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1引言
水泥作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的基本原料，是國家經(jīng)濟建設(shè)的重要生產(chǎn)資料。我國是水泥生產(chǎn)大國，目前水泥產(chǎn)量已超過全球總量的60%。水泥包裝是水泥生產(chǎn)線上重要環(huán)節(jié),主要完成取袋、張袋、送袋、裝料、封口、放袋等功能,快速性與可靠性是衡量一包裝系統(tǒng)優(yōu)劣的重要標(biāo)志。隨著機械化、自動化與信息化快速發(fā)展,節(jié)能環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展成為當(dāng)今共識,這對水泥包裝行業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)。目前，許多小型水泥工廠迫切需要完成水泥包裝線的機械化與自動化，減少裝料粉塵與操作人員，提高包裝效率，降低成本，增強競爭力。工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多自由度的機器裝置，主要由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，一般具有(3-6)個運動自由度，可依靠自身動力和控制能力按程序自動執(zhí)行工作，與不同的夾具配合可實現(xiàn)各種功能，廣泛運用于涂膠、焊接、搬運等領(lǐng)域，對提高工業(yè)自動化與柔性,實現(xiàn)無人工廠具有重要意義。實驗室與江蘇南京某包裝機械公司聯(lián)合研制了一種基于工業(yè)機器人的水泥包裝系統(tǒng)，主要用于閥口袋水泥包裝，實現(xiàn)了包裝系統(tǒng)的自動化與實時監(jiān)測,提高了包裝效率與可靠性，工業(yè)機器人的引進極大地提高了水泥包裝系統(tǒng)的柔性。以S7-200為控制器四，結(jié)合組態(tài)王件詳細完成了新型水泥包裝線控制系統(tǒng)佝的開發(fā)。
2柔性水泥包裝系統(tǒng)的組成
柔性水泥包裝系統(tǒng)的四大組成部分，如圖1所示。主要包括伺服電機、袋庫機架、送袋機構(gòu)、張袋機構(gòu)、夾袋機構(gòu)1、工業(yè)機器人、料倉、夾袋機構(gòu)2、輸送機構(gòu)和若干傳感器，其中傳感器包括光電開關(guān)、接近開關(guān)、磁性開關(guān)、粉塵濃度傳感器、料位檢測儀等。包裝工藝流程為：送袋機構(gòu)從袋庫取出閥口袋并送至張袋機構(gòu),張袋機構(gòu)張開閥口袋，工業(yè)機器人利用夾袋機構(gòu)1取袋并保持閥口張開狀態(tài)，送至閥形出料口，夾袋機構(gòu)2夾緊固定袋子，料倉放料,裝料完成后自動封口，最后被輸送機構(gòu)送至指定位置。工業(yè)化生產(chǎn)中，采用單一工業(yè)機器人配合多個閥形出料口協(xié)同工作，實現(xiàn)并行包裝，可提高包裝效率。

根據(jù)水泥包裝的工藝流程，釆用模塊化方法完成控制系統(tǒng)的設(shè)計，主要包括:張袋機構(gòu)的循環(huán)供袋控制、工業(yè)機器人控制、裝料控制和輸送機構(gòu)控制。包裝過程中會產(chǎn)生一定量的粉塵，影響設(shè)備的正常使用,如軸承、氣缸等,需保證粉塵濃度處于合理范圍之內(nèi)，故實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時監(jiān)測是保證其安全、可靠、高效率運行的必要條件。
3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

字量擴展模塊、模擬量擴展模塊協(xié)同控制、監(jiān)視系統(tǒng)的正常運行和保證設(shè)備安全，硬件結(jié)構(gòu)連接，如圖2所示?？諝忾_關(guān)控制整個系統(tǒng)，可自動切斷電路，保護設(shè)備;交直流轉(zhuǎn)換器主要用來將交流電轉(zhuǎn)換成24V。
系統(tǒng)選用S7-200CCPU224CN）作為運算控制器，與數(shù)接電，為PLC和各模塊提供電源?？刂葡到y(tǒng)以PLC為主體，模擬量和數(shù)字量擴展模塊通過自帶的通信端口依次連接，各信號均釆用隔離措施，模擬量釆用光電隔離，數(shù)字開關(guān)量釆用繼電器隔離，確保系統(tǒng)安全、可靠地運行。上位機采用STEPT-MicWWIN32編寫、調(diào)試控制程序，利用組態(tài)王軟件與PLC組態(tài)通信,實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程控制與實時監(jiān)測。
根據(jù)水泥包裝工藝的要求，計算出控制系統(tǒng)需要的I/O點數(shù)如下:數(shù)字量輸入21點,包括現(xiàn)場設(shè)備的應(yīng)答、備妥、限位、故障等信號;數(shù)字量輸出16點，包括真空發(fā)生器、氣缸等設(shè)備的驅(qū)動信號,伺服電機的脈沖信號（本系統(tǒng)采用S7-200自帶的高速PTO輸出）;模擬量輸入3點，分別是粉塵濃度傳感器、氣泵壓力值、輸送機構(gòu)電機轉(zhuǎn)速反饋信號;模擬量輸出信號1個點，即輸送機構(gòu)電機轉(zhuǎn)速。依據(jù)電氣硬件的特性，完成控制系統(tǒng)硬件配置，如表1所示。

4控制方案設(shè)計
4.1張袋機構(gòu)的循環(huán)供袋控制
張袋機構(gòu)有兩個作用:循環(huán)供袋和張開袋口,是水泥包裝的基礎(chǔ)工作，本系統(tǒng)釆用帶分支結(jié)構(gòu)的順序控制法。按下啟動信號后，光電開關(guān)判斷是否有袋,若有袋則啟動張袋機構(gòu)張開袋口并保持;若無袋則通過伺服電機啟動送袋機構(gòu),閥口袋到達目標(biāo)位置后再啟動張袋機構(gòu)，控制流程，如圖3所示。送袋機構(gòu)釆用電機配合鏈傳動的方式，電機需間斷性啟動停止，故選擇交流伺服電機，利用S7-200自帶的高速脈沖串（PTO輸出）配合零位脈沖實現(xiàn)伺服電機的控制時。

4.2工業(yè)機器人控制
實驗系統(tǒng)的工業(yè)機器人型號為ABB公司的1410型焊接機器人叫主要完成閥口袋的取送,并與夾袋機構(gòu)1配合使袋口保持張開狀態(tài)，便于插入閥形出料口?；跈C器人的特點,可實現(xiàn)單一機器人與多個閥形出料口配合運行，縮小設(shè)備占用空間，提高包裝效率,使系統(tǒng)具有極強的柔性與適應(yīng)性。工業(yè)機器人取袋與送袋機構(gòu)送袋不能同時進行,機器人取袋離開機架后，送袋機構(gòu)才能開始送袋，反之亦然。此處涉及PLC與機器人的信號交換，利用中間繼電器將PLC輸出信號轉(zhuǎn)換為機器人的輸入信號，設(shè)計機器人取袋與送袋機構(gòu)送袋的電氣互鎖,使二者有且僅有一項處于活動狀態(tài),保證系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行,控制原理,如圖4所示。

4.3裝料控制
閥口袋具有粉塵少、自封閉的優(yōu)點，廣泛運用于現(xiàn)代粉體包裝。工業(yè)機器人將閥口袋插入閥形出料口后，夾袋機構(gòu)2夾緊并固定袋子，打開出料口閥門，開始裝料,待裝料完畢，夾袋機構(gòu)2松開，閥口袋自行封閉，下落到輸送機構(gòu)。為了保證系統(tǒng)正常運行，料倉內(nèi)的水泥總量應(yīng)保持在一定范圍之內(nèi)。料倉圓周均勻布置高、中、低三組六個料位檢測儀,當(dāng)料位超過任何一個高位檢測儀，關(guān)閉料倉進料口閥門;當(dāng)料位低于任何一個低位檢測儀，打開進料口閥門。只有當(dāng)料位處于低、高料位之間,且夾袋備妥時，才能打開出料口進行裝料,具體控制策略，如圖5所示。

4.4輸送機構(gòu)控制
輸送機構(gòu)是水泥包裝的最后一個控制環(huán)節(jié)，主要作用是將包裝好的水泥運送至指定區(qū)域，本系統(tǒng)采用皮帶輸送方式，為了適應(yīng)不同的輸送速度和提高輸送穩(wěn)定性，建立了基于變頻調(diào)速的PID控制器。采用光電編碼器測量電機轉(zhuǎn)速,通過模擬量模塊輸入PLC,與速度指定值進行比較運算，設(shè)計數(shù)字PID運算器，構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)U5,PID運算器的輸出值經(jīng)過模擬量模塊轉(zhuǎn)換為(0~20)mA的電流信號,對應(yīng)于變頻器(0~50)Hz頻率,以控制電機轉(zhuǎn)速,使輸送機構(gòu)穩(wěn)定運行，控制方案，如圖6所示。

4.5人機交互界面設(shè)計
利用組太王軟件設(shè)計上位機人機交互界面，本系統(tǒng)共設(shè)計了四個界面，分別為柔性水泥包裝線控制系統(tǒng)主界面、趨勢曲線界面、數(shù)據(jù)報表界面和報警監(jiān)控界面，其中主界面，如圖7所示。

主界面主要負責(zé)整個系統(tǒng)的遠程控制與實時監(jiān)測，包括系統(tǒng)的啟動、停止控制;輸送機構(gòu)電機轉(zhuǎn)速、氣泵壓力和粉塵濃度的檢測;系統(tǒng)運行過程中各工位的開關(guān)量的運行狀況顯示，可以形象地表征出系統(tǒng)運行過程。當(dāng)氣泵壓力小于某一值或者粉塵濃度超過限定值時,系統(tǒng)會自動停止運行并產(chǎn)生燈光閃爍報警,排除危險后，報警自動解除，系統(tǒng)恢復(fù)運行。
點擊右下角的命令按鈕可分別進入趨勢曲線界面、數(shù)據(jù)報表界面和報警監(jiān)控界面。工作人員可通過查看實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線,了解系統(tǒng)設(shè)備的運行狀況;數(shù)據(jù)報表能以EXCEL的格式保存數(shù)據(jù),可方便操作人員了解、查看系統(tǒng)運行情況和各重要參數(shù)的數(shù)據(jù),為查找、分析原因和排除故障提供可靠的依據(jù);報警界面可監(jiān)控設(shè)定的變量,當(dāng)超出正常值時產(chǎn)生報警信號，有助于保護設(shè)備安全。
5結(jié)束語
工業(yè)機器人末端執(zhí)行器的活動范圍是一個三維空間，可靈活地適應(yīng)高度各異的出料口，且對實現(xiàn)設(shè)備的簡約化、緊湊化布置具有重要意義;機器人與不同型號的夾具配合可以取送不同尺寸的閥口袋,實現(xiàn)不同量程的水泥包裝;通過對系統(tǒng)時域響應(yīng)特性的優(yōu)化可實現(xiàn)四個出料口的并行供料，進而實現(xiàn)多種物料的定量混合包裝，以上特征使水泥包裝系統(tǒng)具有高度適應(yīng)性和柔性。以S7-200為下位機開發(fā)了柔性水泥包裝線綜合控制系統(tǒng)，利用組太王軟件設(shè)計了人機交互界面,可實時控制與監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況，實現(xiàn)了自動化運行、檢測和管理。實驗室開發(fā)了驗證原型機，如圖8所示。實驗結(jié)果表明整個系統(tǒng)自動化程度高、運行穩(wěn)定、安全可靠,極大地提高了水泥包裝效率，改善了操作人員的工作環(huán)境,十分適合小型水泥工廠水泥包裝線的自動化改造。

作者：李支茂，譴永祥，李雙躍，榮云

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