自動化物流輸送系統在造紙廠的應用

王雷博，胡 軍，丁海建

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

造紙廠生產的成品紙卷包含許多種規格，每一種規格的紙卷又有不同的質量品級，生產車間需要將不同的紙卷分門別類的輸送到相應的儲存位置或者發貨平臺，而紙卷的質量又重，采用傳統方式處理紙卷費工費時，這就需要有高度自動化、高效率的紙卷自動物流輸送系統來滿足紙廠的生產需求。

1 紙卷自動化物流輸送系統

輸送系統的組成及功能見表1。

表1 輸送系統組成及功能

生產的成品紙卷質量一般都在1 000 kg以上，這就要高度自動化的輸送系統將紙卷送至立體倉庫或者發貨平臺。由于成品紙卷規格較多，再加上同一品種的產品在質量上也有不同的檔次，因此就需要輸送系統根據不同規格檔次將紙卷自動送往指定工位，見圖1。

圖1 紙卷輸送系統流程

2 紙卷自動化物流輸送系統控制原理

2.1 輸送設備工作原理

PLC通過PROFINET控制變頻器為輸送設備提供動力，紙卷輸送過程中遮擋光電開關，PLC根據光電開關產生的上升沿、下降沿信號發出啟動、停止輸送線的命令，同時通過PROFINET通信給定變頻器速度值，速度值正負決定了輸送線運行正反方向。紙卷進入稱重輸送線時，PLC運用變頻器的恒定速度V，紙卷遮擋光電開關的時間t來計算紙卷的幅寬W，得到的數據誤差在±10 mm以內。紙卷輸送至稱重線中間位自動暫停，稱重工位的超聲波測距傳感器、稱重傳感器將紙卷的直徑D、質量Wt數據以模擬量的形式反饋給PLC，PLC將模擬量數據轉換成mm單位通過OPC通信將紙卷的幅寬W、直徑D、質量Wt數據發送給上位機IT合格證系統。IT合格證系統自動將收到的紙卷信息和紙廠生產管理系統MES的排產信息進行比較，比較無誤后生成唯一的紙卷條碼信息，同時稱重輸送線自動啟動將紙卷輸送至貼標工位。紙卷輸送過程中遮擋貼標工位光電開關后暫停，PLC通過PROFINET將幅寬W、直徑D數據發送給機械手，將條碼信息發送給打印機，機械手根據紙卷尺寸數據確認貼標位置，合格證打印完成后機械手自動吸取合格證粘貼到紙卷筒身。貼標完成后紙卷向前輸送到掃描工位，掃描槍將掃描得到的紙卷合格證條碼信息通過以太網發送給紙廠倉庫管理系統WMS，由WMS來安排紙卷去向并將去向信息發送給上位機IT系統，上位IT系統再通過OPC通信將去向信息以數字的形式發送給PLC，PLC根據紙卷去向通過轉盤來改變紙卷輸送方向。

2.2 紙卷去向一：自動立體倉庫

入庫：紙卷經過一段距離的輸送后到達自動倉庫的掃描工位，掃描槍將掃描得到的紙卷合格證條碼發送給上位機IT系統，上位機IT系統通過以太網通信將條碼信息發送給自動立體倉庫系統WCS并申請貨位，WCS獲取條碼信息后解讀出紙卷的規格、批次、品種，以此來分配紙卷相應的庫區巷道、貨位，并將分配到的巷道數據發送給上位機IT系統。上位機IT系統將巷道數據以數字形式反饋給輸送系統PLC，PLC發出指令控制相關的輸送線、轉盤將紙卷輸送到指定的移動小車工位，移動小車安裝有旋轉編碼器可以將紙卷精確的輸送到堆垛機取貨工位。PLC通過PROFINET將允許取貨信號發送給堆垛機，堆垛機啟動運行將紙卷放到申請到的貨位并將紙卷信息儲存在自動立體倉數據庫，同時堆垛機反饋輸送系統PLC取貨完成信號，移動小車返回原位等待下一個紙卷入庫指令。

出庫：自動立體倉庫如果有客戶訂單需求的紙卷規格，倉管人員可以通過WMS下發出庫任務，堆垛機從數據庫調取紙卷信息執行指令取貨放到輸送系統的移動小車上，同時給PLC發送紙卷編號、分配去向、放貨完成信號。PLC收到信號后，啟動移動小車輸送紙卷通過出庫路徑的輸送線體、轉盤將紙卷輸送到目標出庫站臺，紙卷到達出庫站臺后倉管人員用手持掃描槍掃描紙卷合格證條碼，將出庫紙卷信息反饋給WMS，同時出庫LED顯示屏顯示出庫紙卷的規格編號形成閉環。另外存在出庫后由于其他原因重新入庫的紙卷，出庫平臺有返庫專用的上紙平臺，該部分紙卷可以以此返庫經自動掃描由上位機IT系統向WCS申請入庫。

2.3 紙卷去向二：手動平面倉庫

根據客戶訂單生產的暫未裝車運輸的紙卷經輸送系統輸送至手動平面倉庫。PLC收到該去向信號后，控制轉盤轉向將紙卷通過升降機由二樓生產車間輸送至一樓手動倉庫，經過一樓的掃描工位時紙卷的合格證條碼、規格信息發送給WMS完成入庫閉環，當紙卷需要出庫時再由WMS下發出庫任務，人工開動抱車將任務單中的紙卷裝車運輸。

2.4 紙卷去向三：直發平臺

生產需要直接裝車運輸的試卷，給PLC該去向信號，PLC控制轉盤去向將紙卷通過路徑上的輸送線體輸送至直發平臺。

3 紙卷自動化物流輸送系統的人機交互

3.1 HMI 在輸送系統中的應用

傳統輸送系統的操作設備采用了大量的按鈕和指示燈，不僅要用大量的控制電纜連接按鈕和PLC，還要占用相當數量的PLC輸入輸出IO點，不利于節約成本。該紙廠輸送系統操作設備設計采用西門子HMI替代了手動操作所需要的按鈕，根據不同的輸送設備可以在HMI畫面上設計所需的按鈕、旋鈕和指示燈，并且HMI和PLC通過PROFINET進行通信只需一根網線，不僅節約了大量的控制電纜、PLC輸入輸出模塊，而且通過HMI還能讀寫系統運行相關的參數信息、報警記錄。一個HMI根據需要可以設計多個不同功能的畫面，利用HMI自帶的功能鍵F1-F8進行切換，查看相關設備的實時狀態。輸送系統操作設備見圖2，HMI顯示畫面見圖3。

圖2 輸送系統操作設備

圖3 HMI 顯示畫面

3.2 HMI 實時監控和糾錯功能的運用

稱重工位后的每個紙卷都有一一對應的條碼和規格信息，紙卷在輸送過程中PLC程序將紙卷信息進行數據移位，保證了每個輸送工位上的紙卷都能被自動識別，各個操作設備上的HMI通過PROFINET讀取PLC的紙卷信息實現紙卷輸送的實時監控。當輸送過程中出現紙卷信息缺失或者異常，PLC程序會下達當前輸送設備停止的指令并發出聲光報警信號，現場維護人員從就近的HMI查看報警記錄以及紙卷信息。如果是紙卷信息異常，維護人員可以根據紙卷實際的信息在HMI上進行修改；如果是輸送設備傳感器、變頻器或者其他方面的故障，維護人員可以切換HMI畫面查看連鎖信號以及報警指示燈來確定故障源，從而快速的獲取故障原因和糾錯辦法，實現系統的狀態可視化和控制智能化。HMI紙卷信息畫面見圖4。

圖4 紙卷信息畫面

4 結論

本文分析了自動化物流輸送系統在造紙廠的應用，該系統不僅自動化程度高，提升了生產效率，并且系統操作界面功能強大具有較強的交互性，減少了現場操作人員、設備維護人員的工作量。另外，輸送系統多個接口都有PLC和IT的數據交互，使IT技術從辦公環境走向了工業環境，實現了生產輸送調度統一，完全滿足了用戶的控制要求，具有廣闊的市場前景。