異型煙全自動包裝系統設計

張 都 鄭豐茂 蘇浩業

（廣東省東莞市煙草專賣局（公司）物流配送中心，廣東 東莞 523078）

隨著經濟水平的不斷發展，日益增長的物質文化需求不斷提高，個性化需求和高品質生活追求也日趨多樣化，卷煙作為日常消費品的主力品種也不斷跟上時代潮流，銷售種類和高端煙的數量持續上升，異型煙的銷量增長尤為突出。隨著卷煙數量種類的不斷增長，導致原來標準化程度非常高的分揀模式跟不上發展的要求，煙草商業物流工藝設備特別是異型煙分揀設備需要不斷創新來適應新的發展[1～2]。近年來，行業中很多企業對異型煙自動碼垛包裝技術的研發投入均有所加大，并且取得了一些的成績，如沈陽新松公司開發了一種蜘蛛形機械手用于異型煙碼垛，機械手末端搭配吸盤機構來抓取條煙，分揀速度可達2 600條/h。胡敏[3]在異型煙碼垛機器手上應用視覺系統，并采用自由碼垛算法，分揀速率可達1 800條/h 。楊旭東等人[4]采用了機器人和人機交互技術，結合伺服控制和PLC控制等研發了一套全自動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支煙和標準煙的共線合單智能化包裝系統，實現了標準煙和細支煙組合堆垛和共線分揀。

該文針對某地物流配送中心異型煙包裝效率低、條煙差錯多和用工成本高等問題，結合實際業務需求和品牌發展需求，提出一種高效、穩定、可靠的全自動包裝系統，包裝效率可達4 800 條/h以上。

1 異型煙全自動包裝系統

1.1 混合碼垛設計

混合碼垛設計由疊層設備和鏈式撥煙裝置組成，單次碼垛的最多層數為5層，每層最多為5條，堆垛形狀要求規則整齊，疊層設備最大層數為4層，每層最多5條。鏈式撥煙機構撥煙動作頻次要求小于1 s/次，不論條煙的規格尺寸，一次性最多可撥打4條，設計效率須滿足6 000 條/h，包裝系統要設置有效防護裝置及條煙保護光電，避免造成人員意外傷害和條煙損壞，操作界面采用觸摸屏，操作簡單便捷，維護方便，具備靈活的擴展性，設備故障率小于1%，包裝差錯率小于0.1‰，損煙率小于0.1‰。

1.2 碼垛及包裝工藝流程

碼垛包裝系統由輸送裝置、鏈式撥煙裝置、平板升降機構、疊層設備、鏈板輸送機、直推機構和包裝機構等組成，如圖1所示。其中輸送裝置由輸送皮帶和機架組成，通過繼電器控制電機啟動和停止，在輸送帶尾端設置移動擋板和5個光電開關（檢測條煙到位）。鏈式撥煙裝置由伺服電機、鏈條和撥桿等組成，伺服電機由伺服驅動器控制為撥煙裝置提供動力，采用接近開關控制和判斷撥桿停留位置。平板升降機構主要由機架、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提供動力，通過鏈傳動來實現。疊層設備采用條煙自動疊層設備，主要由疊層片、側推機構和直推機構組成。鏈板輸送機主要由機架和18格鏈板組成。裹膜包裝設備主要由送膜裝置、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 包裝系統組成

圖2 包裝工藝流程

2 自動包裝系統硬件選型

根據上述全自動包裝系統的設計要求和工藝流程，該文設計開發了一種基于PLC、工控機和觸摸屏的自動包裝系統，其硬件的總體結構如圖3所示。

圖3 硬件的總體結構

該自動包裝系統硬件設備主要由PLC、工控機、觸摸屏、變頻器、信號輸入/輸出模塊（包括數字量和模擬量）、電機、繼電器和伺服驅動器等組成。上位設備包括觸摸屏和工控機，觸摸屏用于人機交互界面，包括設置包裝參數和誤差參數、手動操控設備、提示報警信息和監控條煙堆疊實時情況等；工控機用于下載客戶訂單信息、實時顯示包裝信息和查詢歷史訂單信息等。二者相結合令自動包裝系統功能完善、操作簡便。下位設備包括PLC、變頻器及伺服驅動器等，PLC既接收觸摸屏和工控機發出的信號，變頻器、伺服驅動器反饋的信號和各傳感器的信號，又向變頻器和伺服驅動器發出相關動作指令，向繼電器發出相關控制指令。

2.1 上位設備選型

上位設備的選型類別較多，各類設備的兼容性也不一致。在監控成本和實際應用需求的同時，還要考慮設備的可靠性和穩定性，同時還要兼顧操作方便和實時監控需求。綜合考慮下觸摸屏選擇的型號為威綸通TK6071IP，該屏通信采用以太網或者RS232/RS485，機身存儲容量為128 MFLASH + 64M DRAM，處理器為32位400 MHz RISC，處理速度較快；工控機使用聯想PC-20181007RKBP，其處理器采用Inter Core i3，其CPU為7100，4G運行內存。兩款設備均具備較高的可靠性和可操作性，采購成本和可替代性也較強，性能均可滿足工作要求。

2.2 下位設備選型

根據自動包裝系統的工藝流程，對PLC進行模塊化設計，主要組成為CPU模塊和信號輸入/輸出模塊，并預留了擴展可能性，若后期對系統進行擴展，只需增加相應功能模塊。為確保系統穩定運行，同時兼顧成本，要求選用處理速度高的CPU，并且設備日均可連續運轉超過12h，不然將嚴重影響物流中心異型煙分揀任務的完成，因此要求系統的PLC具備較高的可靠性和穩定性[6]，最終通過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、運行快、體積小和通信功能強等特點。

3 自動包裝系統軟件設計

異型煙全自動包裝系統在軟件設計上不僅要求能夠實現對系統各動作機構的控制，而且能夠對各設備運行情況進行實時監控，并具備異常報警功能和保護人員安全功能，同時可提供便捷的人機交互體驗。

3.1 PLC控制流程

參考包裝工藝流程編寫系統的PLC控制流程，如圖4所示。首先工控機下載客戶訂單數據，接著將待包裝數據發送給PLC，包裝啟動之后，輸送線皮帶運轉，PLC向擋板伺服電機發送信號，擋板移動到規定位置擋住條煙移動；當細支條煙到位時，疊層向上轉動依次堆疊條煙，堆疊完成后由側推將煙跺推出；檢測到側推到位時，直推機構將煙跺推送至鏈板輸送機；檢測到直推退回到位時，鏈板輸送機轉動將煙跺輸送至平板升降機構工位；檢測到平板升高到位、伸出到位，并且異型條煙到位時，鏈式撥煙機構將條煙撥至平板上；檢測到撥桿到位時，PLC收到信號后控制伺服驅動器使平板下降，到位后平板退回零位，異型煙落在細支煙跺上進行合流；檢測到平板到位時，鏈板輸送機轉動，將煙跺移動到直推機構工位；檢測到鏈板到位時，直推動作將煙跺推送至裹膜包裝裝置，完成后續包裝工序。

圖4 PLC控制流程

3.2 觸摸屏和工控機軟件設計

上位機軟件通常是操作人員進行人機交互的主界面，主要以文字或圖形的形式實時反映整個自動包裝系統的運行情況，方便采集、保存和查詢相關的數據信息，保障數據的可讀性和安全性。并且操作人員可通過點擊軟件程序里的控制按鈕來對各設備進行控制。

觸摸屏主要用于設備運行狀況的監控、訂單包裝數據的手動申請、數據清除、設備的手動操作、設備故障顯示、設備啟停等。觸摸屏包括4個界面，分別為疊層操作界面，手自動轉換、手動操作、包裝數據實時顯示。工控機的主要功能是下載客戶訂單數據、客戶訂單查詢、客戶訂單信息實時顯示和實時碼垛數據等，具體功能如圖5所示。

圖5 工控機軟件功能

4 系統運行測試

為驗證實際效果，在包裝系統安裝后，進行了設備全手動操作，訂單信息實時更新，報警功能等現場測試。統計測試結果表明，該包裝控制系統包裝差錯率≤0.005%，損煙率≤0.005%，設備故障率≤0.5%。具有良好的可靠性和穩定性，符合工業應用需求。包裝效率峰值為6 000 條/h。滿足物流配送中心的實際需求。

5 結語

從某市物流配送中心實際問題出發，分析出當前異型煙包裝效率的不足之處和實際的分揀需求，根據自動包裝系統的設計要求和工藝流程，該文基于PLC、觸摸屏和工控機設計一種異型煙全自動包裝系統，重點論述了該系統的結構原理和工藝流程。該系統實現了某市物流配送中心從異型煙手工分揀到自動包裝的跨越，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率高等問題，具有良好的穩定性和可靠性，同時也為同行業異型煙分揀包裝提供參考。