水泥包裝自動套袋裝置控制系統的設計

魏志豪，吳楨芬，張亮，章小建

水泥包裝自動套袋裝置控制系統的設計

魏志豪1，吳楨芬1，張亮2，章小建2

（1.昆明理工大學，昆明 650000；2.常州先進制造技術研究所，江蘇 常州 213000）

為了提升水泥袋裝過程的自動化水平，減少長期以來對人工套袋的過度依賴。在現有的回轉式水泥包裝機技術基礎上，設計一款與之相適應的自動套袋控制系統。對套袋裝置的結構原理進行簡要闡述，同時明確控制系統的設計要點，決定采取以“HMI+PLC”的分層控制結構，在硬件選型的基礎上，又對控制程序和組態界面進行了開發。經過現場實驗驗證，文中所設計的控制系統操作簡便、可靠穩定、易于維護，在粉塵濃度較大的環境中運行良好，有效實現了供袋、取袋、開袋以及套袋等工序流程的自動化控制，套袋速度接近1 500袋/h，且套袋成功率達到98%。系統通過觸摸屏界面完成遠程操控，將套袋工人從惡劣的粉塵環境中解放出來，為自動套袋技術難題攻關提供了可參考方案，提升了水泥生產行業的自動化水平，具有廣闊的應用前景。

水泥包裝；套袋裝置；控制系統；PLC；觸摸屏；運行分析

隨著科學技術的快速發展，以自動控制、人工智能、計算機網絡為代表的信息技術在工業生產領域得到了迅猛的應用[1]。尤其近年來，隨著“工業4.0”概念的提出以及“中國制造2025”戰略綱要的深入推進，我國加快了傳統制造行業向智能制造行業的轉型，逐步將高度依賴人力資源的傳統生產方式升級為以信息技術為牽引的智能生產方式。解放勞動力、裝備智能化改造以及生產管理方式變革已經成為當今制造業發展的趨勢[2-3]。在包裝器械領域，為了提高包裝效率以及日漸多元化的產品包裝需求，傳統自動包裝機械正在朝著信息化和智能化的方向發展，智能包裝融合了電子信息、控制理論、工業機器人等先進制造技術，隨著與日俱增的包裝需求，智能包裝在衣、食、住、行等各領域發揮著越來越顯著的作用[4-6]。

水泥包裝是水泥生產過程的重要一環，主要依靠水泥包裝機來完成，而回轉式水泥包裝機作為當前主流的水泥包裝設備，在很多水泥生產企業中得到了廣泛的應用。回轉式水泥包裝機一般具有多個料嘴，這些料嘴呈均勻分布狀，當閥口袋被插在料嘴上后，經過傳感器、電磁閥、稱重儀等相關器件的工作配合，即可完成對粉狀水泥的自動灌料功能，然而，與其相適應的自動套袋技術卻沒有得到協同式發展。在國內，大部分水泥企業還在依靠人工套袋方式[7-8]，這種人工方式效率較低，不僅嚴重影響了生產能力，而且套袋工作本身勞累乏味、重復單調，加之工作環境粉塵彌漫，長此以往，對工人的身心健康將會造成嚴重的損害[9-10]。為此，文中基于上述現狀開發了自動套袋裝置控制系統，根據該裝置的工作特性，將控制系統設計為上下層級控制結構：現場工控層以PLC為核心，同時搭載執行器件和傳感器件，負責收集設備狀態、袋口位置等信息，經內部程序的處理和運算，輸出對應的控制指令驅動相關機構的動作執行；監控管理層通過觸摸屏上的組態界面來遠程監控套袋裝置的運行狀態、實時顯示報警信息以及對套袋數量等進行統計，工作人員通過HMI也可對設備進行在線調試和操作維護[11]。該控制系統的應用能夠大幅提升水泥包裝作業的自動化水平，擺脫對人工套袋的依賴，符合現代化制造業高效、環保、智能的生產管理要求。

1 自動套袋裝置的工作流程和主要結構介紹

1.1 工作流程

根據工序先后，自動套袋裝置被劃分為4組工作單元，各組工作單元有序銜接，分別為：閥口袋供應單元、閥口袋儲存單元、閥口袋抓取單元和閥口袋套袋單元，其工作流程見圖1。

1.2 主要結構

自動套袋裝置的結構見圖2，主要包含供袋機構、移袋機構、儲袋機構、取袋機構和套袋機構等。

1）供袋機構。供袋盤經由旋轉氣缸的驅動，可實現180°的往返擺動，當供袋盤擺動到0°時，處于上袋工位，此時可放置批量閥口袋，接近開關檢測到袋已放置后，供袋盤擺動到180°位置，此時到達移袋工位，等待移袋機構動作。

2）移袋機構。閥口袋被送達移袋工位后，移袋推桿隨著提升氣缸升出，并從供袋盤上的槽體穿出，緊接著，移袋氣缸也隨之水平伸出，移袋推桿經由移袋氣缸的推動下進行水平位移，從而將閥口袋推送至主袋庫盤上方。

3）儲袋機構。該機構包含2個袋庫盤，兩者一主一副，交替進行工作。當閥口袋被送至主袋庫盤，提升氣缸立即向上伸出，帶動主袋庫盤升至取袋工位，此時，激活取袋機構工作，隨著閥口袋越來越少，當減少至設定的閾值，伺服氣缸開始向上伸出，其作用是補償主袋庫盤上因袋量不足而導致的袋位下降，至伺服氣缸完全伸出后，副盤移動氣缸也隨之伸出，副盤接替主盤托舉剩余的閥口袋，主盤下降至原來位置，等待接收新一批閥口袋到來。當副盤上的閥口袋也被取完，副盤縮回至初始位置，等待下一次的接替工作。

3）取袋機構。取袋機構用來吸取儲袋機構中的閥口袋，由于閥口袋的袋身特性，當袋口側被拽拉時，形變和重力作用會導致袋口自動張開，因此取袋機構也兼具開袋的功能。后吸盤與后取袋氣缸剛性連接，前吸盤與前取袋氣缸經四桿機構相連接。當閥口袋處在取袋工位時，閥口袋的袋口和袋尾兩端分別被前后吸盤吸附，待吸附穩定后，前后氣缸又同時動作使袋體被吸附提升，前吸盤由于四桿機構的空間變換，使其與被吸取的閥口袋呈垂懸狀態，等待套袋機構來取。

圖1 自動套袋裝置的工作流程

1.供袋機構；2.移袋機構；3.儲袋機構；4.取袋機構；5.套袋機構。

4）套袋機構。該機構主要包含機械手和轉運機械臂，轉運機械臂的動力來源于伺服電機，它的空間結構為典型的平行四桿機構，機械手連接在機械臂末端軸上，平行四桿機構的桿長比決定了機械手的空間運動軌跡。在初始狀態，機械臂擺動到取袋工位，機械手放松，當取袋動作完成后，機械手夾緊，閥口袋被夾取并保持，等到料嘴到達后，轉運機械臂向套袋工位處擺動，直到擺動至預定位置，機械手和料嘴在運動軌跡上處于相互嚙合狀態，兩者同步保持旋轉運動的同時，袋口也會沿著料嘴做直線套入運動，最終使袋口穩穩套在料嘴上。

2 自動套袋裝置控制系統設計要求

自動套袋裝置包含多組工位，工作流程復雜，運行環境惡劣，文中從機器工作特性和工程實際需求的角度，對控制系統制定了如下幾點要求。

1）各工作單元能夠協調控制，既要避免各機構間產生空間干涉，又要使供袋、移袋、儲袋、移袋、取袋、套袋等動作連續穩定地執行。

2）動態響應性能好，能夠根據各路傳感器信號，實時做出判斷并予以反饋。

3）裝置的工作地點為水泥包裝車間，現場粉塵濃度較大，在硬件設計時考慮粉塵環境對硬件電路的影響，選取的電氣元件要具備防爆、防腐蝕和抗干擾性能，從而保證設備安全運行。

4）控制電路須接入空氣開關、熱繼電器、電壓繼電器等低壓保護電器，設置必要的電氣互鎖和聯鎖電路，增設急停按鈕，完善報警系統的設計，確保機器的安全運行。

5）配置良好的人機界面和簡易的操作指南，便于相關人員進行操作、監控和維護。

3 控制系統硬件設計

自動套袋裝置的工作流程復雜，傳統繼電器控制難以滿足設計要求，故系統采用“PLC+HMI”的層級控制結構，見圖3，控制系統硬件包括PLC、觸摸屏、傳感器、氣缸組合系統、伺服驅動系統等。該系統以PLC為核心，一方面收集來自傳感器件檢測到的料嘴位置、氣缸行程、閥口袋放置等設備狀態信息，另一方面按照內部已經編寫程序來實時控制各執行機構動作[12]。搭載在觸摸屏上的人機界面不但可以實時監測設備運行參數，而且能夠實時記錄和顯示報警情況，對統計的套袋數量進行查看，通過人機界面也可以設定套袋任務，并根據現場需要切換手、自動控制模式，以便對裝置進行維護和調試等操作。

3.1 PLC選型與I/O分配

PLC是專門為工業控制系統而設計的數字電子設備，內部集成有中央處理器、存儲器、輸入接口單元、輸出接口單元等，能夠滿足邏輯判斷、算數運算、定時、計數等多種控制功能。文中選用S7–200 SMART PLC作為主控制器，該型號控制器不但繼承了西門子S7–200 PLC運行速度快、簡易實用、性價比高等特點，而且在模塊擴展、通信接口、運動控制等方面均具有顯著的優勢[13]。

通過對裝置工作流程進行分析，文中統計出控制系統共需約26個輸入點和25個輸出點。主控制器模塊CPU ST40自身具備24個輸入端子，18個輸出端子，因此，系統還需擴展一組EMDT32模塊，該模塊擁有16個輸入端子和16個輸出端子，可以充分滿足系統需求，并能為后期的擴展提供充足裕量，控制系統I/O端子分配見表1，PLC主控制器模塊接線示意圖見圖4。

圖3 自動套袋裝置控制系統硬件框圖

表1 自動套袋裝置控制系統I/O端子分配

Tab.1 I/O distribution of automatic bagging device control system

圖4 PLC主模塊接線示意圖

3.2 觸摸屏選型

觸摸屏被作為該裝置的HMI，能夠通過以太網端口與PLC建立通信連接，實現對設備運行狀態、故障報警、套袋數量等信息的在線監控。考慮實用性強、成本低等因素，文中選用昆侖通泰TPC 1061系列觸摸屏為組態硬件。該系列觸摸屏具備128 M超大內存，支持多種通信方式連接，采用DC 24 V直流供電，抗干擾能力達到工業Ⅲ級。通過MCGS嵌入版組態軟件可以對該款觸摸屏的功能界面進行自定義開發。

4 控制系統軟件設計

實現自動套袋裝置的穩定運行，除了要完成硬件系統的搭建，還要對軟件系統進行設計。軟件系統的開發和設計在很大程度上決定了裝置的工作性能，以及運行過程中的自動化和智能化水平。

4.1 PLC程序設計

PLC程序是基于STEP–7軟件來進行編寫，程序語言選用梯形圖（LAD），梯形圖是基于圖形化特點的編程語言，簡單易讀，編寫難度低[14]。文中依照模塊化思路對自動套袋裝置的PLC程序進行了設計和編寫，主程序流程見圖5，主程序由手動控制程序、自動控制程序、報警模塊程序和統計模塊程序等組成。在自動控制程序中，根據工作單元的組成，將其切分為供袋子程序、儲袋子程序、取袋子程序和套袋子程序。

手動運行用于對機器的調試和維護，機器在手動運行模式下，相關人員可直接對設備機構進行操控，手動檢測電磁閥的通斷狀態、整定氣缸行程、確定機械臂擺動角大小等。另外，通過手動調試也能夠排查傳感器件的檢測狀況是否正常，通過校準傳感器件參數和調整傳感器件位置，從而達到最佳工作性能，為自動套袋裝置的運行提供切實保障。

圖5 控制系統主程序流程

自動運行用于機器正常工作，當機器切換為自動運行模式時，按下啟動按鈕，首先會判斷各工作機構是否處于初始狀態，若非初始狀態，全體機構復位。待供袋機構被放置閥口袋后，控制系統依次調用供袋、儲袋、取袋和套袋子程序，各子程序流程見圖6。在自動運行的過程中，管理人員可隨時對系統進行暫停、停止，以及參數設置等操作，從而滿足包裝生產的需要。

圖6 各子程序流程

4.2 HMI軟件開發

HMI以組態界面的形式將工作流程和系統狀態可視化，起到遠程監控和人機交互的作用。文中選用的是昆侖通泰TPC1061系列觸摸屏，該款觸摸屏采用MCGS專業版組態軟件進行界面開發，根據套袋裝置的工作流程和控制系統監控要求，HMI主要完成以下功能。

1）選擇運行模式。系統設置有手動運行模式和自動運行模式，操作人員根據具體工作需要，在HMI上可以靈活的選擇和切換。

2）工作循環次數設置。一次工作循環是完成一組閥口袋的套袋作業，根據生產任務需求，在HMI上可設定套袋組數，即工作循環總次數。

3）水泥套袋量統計。為了方便查驗已完成的套袋數量和預定工作任務的完成情況，HMI支持設備工作時長、套袋統計的實時數量、累計數量等數據查詢。

4）套袋速度設置。套袋速度支持低、中、高三級檔位設置，在觸摸屏上點擊設置后，包裝機旋轉速度也會隨之改變，從而適應套袋速度的變化。

5）報警功能。HMI設計有完善的報警界面，當系統發生電氣故障或者沒有按照預設程序動作時，控制系統將報警，報警信息實時顯示在HMI上，并同步保存在數據庫中，以便工作人員查詢。

自動套袋裝置的組態界面主要包含初始、登錄、自動運行、手動運行、參數整定、報警等界面，部分人機界面見圖7，其中，登錄界面用于驗證管理人員身份；初始界面為該系統首頁，用于選擇主要控制功能；手動運行界面用于手動調試和檢修維護；自動運行界面用于監控和管理設備的生產和運行情況。

5 現場實驗驗證分析

5.1 系統調試

自動套袋裝置在完成機械組裝和電控設計后進入系統調試階段。系統調試的目的是為了繼續發現問題、解決問題、排除安全隱患、優化設計方案等[15]。通過點動控制來檢驗氣動電磁閥的電氣執行狀況；通過調節磁性開關位置來整定氣缸的擺動或伸縮范圍；通過適當調節光電開關與接近開關的靈敏度，防止動作誤觸的發生。在調試PLC程序時，首先要按照順序對每個工作單元進行單獨調試，在保證各個工作單元運行穩定的前提下，進行整體聯動調試，其目的是保證系統的聯動性和協調性，例如單元間的順序銜接控制，包裝機旋轉速度與機械臂擺動速度相協調控制等。此外，著重查驗PLC與觸摸屏的通訊情況是否良好；通過模擬意外情況的發生，檢驗報警系統是否運行正常。總而言之，在保證系統安全的前提下，根據設備的運行情況，不斷來調整控制參數和程序結構，按照上述步驟反復單獨調試和聯動調試，直到控制系統達到整體穩定運行狀態。

5.2 運行分析

目前，該系統已經投入實際運用，經過現場驗證，系統操作簡便，易于維護，具有較高的穩定性能，與現有的主流式回轉式水泥包裝機相適應，在粉塵濃度較大的環境中，仍然具備優良的通訊性能，傳感器監測功能良好，各工作單元能夠對程序指令進行準確執行。經測試，系統監控能力正常，對套袋數量能夠進行精確統計，對設備故障等突發情況也能及時響應報警信息。

表2所統計的數據是該系統在現場的運行情況：共計套袋5萬余次，成功率達到98%，平均套袋速度接近1 500袋/h。值得注意的是，該裝置對閥口袋的材質要求較為嚴格，運行前2周，用以包裝水泥的閥口袋多為塑編材質，由于塑編袋褶皺和柔軟的原因，裝置在取袋過程和開袋過程中易脫落掉地，因此成功率偏低，耗時偏長。從第3周后，采用全新的牛皮紙材質閥口袋進行包裝實驗，統計發現其套袋速度和套袋成功率得到了顯著提升。

圖7 人機界面

表2 套袋裝置運行情況統計

Tab.2 Operation statistics of bagging device

6 結語

文中設計的基于PLC控制的水泥包裝自動套袋裝置，在高粉塵工作環境中能夠可靠運行。系統采用“HMI+PLC”的分層控制結構，與繼電器控制電路相比，具有維護和擴展方便，抗干擾能力強等優點。通過觸摸屏組態界面，能夠實現人機交互功能，便于監控、調試以及設備狀態的可視化。該系統實現了供袋、移袋、取袋、開袋、精準套袋等連續自動化控制，提高了水泥包裝自動化程度和包裝效率，為水泥企業節約了大量勞動力，為水泥自動化套袋方案提供了可靠的技術支撐，具有良好的應用推廣價值。

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Design of Automatic Bagging Device Control System for Cement Packaging

WEI Zhi-hao1, WU Zhen-fen1, ZHANG Liang2, ZHANG Xiao-jian2

(1. Kunming University of Science and Technology, Kunming 650000, China; 2. Changzhou Institute of Advanced Manufacturing Technology, Jiangsu Changzhou 213000, China)

In order to improve the automation level of cement bagging process and reduce the excessive dependence on manual bagging for a long time, an automatic bagging control system is designed based on the existing rotary cement packaging machine technology. This paper briefly expounds the structural principle of bagging device, defines the design key points of control system, and decides to adopt the hierarchical control structure of "HMI + PLC". On the basis of hardware selection, the control program and configuration interface are developed. The field experiment shows that the control system mentioned in this paper is simple, reliable, stable and easy to maintain. It runs well in the environment with high dust concentration, which can effectively realize the automatic control of bag supply, bag taking, bag opening and bag bagging. The bagging speed is close to 1 500 bags/h, and the success rate of bag bagging is 98%. The system completes the remote control through the touch screen interface, liberates the bagging workers from the harsh dust environment, provides a reference scheme for tackling the technical problems of automatic bagging, improves the automation level of cement production industry, and has broad application prospects.

cement packaging, bagging device, control system, PLC, touch screen, operation analysis

TB486+.3；TP23

A

1001-3563(2022)11-0236-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.11.031

2021–10–19

魏志豪（1995—），男，昆明理工大學碩士生，主攻機電一體化研究和設計。

章小建（1985—），男，高級工程師，主要研究方向為智能制造和工業機器人等。

責任編輯：曾鈺嬋