自動包裝設備一體化產線設計與研究

王海南，郭琎，楊國亮

（煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013）

隨著智慧煤礦的不斷推進和發展，煤礦產品的數字化和智能化轉型工作也在逐步推進。煤礦產品的封箱包裝過程一直以來因繁瑣、包裝箱種類多、包裝工序多等因素消耗了企業的人力和物力資源。包裝生產線一直是困擾生產組裝的結尾環節，產品包裝環節的速度是關系到產品入庫、發貨的一項重要因素，包裝環節的效率直接制約著產品的入庫和發貨，成為了生產效率整體提升的一項重要因素[1]。因此，研制一套可以實現自動包裝設備的一體化產線平臺是非常有必要的。

該文針對人工的包裝產線占有的勞動力人員過多，包裝盒手動折疊，手動粘貼產品標識碼、包裝產品過多、包裝盒種類繁多，而且產品的包裝效率低下，對產品的供貨周期造成了一定壓力等包裝產線的現狀問題，提出一種自動包裝設備的一體化產線平臺，該平臺可以使包裝箱實現標準化，減少包裝箱種類，為企業節約成本；自動包裝產線實現產品包裝自動折疊成型和自動封箱，節省人工和工時；實現自動掃碼、自動放置合格證以及自動封箱打印二維碼標簽，自動作業模式在提升效率的同時，使得產品的可追溯性更為有效可控，是企業探索數字化轉型的一種有效途徑[2-3]。

1 自動包裝設備一體化產線系統組成

自動包裝設備的一體化產線系統主要由自動折箱作業模塊、二維碼掃描功能識別產品信息和數據同步上傳模塊、自動傳送平臺設備單元以及自動封箱機同步打印產品包裝箱的二維碼信息的模塊以及產線主控電腦軟件平臺組成。

自動包裝設備一體化產線，實現標準化后的包裝箱自動折箱，二維碼掃碼自動上傳數據同步數據自動打印技術，二維碼掃碼后，數據上傳包裝產線主機，數據同步自動打印合格證后自動放入產品包裝箱，同步數據上傳封箱機在產品包裝產線自動封箱的同時，外包裝箱噴碼機在包裝箱上自動打印可追溯二維碼，最后貨物進入暫存區[4]。自動包裝設備一體化產線系統架構圖如圖1 所示。

圖1 自動包裝設備一體化產線系統架構

自動包裝設備一體化產線系統，采用工序流技術，利用自動傳送平臺，設計自動包裝產線工序流的自動傳送方式、自動傳送工序流時間間隔以及人機物料的配合，自動包裝設備一體化產線工序流程圖如圖2 所示[5]。折箱機將平面形的紙箱折成立體形狀，并將底面封口，紙箱傳送到人工作業區后，人工將產品裝箱和配件裝箱；掃碼槍二維碼掃描識別產品身份，將信息上傳，打印設備合格證并自動放入箱中；自動傳送到封箱工序，將包裝箱封死并能夠自動打印產品二維碼信息；包裝好貨物自動進入貨物暫存區，統一擺放后人工碼垛入庫。

圖2 自動包裝設備一體化產線工序流程圖

2 自動包裝設備一體化產線系統裝置

為了完成上述的一系列包裝工序，設計自動折箱作業模塊、二維碼掃描功能識別產品信息和自動打印合格證模塊、自動傳送平臺設備單元以及自動封箱機同步打印產品包裝箱的二維碼信息的模塊這四項主要的模塊單元，其設計充分考慮自動包裝作業、產線柔性及后續拓展[6-7]。圖3 所示為自動包裝設備一體化產線系統裝置產線圖。

圖3 自動包裝設備一體化產線系統裝置產線圖

自動包裝設備一體化產線系統裝置標準化單位現有產品的包裝箱種類，定期利用控制主機對產線異常數據進行收集，在自動產線出現異常的狀態下，產線傳送平臺設置響應機制以及應急方案；定期利用控制主機對產線異常數據的收集，來解決包裝產線工序流運行中的實際問題，以保證自動包裝設備一體化產線平臺的順利運行[8]。

自動包裝設備一體化產線系統裝置的主要特點：

1）實現多種類產品包裝箱標準化的研究，自動包裝產線標準化單位現有產品的包裝箱種類，利用主控電腦選擇包裝箱種類，調整各參數，界面通俗易懂，提升了包裝產線的可兼容性[9]。

2）自動包裝設備一體化產線系統工序流技術，利用自動傳送平臺，自動傳送平臺流水線分段運行，每段都有獨立的電機控制流水線平臺的啟停。每段自動傳送平臺的長度經過現場試驗后，得出流水線平臺長度為1 m 的方案最優，在滿足工藝需求的同時，也能夠節約能耗[10]。

3）為了有效控制發生包裝箱體碰撞造成物料損壞，同時提升產線的安全性，自動包裝設備一體化產線每段流水線平臺都增加了光電傳感器來保證包裝產線有效安全運行。

4）自動包裝設備一體化產線系統裝置提供2個FE/GE 電口，1 個RS485 接口，方便后續拓展部署使用。

5）驗證了自動包裝設備一體化產線效率有所提升，與傳統產線相比減少1 人，效率提升1.5 倍。

6）完善的故障檢測和報警功能提高了生產線的可靠性和安全性。

3 自動包裝設備一體化產線通信模塊和控制系統設計

自動包裝設備一體化產線流程：包裝箱上料后首先流入折箱機，折箱底面封口完成后，包裝箱流入二維碼掃碼機構，掃碼完成后，二維碼掃描機構通過接口線連接包裝產線主控電腦，由主控電腦界面可隨時觀測掃描的二維碼數據。當包裝箱體到達二維碼掃描位置后，流水線停止運動，主控電腦讀取二維碼掃描信息后，打印機自動打印合格證放入包裝箱，且人工放入產品和產品配件后，PLC 將會收到主控電腦的二維碼掃描完成信號，二維碼掃描完成信號傳遞到PLC 并且沒有箱體在自動噴碼位置時，兩個條件同時滿足流水線才會運動，包裝箱體被傳送到封箱機工位[11]。

當二維碼掃描信號出現異常時，操作人員可及時刪除異常信號，通過主控電腦界面可以隨時讀取二維碼掃描完成信號，包裝產線能夠有效解決包裝箱的產品信息識別。當包裝箱體進入封箱機封箱工位后，完成箱體封箱操作，然后流水線將包裝箱推入包裝箱噴碼工位，箱體噴碼工位檢測到包裝箱進入后，PLC完成請求噴碼信號并向主控電腦傳遞信號，執行噴碼操作。當PLC 向主控電腦發噴碼完成命令后，包裝產線抬升裝置執行下降命令，包裝箱流入貨物暫存工位[12]。

3.1 通信模塊

通過分析自動包裝設備一體化產線工藝流程及控制要求，建立了圖4 所示的自動包裝設備一體化產線控制系統布局圖，選用西門子S7-1200CPU1214C型號的PLC，為了實現西門子PLC 的RS485 通信功能，包裝產線的PLC 裝置增加了8 路IO 通信模塊（SM1223 數字量輸入輸出模塊）實現485 通信，通信模塊與PLC 實現IO 接線[13]。

圖4 自動包裝設備一體化產線控制系統布局圖

通信模塊通過設定輸入輸出端口來實現信號的功能，“請求碰碼”分配給輸入端口，“二維碼掃碼完成”和“噴碼完成”信號分配給輸出端口。

通信模塊通信方式設定為串行從站通信方式，與工控機通過轉換模塊進行通信。參數設置采用模塊自帶的串口調試軟件，軟件安裝到工控機[14]。

3.2 控制系統分配

控制系統CPU 采用的是西門子S7-1200CPU 1214C 的PLC，CPU 的輸入控制系統分配如表1 所示，主要由包裝產線啟停功能按鍵以及產線各工位安全光電功能運行信號組裝。

表1 西門子S7-1200CPU的IO點分配表

包裝產線啟停信號：完成包裝產線啟動運行和停止運行的作業，包裝產線的啟動初始化運行是產線后續正常運行的先決條件，根據包裝產線的初始化運行狀態，可以初步判斷產線的功能是否處于正常的運行狀態。

包裝產線異常急停信號和功能復位信號：完成包裝產線運行的完全停止功能，實現產線數據的自動復位；功能復位的實現需要依靠人工操作才能實現，保證產線設備在人工干預后的自動重啟。

二維碼掃碼、人工作業時所有電機停止信號：人工放置配件時，所有電機停止，折箱機和封箱機停止。

非掃碼人工作業信號：程序進入非二維碼掃碼模式，所有電機實現相同運行邏輯。

不噴碼信號：通過氣缸實現機械操作，實現包裝設備產線進入不噴碼模式的設定狀態，電機一直運行，不使能氣缸進行抬升動作，氣缸不會抬升。

CPU 的輸出控制系統分配同樣見表1，主要由包裝產線的初始化運行信號、產線報警信號以及流水線平臺電機控制邏輯輸出信號（實現電機的運行和停止）。

3.3 產線主控電腦軟件平臺

包裝產線主控電腦軟件平臺界面操作簡單，主要包括主控制操作界面、設備參數設定界面、產線運行監控界面以產線設備運行情況界面等。

這里主要介紹兩個常用的操作界面，設備參數設定界面實現了不同規格類型的包裝箱體之間的切換。現場人員經過培訓后，可以對界面進行操作完成各類別包裝箱體之間的切換，操作簡單易懂，使得包裝產線對技術操作人員的技能要求有依賴性[15]。包裝產線的正常運行監控界面是包裝產線運行的重要工作內容，主控電腦產線運行監控界面通過軟件實時提示包裝設備的運行狀態和設備監控數據的變化情況。

4 結論

該文介紹了自動包裝設備一體化產線的架構及組成，利用PLC 的控制系統設計自動折箱作業模塊、二維碼掃描功能識別產品信息上傳和合格證自動打印模塊、自動傳送平臺設備單元以及自動封箱和產品包裝箱的二維碼噴碼模塊，適用于多類別產品自動化包裝場景[16]。

自動包裝設備的一體化產線能夠實現穩定持續的自動化包裝作業，顯著地減少人工成本和提升了包裝效率，實現了產品包裝的掃碼、自動噴碼以及包裝箱自動折箱和封箱，有效解決了生產線包裝效率低下、容易出錯的問題，實現了產品產線自動化包裝的作業流程，讓自動包裝設備一體化產線成為智能化生產的重要環節。