設計實現了一種冗余控制的橋式碼垛機監控系統，系統采用分散控制模式實現，應用LOGO系列PLC作為控制器核心，無線通訊技術組建控制現場通信網絡，結合電力線路通信實現碼垛機可靠控制；采用光電傳感器組建監測網絡，實現產品自動計數管理和信息遠程監測。該系統實現了橋式碼垛機在線狀態監測和故障報警控制，具有使用方便、計數可靠、穩定性好等優點。

橋式碼垛機；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，研究方向為動態信號測試分析與智能儀器。

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劃項目（2012BAF12B13）；鄭州市科技發展計劃項目（2010SFXM469）