包裝鐵匣生產線的自動化設計與建設

林宇 伍能文 李俊波

摘要：為貫徹落實“大眾創業，萬眾創新”戰略，充分發揮蘭州大學的學科和科研優勢，致力于產學研合作落地。文中，對包裝鐵匣生產線的自動化設計與建設進行了介紹，希望能為相關生產企業提供參考和借鑒。

關鍵詞：電氣自動化;包裝鐵匣生產線;升級改造

一、對技術創新需求涉及技術

節拍設計是自動化生產線設計的重要內容之一，整條生產線的節拍時間與組成生產線的各專機的節拍時間，尤其是與個別專機的節拍時間密切相關。總體方案設計是整個生產線設計制造流程中最重要的環節，其是否正確與合理，對生產線的節拍時間、生產效率、運行可靠性、設備復雜程度、成本造價、設計制造周期等起著決定性作用。

二、解決方案擬采用的工藝技術路線、關鍵技術

1.概述

受四川燎原機械有限責任公司委托，為其包裝鐵匣生產設計一條自動化生產線，主要用于改善鐵匣質量、生產效率、工藝創新、減少人工投入等。該生產線具備自動化生產能力，質量檢測控制，生產過程監視等功能。

2.項目內容

2.1項目背景及環境參數

鐵匣參數

鐵匣規格：外形尺寸470mm*150mm*110mm;

鐵匣材質：0.5mm鍍鋅鐵皮;

鐵匣密封要求：防水不透氣，氣密測試;

現場設備的工作環境條件。

工房參數

工房環境溫度：0℃～45℃;

工房環境濕度：≤92%;

動力電源：三相五線制，AC380V±10%，頻率50Hz±5%;

照明電源：AC220V±10%，頻率50Hz±5%;

氣源氣壓：0.5～0.8MPA。

2.2設備內容

設備內容（見表1）：

3.系統總體設計

設備整體布局合理，外觀精美，具有良好的防銹、防塵性能，能夠實現各項技術指標的要求。包裝鐵匣生產線及所有設備、裝置符合工業規范。

3.1方案說明

包裝鐵匣生產線實現半自動化，主要由退卷機、劃線機、剪斷機、倒角、沖孔機、卷邊機、折方成型機、壓接機、壓裝拉扣機、底/蓋板沖壓機、底板封邊機、氣密測試機組成。操作工人減少一半。外形尺寸精度高，卷邊質量高。整體單件生產時間減少，產量增加一倍以上。

3.2系統結構

工作分工：機動人員負責自動化生產區檢查工作，處理退卷機，劃線、剪斷機，倒角、沖孔機，卷邊機，折方成型機，連接線體的異常。壓接機、壓裝拉扣機、底/蓋板沖壓機、底板封邊機、氣密測試機五個工位需要各配置一個工作人員。

整體生產流程框圖（見圖3.2）：

3.3設備部件說明

3.3.1線體單元

線體單元組成：傳輸軌道、皮帶、感應器、阻擋氣缸、電機等。

3.3.2OP10退卷機

推卷機主要組成：卡爪組件、剎車制動裝置、操作桿、放卷架、導輪、底座。

3.3.3OP20劃線、剪斷機

劃線、剪斷機工作內容：1.劃線：電機帶動劃線輪將牽引過來的鐵皮壓出0.1mm劃痕（滑橫深度可調節）。2.剪斷：可以快速切割鐵皮。

3.3.4OP30倒角、沖孔機

可將原沖床進行改造，改造點為壓合模具。

3.3.5OP40卷邊機

卷邊機主要由沖床、上下模具、壓輥、安全光幕等組成。

3.3.6OP50折方成型機

折方成型機主要由氣缸、導軌、擠壓模具、內芯模具、下料裝置等組成，整個擠壓成型為全自動化。

3.3.7OP60壓接機

可將原沖床進行改造，改造點為壓合模具。

3.3.8OP70壓裝拉扣機

可將原沖床進行改造，改造點為壓合模具。

3.3.9OP80底/蓋板沖壓機

3.3.10OP90底板封邊機

底板封邊機由轉動封邊機構、壓邊輪、鐵匣、頂升機構、機架等組成。

3.3.11OP100氣密測試機

對密閉腔體內充入壓縮空氣，當腔體內氣壓達到一定值后停止充氣，待腔體內氣壓穩定后，通過壓力傳感器對腔體內氣壓進行實時檢測，保持一定的時間后，通過計算前后壓力差，得出在檢測時間內的壓降情況，由此判定腔體密封性能。

3.4電氣控制系統

3.4.1品牌選擇

元器件選型以產品質量好，技術性能高，使用安全可靠，通用性強，升級換代方便，備品備件充足，技術服務優良等為原則，選擇國內外知名產品或同等產品。

3.4.2電氣系統結構

電氣系統結構框圖（見圖2）：

3.4.3電氣系統組成

整個流水線控制系統采用工控機，邏輯控制系統，分布式單機控制系統。采用模塊化設計，既能單獨運行，也能聯動負荷運行。

3.4.3.1工控機硬件

適用于安裝在19"機架、具有下列部件的工控PC：主頻-3.4GHz的奔騰D雙核處理器，存儲-8G RAM內存、1TG硬盤，顯示器-19"TFT顯示器、臺式外殼，串口-1個，RJ45 -1個

計算機與PLC通過以太網通信實現人機交互。

3.4.3.2工控機軟件

上位機采用西門子最新組態軟件WINCC V7.5。由組態軟件實現對整個生產線系統控制數據和控制指令的輸入、實現對系統狀態、數據的實時顯示;對輸入的數據應進范圍限制，對發出的控制指令有安全約束，防止非正常操作。實現對整個生產線的系統狀態和數據的實時接收與處理，并對實時數據進行實時存儲。

3.4.3.3邏輯控制器硬件

采用西門子S7-1500的CPU做主站，由主站控制整條生產線的工藝。每個單體設備用西門子S7-1200plc做分布式獨立控制。西門子S7-1500系列PLC.，具有最高的生產能力·最高的易用性。

3.4.4硬件規范

1.存儲容量：普通PLC處理器程序內存與數據內存的總和應不低于2M。

2.備份存儲：PLC處理器應具備備份存儲功能，用戶程序和數據可通過備份存儲卡在控制系統掉電的情況下依然得到保持，并可在系統上電后進行恢復。

3.存儲卡：MMC存儲卡容量不低于2MB。

4.電源：PLC系統配置交流220VAC作為輸入供電電源，并提供直流24VDC輸出用于本地IO模塊或其他用途使用。

5.PLC、存儲器，具有標準外部（網絡）連接口，并具有設備故障診斷，故障停機和自動報警顯示功能。

6.PLC內部梯形圖對各動作的保護，應互鎖可靠，其外圍電路對PLC輸出應具有可靠保護，電氣控制發生故障時，有停機保護，信號顯示和報警功能。

7.配置PLC輸出接點的保護：交流接觸器線圈配有阻容保護、中間繼電器線圈配有浪涌抑制功能，PLC輸出具有中間繼電器轉換接電磁閥，直流電磁線圈加續流二極管保護。

8.所有控制電機及較大功率輸出點（包括遠程輸出）均輸出至中間繼電器轉換輸出。

9.要求PLC機架預留至少1個插槽留作備用。

10.繼電器在正常負荷下，壽命不低于1萬次。

11.繼電器或其它可以對異常進行保護的元件，必須保證電壓±10%波動時，可以安全操作。

12.繼電器功率消耗直流回路不大于4W，交流回路不大于5VA。

13.繼電器觸點容量：電壓不超過250V、電流不超過1A的直流有感負荷，斷開容量至少50W;電壓不超過250V、電流不超過3A的交流回路中為250VA ， 允許長期接通5A電流。

14.繼電器選用2觸頭型，帶機械和LED通斷指示，直流線圈帶續流二極管保護，交流線圈帶阻容保護。

15.中間繼電器在系統聯鎖回路中需配置強制開關，其他場合不配置強制開關。

16.熱繼電器選型原則為額定電流應大于電動機的額定電流。

17.對于照明、插座、工具用電源，電源回路需配置漏電保護器，漏電保護器的動作時間需≤0.1s，漏電流動作電流≤30mA，漏電脫扣時需有明確指示，可區分故障脫扣和正常分合閘。

18.低壓斷路器的額定電壓應不小于線路的額定電壓，額定電流不小于線路的計算負載電流，限通斷不小于線路中最大的短路電流。

19.熔斷器的最大分斷能力應大于被保護線路上的最大短路電流。

20.熔斷器為雙位置鎖定，方便導軌安裝。

21.接觸器觸頭額定電流正常應與負載的額定電流匹配，如果負載電動機啟動、制動或反轉頻繁，接觸器主觸頭的額定電流需降一級使用。

22.接觸器主觸頭的額定電壓應不小于負載的額定電壓。

23.供方應使用直流電源作為作為設備的DC24V電源。主控制柜內的通訊電、控制電應由2塊獨立的三相輸入的直流電源供電。

24.所有380V AC的變壓器和供給24V DC電的變壓器必須能承受電壓±10%的波動。

4.工作內容

根據項目要求，我們承擔以下設計、加工制作及現場安裝調試任務：

1）系統的需求了解與方案確認。

2）系統實現方案的設計與選型。

3）硬件設備的采購。

4）硬件設備（安裝防護附件）的加工制作。

5）軟件程序的設計、修改與調試。

6）現場系統聯合調試。

7）系統硬件設備現場安裝、調試、試運行。

8）提供最終系統的竣工圖及設備清單，以利于業主在系統運行后的維護和檢修，該項工作在系統投產正常運行后一個月內完成。

三、解決方案擬采用的主要技術特點和創新點，可能取得專利及知識產權分析

折方成型機將鐵皮一次折方成中空的鐵匣，可采取申請取得使用新型專利。

四、設備生產節拍及技術參數

1.退卷機退卷線速度：0～30M/min。

2.劃線機速度：0～30M/min。

3.剪斷機剪切節拍：5S/件。

4.倒角、沖孔機節拍：5S/件。

5.卷邊機卷邊節拍：5S/件。

6.折方成型機節拍：15S/件。

7.壓接機節拍：10S/件。

8.壓裝拉扣機節拍：10S/件。

9.底/蓋板沖壓機節拍：5S/件。

10.底板封板機節拍：10S/件。

11.氣密測試機節拍（雙工位）：40S/2件。

12.中間物料轉運及系統運行時間：8S。

13.綜上單件生產鐵匣節拍為28S。日生產量為1028件。

防護等級：柜內元件的防護等級為IP20及以上。控制柜、配電柜的防護等級為IP54及以上軟件設計。

軟件規范：PLC編輯軟件采用西門子博圖 V15.1，HMI編輯軟件采用西門子博圖 V15.1。

制作規范：所有線頭必須做壓接線頭，所有線號、元件號是打印機打印。

設計標準、范圍及配合（見表2）：

參考文獻

[1]陳伯時.自動控制系統.機械工業出版社，1991

[2]周德澤.電氣傳動控制系統的設計.機械工業出版社，1985

[3]閻仲亭.千噸級非晶帶材生產線自動控制及計算機管理系統.北京工業大學，2000

作者簡介：

林宇（1963.11.6 ?---） ， 男，廣西柳州，大學本科，高級實驗師，電路與系統