筒紗生產線分揀設備控制系統設計

劉國梁，戴曦，馮徐鑫，葛永亮，許振飛

(浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院，杭州310018)

0 引 言

筒紗是現代紡織業絡筒工藝的產出品，是制成服裝的基礎材料。隨著我國紡織業的飛速發展，市場要求機械設備的自動化、智能化程度更高，生產方式的高速、高效、高可靠性及新工藝、新技術的應用成為今后紡織業的發展方向[1]，必須要保證產品高質量與高生產效率的統一。

當下大多數企業滿足市場需求的手段是擴大生產規模及提高工人的生產效率，人工操作機械生產筒紗依然是主要的生產方式，這種方式占用了大量的人力資源，效率低下且產品質量不能得到保證[2]。部分企業雖然購買了進口設備，提高了筒紗質量、生產效率，節省人工成本，但設備昂貴、維護成本較高。

隨著現代工業模式的轉變，“機器換人”已然成為業內的必然選擇。實現筒紗生產包裝的自動化已是目前行業發展的必然趨勢，是紡紗廠產業升級的必經之路[3-5]。在傳統生產方式效率不能提升和進口設備成本高的情況下，自主開發自動化程度高的紡紗設備已是大勢所趨。

1 分揀系統總體設計

1.1 筒紗分揀設備的系統組成與工作原理

筒紗生產線分揀設備的作用是對生產車間已經生產好的筒紗進行識別后分揀。其設計主要分為機械主體與電氣控制兩個部分。整個系統包含了上料、送料、下料3個子系統，其總體設計結構如圖1 所示。其中每個上下料單元皆可獨立控制，以便根據各個企業的實際要求進行相應調整。這種設計方案的上下料單元可替換性強，便于設備的維護保養。筒紗分揀系統的上料、送料、下料均為自動控制，通過人機交互界面實現相應的操作和人機交互。

上下料系統的動力裝置為伺服電動機，傳動方式為鏈傳動。上下料機構示意圖如圖2 所示。上料系統工作時，將筒紗放置于機械臂上，機械臂從支撐柱上升至吊桶下方的傳感器位置時，傳感器檢測筒紗的型號及規格，機械臂將其送至軌道上循環的相應吊桶，筒紗在自身重力作用下停留于吊桶之中完成筒紗的分揀，同時伺服電動機控制機械臂下降到原始位置（零位），開始下一個循環。循環送料系統在鏈條傳動下進行循環動作，吊桶束于鏈條下方跟隨鏈條運動。下料系統同樣采取伺服電動機傳動，其機械臂零位位于吊桶下方，其動作過程與上料系統相反，當一個傳感器檢測到吊桶中的筒紗為所接受的規格時，其所屬的機械臂便將筒紗抓取至包裝工位，隨后機械臂回歸至零位，等待下一個循環。

1.2 系統的技術要求

為了滿足生產需求，筒紗生產線分揀設備的控制系統需滿足的技術要求如下：1）能夠識別不同規格的筒紗并進行分揀；2）能夠通過人機交互界面顯示和設置各項參數；3）能夠進行故障檢測并報警，具有故障復位功能；4）生產效率滿足實際生產要求。

圖1 設備總體結構圖

圖2 上下料機構示意圖

1.3 分揀方案設計

筒紗分揀系統中，吊桶安裝于循環軌道之上，布局方式如圖3 所示。軌道中安裝有6 種擁有不同標志的吊桶以裝載不同規格的筒紗，每種標志以包含圓點的數目來區分，傳感器通過掃描標志來區分吊桶，從而得到吊桶對應的筒紗規格信息。根據生產要求，可將識別規格的數量做相應調整。

圖3 吊桶布局圖

2 控制系統硬件設計

2.1 電氣系統組成

筒紗分揀系統的電氣系統主要由PLC、伺服控制系統、人機交互單元組成。PLC 作為核心控制裝置，用以實現對伺服系統的定位控制及對其他動作元件的邏輯控制；伺服控制系統用以實現上下料機械臂的精確定位和速度調整；人機交互單元選用臺達的HMI，實現系統狀態顯示、參數修改及基本操作等功能。圖4 為系統的主電路原理圖。

圖4 控制系統主電路原理

表1 I/O 地址分配表

2.2 主要硬件選型

筒紗分揀系統使用交流電，因此PLC輸入口采用交流電源。根據設計需求，筒紗分揀系統所需主要輸入口和輸出口各為20 個（I/O 分配見表1），另外考慮到系統的擴展改造，選用PLC的品牌和型號為臺達DVP60ES00T2，含輸入端口36 個，輸出端口為24 個，輸出為晶體管型，交流電源供電[6]。

PLC 以脈沖形式驅動伺服控制器，伺服控制器驅動上下料伺服電動機，使上下料機械臂垂直運動。筒紗分揀系統所使用的伺服系統采用的控制模式為位置控制，該控制模式可以使筒紗上下料機械臂穩定升降，可以避免系統位置偏移，以應對筒紗需精確定位的要求[7-8]。為了更好地控制機械臂的動作，保證其運行穩定性與精準性，選擇臺達ASDA-B2 系列的伺服驅動器及相配套電動機作為機械臂的驅動單元。

3 控制系統軟件設計

3.1 PLC程序設計

系統所采用的臺達DVP 系列PLC 使用ISP Soft 編程，該軟件的用戶程序包含主程序及功能塊。

圖5 為筒紗分揀系統PLC 時序圖。該系統將PLC 程序分為上料、送料循環和下料3 個系統，這3 個系統既可以獨立控制，也可作為整體協同工作。

筒紗分揀系統上料工作要求如下（以1 號規格為例）：

1）接通電源，按下啟動按鈕，啟動指示燈亮;2）當檢測筒紗的傳感器檢測到筒紗到達機械臂位置，上料驅動電源接通，機械臂經鏈傳動從支撐柱底端上升；3）當上料到位傳感器檢測到筒紗，循環送料電源斷開；4）當1 號位傳感器檢測到與其對應的吊桶1時，上料電源接通，筒紗在重力作用下進入吊桶，該筒紗對應的規格指示燈亮起；5）伺服電動機再次啟動，上料機械臂回零位，流程循環結束，等待下一個循環。

上料系統工作流程如圖6 所示。當系統首次進入運行狀態，機械臂將進行回零操作，回到系統原點，等待進一步操作指令。筒紗進入上料起始位置時，觸發請求上料信號，機械臂將在伺服系統驅動下上升至上料等待區，機械臂停留在此處等待對應吊桶到達。吊桶通過每個上料工位時，由該工位的光電傳感器組合進行確認，當該吊桶被確認為待上料吊桶時，機械臂在伺服系統驅動下再次上行。筒紗上行至吊桶上方將再次通過光電傳感器組合進行確認，確認品種無誤后，機械臂在伺服系統驅動下開始下行，直至回到原點，進入上料等待狀態。在上料等待狀態時，可以通過停止按鈕退出上料系統。

圖5 筒紗分揀系統PLC 時序圖

圖6 上料系統流程圖

3.2 人機交互系統設計

人機交互系統選用臺達DOP 系列HMI 進行設計，包括主界面、報警界面、參數設置界面、手動操作界面及感應信號顯示界面。主界面（如圖7）主要實現系統的基本操作和上下紗種類的設定，以及切換至二級界面的功能。二級界面除了實現預設功能外，還可切換至其他同級界面和返回主界面。圖8 為報警界面，能夠實時顯示每個動作單元的狀態，當有異常發生，在相應的工位右側將從綠色正常狀態變為閃爍的紅色異常狀態。從報警界面可以通過界面切換按鈕返回主界面，或者切換至感應信號顯示界面。

圖7 人機交互主界面

圖8 報警界面

4 系統應用

分揀設備控制系統已在紡紗廠實際紡紗生產線進行調試和測試。在測試中使用6 種規格的筒紗各50 顆，通過人工方式有序放入上料預備工位，單臺上料機將不同規格的筒紗進行分揀，總用時為270 s，單顆筒紗上料耗時5 s 左右。單顆筒紗送料耗時3 s左右，下料耗時5 s 左右。結果證明，該系統能夠完成筒紗的分揀任務，并且滿足目前生產線運行要求。圖9 為調試與測試現場。

5 結 論

本文提出了筒紗自動分揀設備控制系統的設計方案，并具體實施。控制系統以PLC 為核心，實現各執行單元的動作輸出，以及各單元之間的邏輯控制。人機交互界面不僅提供了對設備的基本操作功能，還能夠實現設備運行狀態的監控與系統參數的顯示設置。筒紗分揀控制系統在實際生產線的測試中，運行穩定，實現了分揀工位的自動化。

圖9 調試與測試現場