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隨著近年來國家節(jié)能減排政策不斷推行，許多高能耗.低產能的小造紙企業(yè)被強制關閉. 國內市場進一步凈化，產能逐步向大企業(yè)集中。產能的集中必定會要求生產自動化程度與生產效率的不斷提高.同樣伴隨著工廠信息化程度的不斷提高，上層決策系統(tǒng)將需要更多的現(xiàn)場數(shù) 據.以便于進行更有效的生產管理.同時設備維護人員也需要設備運行的歷史數(shù)據，以便于設 備的錐護，處理已有故障或提前發(fā)現(xiàn)設備運行的隱患，做到提前預防，從而保證自動化設備的 運行高效性，為高效率的生產提供堅實的設備基礎與數(shù)據基礎。

按照紙種的用途來看，大致可分為包裝用紙、生活用紙和文化用紙三大類。除包裝用紙外. 生活用紙與文化用紙在儲存、運輸過程中，為防止紙卷受潮，或在倉庫與運輸過程中受到損傷, 甚至某些特種紙對自然環(huán)境有要求的，需要先對紙卷進行包裝處理。包裝又分為膜包裝與牛皮 紙包裝，在實際的使用中，廠家會根據客戶的要求進行膜包裝或牛皮紙包裝，或是兩者都采用。 其中，牛皮紙包裝是對紙卷的圓周面進行牛皮紙包裝，而紙卷的端面加內外封頭進行密封處理, 傳統(tǒng)的工藝是人工放置內外封頭，人工粘貼商標。隨著工廠產能的提高，生產節(jié)拍的加快，傳 統(tǒng)的人工放置封頭與貼標過程已不能滿足生產，高效的全自動紙卷包裝機在對整個包裝中，用 機器人來代替人工，并改進設備工藝，提高設備速度，紙卷數(shù)據的自動采集與處理，大大地滿 足了企業(yè)高產能的生產要求。本文主要介紹的就是基于西門子PLC控制系統(tǒng)、機器人、OPC服 務器s等智能裝備的全自動紙卷包裝機，并介紹為上層管理決策提供系統(tǒng)運行數(shù)據的方法氣

本文所介紹的全自動紙卷包裝機分為六個工位：

（1）對中工位：對進入包裝機后續(xù)工位的紙卷進行對中處理，系統(tǒng)配置的自動掃描儀在紙 卷進入對中工位前對紙卷上的小條碼進行掃描識別，從工廠的數(shù)據庫中讀出此紙卷的規(guī)格信息, 如紙卷的幅寬.直徑，對中工位上的對中裝置將紙卷對中后.配置的激光測距儀將測量紙卷的 端面及圓周面.從而測出紙卷的幅寬與直徑。與掃描儀識別的條碼數(shù)據進行比較，同進對中機 處的稱重儀表將對工位上的紙卷進行稱重測量，并將測出的實際重量與理論重量進行比較，完 成紙卷信息的復核。復核成功后，將紙卷的重量信息更新至服務器。

2. 入口緩沖器工位；從對中工位來的紙卷經入口緩沖器平穩(wěn)地將紙卷停在工位移動裝置 上。其中，工位移動裝置負責將紙卷從此工位依次送往后續(xù)工位，直至壓合工位。
3. 折邊工位：經工位移動裝置從入口緩沖器工位送到折邊工位的紙卷，將在此工位完成 紙卷的內封頭的放置與牛皮紙的包裝與折邊。系統(tǒng)配置的放內封頭機器人將根據工位上紙卷的 直徑信息自動選擇合適的內封頭，自動抓取兩個封頭放置在內封頭放置機上，經由內封頭放置 機將封頭放置在紙卷兩側，折邊工位的送紙與放紙系統(tǒng)根據工位上紙卷的幅寬信息選擇合適的 牛皮包裝紙，選中的包裝紙經切紙噴膠系統(tǒng)將紙頭粘貼在紙卷上，并根據設定的包裝層數(shù)計算 送出的包裝紙的長度。達到設定的長度后，由切刀切斷包裝紙并噴尾膠，將牛皮紙可靠的粘貼 在紙卷上，完成紙卷圓周面的包裝。再經過折邊系統(tǒng)，將紙卷兩側多余的包裝紙進行折邊處理, 以便于后續(xù)工位進行端面的壓合密封處理。
4. 等待工位：在折邊工位完成牛皮紙包裝的紙卷經工位移動裝置送到此工位，工位上配 置的貼標系統(tǒng)，將自動根據紙卷信息打印出商標合格證，粘貼在紙卷的圓周面。
5. 壓合工位：工位上配置的外封頭機器人自動根據紙卷的直徑信息抓取合適的外封頭， 將其放置在熱壓盤上，加熱后的熱壓盤將外封頭的膠水熔化后，對工位上的紙卷進行壓合’從 而將外封頭貼在紙卷上，對紙卷的端面進行密封處理。
6. 出口工位：從壓合工位踢出的紙卷可在后續(xù)的移動裝置上,由貼標機器人抓取商標合 格證，并將之粘貼在包裝后紙卷的端面。

圖1全自動包裝機的基本組成

根據控制系統(tǒng)數(shù)據處理能力與實時性的要求，系統(tǒng)采用西門子S7-400 PLC為主機.通過 Profibus DP總線連接多個現(xiàn)場ET200M智能從站、人機界面' 變頻器（ABB800系列）以及第三 方控制器，通過以太網連接到OPC服務器，收集包裝機系統(tǒng)中的運行數(shù)據.其中，第三方控制 器主要為放置內外封頭的機器人，以及貼標機器人。Profibus DP網絡的實時性、可靠性，可以保 證數(shù)據在PLC系統(tǒng)與機器人控制系統(tǒng)中的可靠傳遞，機器人系統(tǒng)根據PLC系統(tǒng)傳遞過來的信息， 自動選擇內外封頭并與PLC系統(tǒng)進行聯(lián)動。

為保證全自動紙卷包裝機的正常運行.現(xiàn)場設備上裝有眾多的傳感器來釆集現(xiàn)場設備的運 行位置與狀態(tài)。通過西門子分布式智能從站ET200M系列，將現(xiàn)場傳感器的數(shù)字量、模擬量信號 傳送到現(xiàn)場的ET200M從站模塊上，模塊將采集到的信號進行數(shù)字化處理，通過Profibus DP網絡， 將信號傳送到PLC,如圖3所示。人機界面（HMI）采用的是西門子系列的MP277按鍵式操作屏. 操作屏內置Windows CE操作系統(tǒng)，通過Wince Flexible軟件對操作屏進行編程開發(fā)，開發(fā)的操 作屏將與PLC通過DP網絡通訊，通過在PLC程序中建立專用DB數(shù)據塊,將操作屏上的操作變 量和顯示變量與PLC中的對應起來，在操作屏上用功能按鈕改變變量值或輸入數(shù)值型變量，可 以用來代替實際的按鈕.來操作現(xiàn)場設備.進行系統(tǒng)參數(shù)設置，或顯示系統(tǒng)運行數(shù)據、故障報 警、操作提示等功能。

系統(tǒng)采用的電機控制變頻器選用ABB品牌的ACS800系列變頻器’配上專用的總線控制模 塊RPBA-01模板，可以將變頻器直接通過Profibus DP現(xiàn)場總線直接連到PLC系統(tǒng)的DP網絡中 (如圖4所示)。將PLC作為主站、變頻器作為從站時，主站向變頻器傳送運行指令，同時接受 變頻器反饋的運行狀態(tài)及故障報警狀態(tài)的信號，RPBA-01總線控制模塊將從Profibus DP網絡中 接收到的過程數(shù)據存入雙向RAM中，過程數(shù)據中的每一個字都被編址，在變頻器端的雙向RAM 可通過被編址參數(shù)排序，向變頻器寫入控制字、給定值或讀出實際值、診斷信息等參數(shù)。變頻 器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，若從軟件角度看，其核心內容是現(xiàn)場總線的通訊協(xié)議。通訊協(xié)議中的網 絡數(shù)據格式根據Profibus DP標準選用PPO2類型(4PKW+6PZD),如圖5所示。其中PPO2包括 參數(shù)值PKW及過程數(shù)據PZD。參數(shù)值PKW可用來設置變頻器運行時要定義的一些參數(shù)值；過程 數(shù)據PZD是變頻器運行過程中要輸入/輸出給定值或狀態(tài)量，如頻率給定值、速度反饋值、電流 反饋值等，也可用來修改變頻器的參數(shù)。將網絡數(shù)據這樣分類定義的目的，是為了完成不同的 任務，即PKW的傳輸與PZD的傳輸互不影響，均各自獨立工作，從而使變頻器能夠按照主站控 制系統(tǒng)的指令運行。變頻器通過總線控制，可以線性輸出控制變頻器給定值’從而對運行設備 進行平滑控制，并得到變頻器的實時數(shù)據，提高系統(tǒng)的控制精度與設備運行穩(wěn)定性。變頻器的 故障信息也可以通過總線傳送至PLC系統(tǒng)，系統(tǒng)可將此報警信息傳送至上位機系統(tǒng)進行歸檔， 作為歷史數(shù)據便于設備維護或作故障預測。

包裝機系統(tǒng)中的內外封頭機器人選用的是ABB系列六軸機器人，貼標機器人選用的是ABB 系列四軸機器人，用來完成內外封頭的自動選擇與抓取.商標合格證的抓取與粘貼。機器人系 統(tǒng)自帶Profibus DP網絡接口，因此可將機器人系統(tǒng)作為DP主站，通過DP協(xié)議與PLC之間進行 DP主站間的10通訊，如圖6所示，用來傳遞設備運行中需要的各種數(shù)據，如紙卷的信息、內外 封頭的規(guī)格、封頭紙垛的高度、故障信息、聯(lián)動信號等變量數(shù)據。機器人控制系統(tǒng)利用空間坐 標作為運動軌跡，按照預先設定好的路線來進行高速運動，并能精確定位。通過機器人手臂端 安裝的夾具系統(tǒng)，可以吸附內外封頭或商標合格證，移動到指定的地點進行放置，并能對內外 封頭紙垛利用三點確定圓的數(shù)學原理來自動確定圓心，保證放置內外封頭位置的準確性。在壓 合工位中，將熱壓盤位置的實時數(shù)值傳送給機器人系統(tǒng)，機器人就可隨時改變運動軌跡，實時 跟隨壓合設備進行外封頭的放置，進一步提高設備的運行效率。

系統(tǒng)的數(shù)據采集運用的是OPC技術,OPC (OLE for Process Control)是Microsoft公司的對 象鏈接和嵌入OLE/COM技術在過程控制方面的應用.為工業(yè)控制領域提供了標準的數(shù)據訪問機 制。OPC的出現(xiàn)為基于Windows的應用程序和現(xiàn)場過程控制應用建立了橋梁。OPC技術擴展了 硬件設備的概念，OPC技術為控制網與管理網之間的互聯(lián)，以及上層應用軟件和控制設備之間 的數(shù)據通訊提供了極大的方便。對于車間生產來說，所有生產的紙卷都需要有對應的信息跟蹤. 以便于更好的生產管理、銷售查詢，因此紙卷從復卷機處下卷后，便會有唯一的條碼信息進行 標識。紙卷在經過包裝機系統(tǒng)時，會完成紙卷的規(guī)格復核、稱重、貼標等工藝處理’在完成這 些工藝時所產生的信息、時間等數(shù)據都需在工廠數(shù)據庫中能夠查到。為把這些在PLC控制系統(tǒng) 產生的數(shù)據傳送到公司級的數(shù)據庫系統(tǒng)中，本系統(tǒng)通過OPC技術連接到PLC系統(tǒng)中’在工控機 上組建OPC服務器，并在PLC系統(tǒng)中配置以太網通訊模塊，將OPC服務器與PLC系統(tǒng)進行以太
網連接，從而可以滿足大數(shù)據量的傳輸。

在STEP 7中完成配置后，需將PC Station T載到OPC Server側建立的虛擬硬件機架中。在 PLC程序中，為方便與OPC Server進行通訊，需建立一個用來通訊的共享數(shù)據塊DB,并將要進 行通訊的數(shù)據進行預先的定義，雙方建立統(tǒng)一的一個數(shù)據表，PLC主要負責將OPC需要的數(shù)據 收集并保存在DB塊對應的存儲區(qū)中。這些數(shù)據包括接入PLC系統(tǒng)中的稱重儀表稱出的紙卷重量 信息、機器人運行數(shù)據、內外封頭紙垛高度信息、設備故障信息、總線控制變頻器故障信息等。

機器人、OPC服務器等智能裝備在全自動紙卷包裝機的大量應用，提高了工廠生產的自動 水平，與當前國內外產能不斷集中的形勢相適應，滿足了工廠客戶對設備提出的高要求。采用 OPC與PLC的以太網通訊技術后的整個生產過程中，生產實時數(shù)據與設備運行狀態(tài)都可以報表 的形式進行統(tǒng)計與歸檔，并且在引入ERP等管理軟件后，實現(xiàn)了整個生產過程中的封閉式管理, 生產維護人員隨時能根據設備運行狀態(tài)信息對設備進行重點維護與檢查，減少了設備的故障率, 預防非正常停機，提高了整個生產過程中的效率。

智能系統(tǒng)在全自動紙卷包裝機中的應用，為整個造紙行業(yè)智能化裝備的大量投入打開了新 局面，并成功的打破了國外產品壟斷國內市場的局面，并為時下流行的工廠管理決策系統(tǒng)、”工 廠云"數(shù)據系統(tǒng)等大數(shù)據信息化的普及提供了基礎數(shù)據來源。

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