化學品包裝用鐵桶自動清雜設備設計與研究

摘" 要：該文先分析當前化學品包裝用鐵桶生產過程中，部分內桶存在雜質，通過人工對內桶進行清雜的方式引出鐵桶生產線生產效率低且生產成本增加等問題，提出通過研制與開發化學品包裝用鐵桶自動清雜設備以解決內桶清雜問題和生產效率低的方法，并介紹該方法具體的系統總體設計思路、系統機械結構設計、電氣控制設計和具體的內桶清雜過程。最后分析該設計的有益效果，經過該設計對生產線的改進，不僅節省化學品包裝用鐵桶生產過程人力資源成本，提高生產安全率，還保證產品的生產質量，一定意義上實現生產現場的“無人化”。

關鍵詞：自動清雜設備;鐵桶清雜;化學品包裝用鐵桶;機械結構;電氣控制

中圖分類號：TB486" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0128-04

Abstract： This paper first analyzes that there are impurities in some of the inner drums in the current production process of iron buckets for chemical packaging， which leads to the problems of low production efficiency and increased production cost of the iron drum production line by manually cleaning the inner buckets. This paper puts forward a method to solve the problem of cleaning impurities and low production efficiency by developing and developing automatic cleaning equipment for iron buckets for chemical packaging. It also introduces the specific overall design idea of the system， the mechanical structure design of the system， the electrical control design and the specific cleaning process of the inner barrel， and finally analyzes the beneficial effect of this design. Through the improvement of the production line， it not only saves the human resource cost in the production process of iron drum for chemical packaging， improves the production safety rate， but also ensures the production quality of the product. In a certain sense， it also realizes the \"unmanned mode\" of the production site.

Keywords： automatic cleaning equipment; iron drum cleaning; iron drum for chemical packaging; mechanical structure; electrical control

化學品包裝用鐵桶生產車間中，鐵桶焊接好后，由于焊渣掉落等原因，鐵桶內壁可能存在焊渣、鐵屑等雜質，若不經過清理便封口進入下一個制造流程進行原材料充裝，可能會造成原材料被污染的不良后果。以前大中型企業常采用噴淋清洗的方式對鐵桶進行全面清洗，排除桶內外可能存在的雜質。近年來，隨著國家對企業污水等排放限制度的加大，噴淋清洗已經逐步被禁用，致使一些仍在使用舊一代（不帶清洗功能）鐵桶生產設備的小企業不得不采用人工方式對化工鐵桶內壁進行清雜工作。采用人工清雜的方式，不僅增加了人工使用量和使用成本，人工的加入限制了生產線的生產速度，而且人工長時間作業出現疲勞后還會造成清雜工作質量下降、鐵桶生產總體工作效率降低等一系列問題。

1" 系統總體設計思路

為了解決上述所遇到的問題，提高化學品包裝用鐵桶的生產效率和產品品質，在不更換原生產線的基礎上，需對鐵桶生產流水線進行升級改造，增加可對鐵桶內壁進行清雜作業的設備，代替人工對鐵桶內壁進行清雜工作。總體設計思路：首先將鐵桶生產線上已經焊接好的鐵桶從生產線上支起，使之脫離生產流水線，再將內桶清雜裝置伸入桶中，采用類似人工擦拭的方式對內桶進行清掃，同時使鐵桶以一定轉速滾動，確保鐵桶內壁各面都得到全面的清掃除雜。

為完成上述設計，將自動清雜設備設計成由基礎支架、鐵桶位置檢測傳感器、鐵桶升起及滾動裝置、內桶清雜裝置和系統運行控制柜5部分組成。其中，基礎支架用于支撐整個裝置，采用鋼制材料焊接，底部設置有安裝固定孔，直接固定在地面上。鐵桶位置檢測傳感器位于基礎支架末端靠近鐵桶生產線的某個位置，用于檢測鐵桶是否到達指定工作位置。鐵桶升起及滾動裝置位于基礎支架頂端，可沿基礎支架邊沿的縱向活動柱做縱向移動。內桶清雜裝置位于鐵桶升起及滾動裝置頂端，可沿鐵桶升起及滾動裝置的橫向滑動軸做橫向移動。本設計系統總體方框圖如圖1所示。

將本設計設備嫁接入原化學品包裝用鐵桶生產流水線后，系統的工作過程如下：當鐵桶位置檢測傳感器檢測到鐵桶隨生產流水線移動到本設計傳感器上方時，鐵桶升起及滾動裝置將鐵桶升起，使鐵桶脫離生產流水線，并由升起裝置底部的滾動輪驅動鐵桶以一定的速度滾動;同時，內桶清雜裝置伸入鐵桶內部，帶動旋轉清掃裝置以一定的速度旋轉，對鐵桶內壁進行清掃，以達到去除內桶雜質的目的，保證內桶干凈無塵。

2" 自動清雜設備機械結構設計

根據總體設計思路的構想，對鐵桶生產線上的鐵桶內壁進行清雜除塵作業主要涉及2個功能問題：一是使鐵桶脫離原生產流水線并使鐵桶以一定轉速滾動，二是對鐵桶內壁進行清雜除塵。因此，本設計的機械結構主要由鐵桶升起及滾動裝置和內桶清雜裝置兩大功能結構組成，通過這兩大機械結構相互間的協調作業完成生產線上鐵桶的內壁清雜工作，具體的機械結構設計如圖2所示。

2.1 鐵桶升起及滾動裝置

鐵桶升起及滾動裝置主要包括外框支架、升起氣缸、升起傳動裝置、縱向活動柱、鐵桶滾動驅動電機、傳動齒輪組和滾動傳動輪7部件。其中，外框支架為本裝置各部件的固定支架，采用鋼制材料焊接而成，用于固定和支撐鐵桶升起及滾動裝置中各個部件;升起氣缸固定在基礎支架內底部，其中，升起氣缸的缸體與基礎支架固定安裝，其輸出軸與升起傳動裝置相連接，將推拉力傳給升起傳動裝置;升起傳動裝置由一個直角機械部件及連桿組成，主要將升起氣缸提供的推拉力轉換成升降力，驅動鐵桶升起及滾動裝置使之沿基礎支架上的縱向活動柱做升降運動，從而使外框支架末端的滾動傳動輪支起鐵桶，使之脫離生產線的流動束縛;鐵桶滾動驅動電機為一個減速電機，固定在鐵桶升起及滾動裝置外框支架的一個指定位置上，其輸出軸通過傳動齒輪組將轉動動力傳至滾動傳動輪，當鐵桶被支起后，由滾動傳動輪帶動鐵桶滾動，以便內桶清雜裝置完成鐵桶內壁的全面清掃工作。

2.2" 內桶清雜裝置

內桶清雜裝置主要包括清雜裝置外框支架、橫向滑動軸、清雜推拉氣缸、清掃裝置支架、清掃電機和旋轉清掃裝置6部件。其中，橫向滑動軸由左右2根組成，分別固定在清雜裝置外框支架內兩側，2根滑動軸上固定安裝有可沿滑動軸滑動的滑板，滑板上設置有清掃裝置支架安裝孔，滑板下連接清雜推拉氣缸的伸縮桿，當清雜推拉氣缸工作時，帶動滑板和清掃裝置支架沿滑動軸做橫向移動;旋轉清掃裝置固定安裝于清掃裝置支架的末端，與清掃電機的輸出軸連接，當清掃電機啟動后，旋轉清掃裝置旋轉，以旋轉清掃的方式完成鐵桶內部的清雜工作。

這樣，在鐵桶升起及滾動裝置和內桶清雜裝置的相互協調下，完成了鐵桶在生產線中被升起、滾動、清雜和放回原生產線的一系列過程。

3" 電氣控制設計

本設計的電氣控制部分主要由電路控制系統和系統運行狀態監測系統2部分組成。

3.1 電路控制系統

為了提高系統的抗干擾能力，保證裝置工作的穩定性，本設計采用一塊西門子S7-1200可編程器件作為系統的控制核心。SIMATIC S7-1200是西門子公司新推出的一款可編程邏輯控制器，主要面向簡單而高精度的自動化任務。其集成了PROFINET 接口，采用模塊化設計并具備強大的工藝功能，適用于多種場合，滿足不同的自動化控制需求。SIMATIC S7-1200控制器具有模塊化、結構緊湊、功能全面等特點，適用于多種應用領城，能夠保障現有投資的長期安全。控制器具有可擴展的靈話設計，擁有符合工業通信最高標準的通信接口及全面的集成工藝功能，可以作為一個組件集成在完整的綜合自動化解決方案中。

為了進一步降低系統工作過程中的電氣干擾，本設計采用繼電器輸出型PLC作為主控模塊，其型號為1211C DC/DC/Rly，該PLC采用24 V電壓供電，具有6個輸入，4個繼電器輸出，其IO分配見表1。

I0.0連接啟動按鈕，當啟動按鈕被按下時，該位被置1;I0.1連接鐵桶位置檢測傳感器，當檢測到有鐵桶經過時，該位被置1;I0.2和I0.3分別連接升起氣缸的推出傳感器和縮回傳感器;I0.4和I0.5分別連接清雜氣缸的推出傳感器和縮回傳感器，當氣缸推出或縮回時，相應的位被置1;Q0.0連接升起氣缸的推出電磁閥，當該位被置1時，推出電磁閥工作，升起氣缸推出，當該位被清0時，推出電磁閥停止工作，升起氣缸縮回;Q0.1連接鐵桶滾動驅動電機的運行繼電器，當該位被置1時，繼電器工作，鐵桶滾動驅動電機得電轉動，當該位被清0時，鐵桶滾動驅動電機失電停止轉動;Q0.2連接清掃電機的運行繼電器，當該位被置1時，繼電器工作，清掃電機得電轉動，當該位被清0時，清掃電機失電停止轉動;Q0.3連接綠色運行指示燈，當該位被置1時，指示燈亮，當該位被清0時，指示燈滅。

3.2 系統運行狀態監測系統

為了修改和查閱系統的各項參數，同時監視系統的運行狀態，本設計采用一塊西門子觸摸屏作為系統運行狀態顯示屏。西門子觸摸屏又稱西門子操作面板，簡稱西門子HMI。西門子HMI具有10.16～30.48 cm可調背光熒屏顯示，6.5萬色高分辨率，觸摸操作與可任意組態的按鍵均支持各種組合操作，可通過USB連接進行項目傳輸，支持PROFIBUS或PROFINET通信。其面板接口有PROFIBUS/MPI接口、PROFINET/以太網接口、主USB接口、Mini USB接口和音頻接口，共5種。

本設計中采用的西門子HMI采用24 V供電，其型號為6AV2123-2DB03-0AX0，采用PROFIBUS接口與PLC進行通信，通過一根網線將兩者連接。為了便于操作與監視系統的工作狀態，系統設計了系統操作和系統運行監視2個組態界面。系統操作界面主要由啟動鍵、系統運行速度設定、運行時間設定等參數設定功能鍵組成，主要用于對系統的啟停控制和運行速度等參數的設置;系統運行監視界面主要由系統運行狀態顯示、升起氣缸工作位置狀態顯示、鐵桶滾動驅動電機和清掃電機運行速度顯示、系統工作工件累計數顯示和系統運行時間顯示等狀態內容，通過這些顯示內容可查看整個系統各環節的工作情況，了解系統工作狀態。

本系統的軟件控制工作流程如下：當系統上電后，HMI首先進入開機自檢界面，系統對各部件的傳感器、電機、氣缸等器件的工作情況進行自檢，當各器件都能正常工作后，自檢功能通過，HMI停留在系統操作界面上，等待操作人員啟動系統;當操作人員按下啟動鍵后，系統按照清雜程序設定的順序依次啟動氣缸和電機等相應的執行部件，設備根據設定參數對鐵桶內壁進行清雜工作狀態，同時，HMI界面跳轉到系統運行監視界面，顯示系統各環節的工作狀態和運行數據。在系統運行過程中，操作人員可在系統運行監視界面中點擊“返回”鍵返回系統操作界面，以便對系統的相關參數進行操作和設置。

4" 有益效果

本設計針對化學品包裝用鐵桶生產設備中存在的問題，提出了在不改動原有生產設備的基礎上，設計一款化學品包裝用鐵桶自動清雜設備，嫁接入原生產設備流水線，替代人工完成內桶清雜作業的解決方案，具有以下多個優點。

1）本裝置可直接嫁接到原生產設備的生產流水線上，無須更換原舊設備，為企業節省了因購置新設備而投入的巨額生產成本。

2）節省人力資源成本。按現在每條生產線2名工人從事清雜作業的標準配備，4條生產線則要配備8名工人，以平均月工資及福利為4 500元/人、伙食補助約200元/人進行計算，該工段一年的直接人工費約為451 200元（未包含工人的其他事項開支）;若采用本項目研發設備，設備運行功率約5 kW，運行時間8 h/d，電費為1.2元/度，則4臺設備一年設備運行的電費約為70 272元;每月定期保養1次，每次約1 000元/臺，則4臺設備一年的保養費用約為48 000元，則該工段由自動化設備運行所產生的總費用約為118 272元，與雇傭工作進行作業相比，直接人工費少了332 928元，極大地降低了生產成本。

3）提高生產安全率。采用本設計研發的設備對鐵桶內進行清雜作業，從某種意義上實現了一定的“無人化”生產，避免人工生產可能出現的安全事故，提高了產品生產過程的安全性。

4）保證產品質量。設備運轉全按設定好的程序運行，每個清雜步驟、每個清潔動作均與上個產品一致，保證了產品質量維持在最優指標附近，因此產品生產的經濟效益得到有效保證，產品質量得到保證。

5）生產現場無人化。采用本設計的設備進行清雜工作后，生產線省去了原有的人工清雜作業，生產線從鐵皮材料入口到鐵桶桶壁的形成，全程除了人工啟動設備外，生產過程不涉及人工直接作業，使得老舊設備也能實現“無人化”生產。

5" 結束語

綜上，本化學品包裝用鐵桶自動清雜設備以西門子PLC作為系統控制核心，以西門子HMI作為與PLC通信和控制的橋梁，同時顯示系統的運行狀態，將研制出的設備嫁接入原鐵桶生產流水線，代替人工對化學品包裝用鐵桶進行內桶清雜作業，不僅節省了人力資源，降低了生產成本，提高了產品生產的安全率，還保證了產品的生產質量，在一定意義上實現了生產現場的“無人化”。

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