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ENGLISH0755-88840386發(fā)布時間:2021-03-02 14:42:23 |來源:網(wǎng)絡轉(zhuǎn)載
0引言
制糖行業(yè)是廣西的重點行業(yè)之一,具有強烈的地方特色,全廣西約有100多家糖廠,產(chǎn)糖量約占全國60%。然而廣西糖企大多數(shù)建成于60~90年代,生產(chǎn)線老舊,特別是在成品糖包裝碼垛工段,采用勞動力密集作業(yè)方式,工人數(shù)量約占全廠工人25%~30%。隨著我國的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,糖業(yè)作為生產(chǎn)連續(xù)性高,重復勞動多,勞動強度大的企業(yè),運用工業(yè)機器人技術對成品糖完成全自動包裝碼垛作業(yè),能從根本上解決企業(yè)用工難的問題,降低人力管理成本,同時能最大限度降低工人在生產(chǎn)中遭受意外傷害的風險[1]。
食品行業(yè)對成品包裝材料有嚴格的要求,廣西糖企廣泛采用可分離的雙層編織袋作為包裝材料,包裝時內(nèi)袋單獨封口,縫紉時僅縫紉外編織袋。內(nèi)外分離的雙層編織袋從物理結(jié)構(gòu)上能夠確保白糖的密封性,避免了漏氣,變潮,甚至滋生細菌,會嚴重影響白糖品質(zhì)。
基于以上的行業(yè)背景,廣西機械工業(yè)研究院成功自主研發(fā)國內(nèi)首臺應用內(nèi)外可分離編織袋包裝碼垛生產(chǎn)線,生產(chǎn)線具備全自動取袋、袋口校準、開袋上袋、計重稱量、自動卸料、自動熱封內(nèi)膜袋、自動內(nèi)袋置入外袋、自動縫紉外袋、自動編碼打印、自動倒袋、自動輸送、自動碼垛作業(yè)等功能,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工包裝及碼垛作業(yè),有效降低包裝和碼垛工人的勞動強度,提升企業(yè)生產(chǎn)效率,降低用工數(shù)量及勞動成本,為企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本,創(chuàng)造效益。本文根據(jù)某糖業(yè)實際生產(chǎn)線情況,設計了一條全自動包裝碼垛生產(chǎn)線系統(tǒng),并對生產(chǎn)線系統(tǒng)進行自動化控制及監(jiān)控。
1全自動包裝碼垛生產(chǎn)線系統(tǒng)的基本問題
1.1基本要求
設計一條成熟的包裝碼垛生產(chǎn)線需要考慮非常多的因素,但最主要的因素是一樣的,主要包括以下幾點:
(1)包裝碼垛生產(chǎn)線產(chǎn)能;
(2)企業(yè)生產(chǎn)線設計產(chǎn)能;
(3)要充分考慮企業(yè)場地情況,盡量提高包裝碼垛生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率,節(jié)約企業(yè)前期投資;
(4)對生產(chǎn)線總體設計時,應注意生產(chǎn)線的匯線設計,防止匯線過程中成品堆疊,造成碼垛機器人損壞。
因此在設計過程中,首先需要確定企業(yè)的生產(chǎn)產(chǎn)能;其次根據(jù)產(chǎn)能需求,來選配合適的包裝機數(shù)量以及碼垛機器人數(shù)量;再次,在選定包裝機和碼垛機器人后,根據(jù)企業(yè)的布置圖,設計恰當?shù)纳a(chǎn)線布置圖。最后,在設計布置圖時,根據(jù)包裝機數(shù)量和碼垛機器人數(shù)量,選擇合理的匯線和分流方式,并設計合理的控制邏輯。
1.2系統(tǒng)流程設計
糖業(yè)是注重生產(chǎn)連續(xù)性的企業(yè),包裝碼垛生產(chǎn)線在系統(tǒng)設計時就必須考慮多臺全自動包裝機與多臺碼垛機器人之間的生產(chǎn)效率的關系。為達到更高效的工作效率,其根本原則是碼垛機器人生產(chǎn)效率略大于包裝機生產(chǎn)效率。在此條件下,可采取多臺包裝機匯流到到一條輸送線,再將生產(chǎn)線分流到多臺碼垛機器人。全自動包裝碼垛生產(chǎn)線系統(tǒng)設計的一般流程圖如圖1所示。
由于全自動包裝碼垛生產(chǎn)線在工作時,成套系統(tǒng)包括包裝、倒包、匯線、整形、金屬檢測、重量檢測、剔除、分流、碼垛均是自動完成,整個工作過程動作數(shù)量繁多,邏輯關系復雜,特別是在匯流部分,必須要確保上一包物料與下一包物料處于前后狀態(tài),如處于上下重疊狀態(tài),則會損壞碼垛機器人抓手,造成故障停機或,影響生產(chǎn)連續(xù)性。
1.3控制系統(tǒng)選擇
糖業(yè)對全自動包裝碼垛生產(chǎn)線的穩(wěn)定性要求極高,控制系統(tǒng)各功能單元的工藝流程必須滿足技術參數(shù)才能保證動作執(zhí)行流暢、協(xié)調(diào)、高效。該控制系統(tǒng)應具有以下要求[2-3]:
(1)可視化人機界面,對工人操作技能水平要求不高;
(2)控制結(jié)構(gòu)簡單、運行速度快、穩(wěn)定性高;
(3)控制系統(tǒng)動態(tài)響應性能優(yōu)良,能實時采集生產(chǎn)線各控制點信號并立即反饋處理;
(4)程序可編輯性強,方便更新控制程序。
根據(jù)以上需求,本文選用“HMI+PLC”的控制模式。通過可編程控制器PLC作為信號運算及傳輸?shù)臉蛄?,把觸摸屏與各信號、各執(zhí)行元件聯(lián)系起來。生產(chǎn)時,PLC通過光電開關信號進行邏輯運算,控制各個執(zhí)行元件完成各類功能,并將生產(chǎn)線的運行狀態(tài)顯示到觸摸屏上,使得生產(chǎn)線的動作有條不紊的推進,生產(chǎn)平穩(wěn)運行。同時,HMI具備友好的人機交互界面,方便于生產(chǎn)監(jiān)控與維護。在維護階段,通過觸摸屏輸入信號,給予PLC執(zhí)行指令,調(diào)整各執(zhí)行元件動作順序、幅度,以達到不同工況下的生產(chǎn)需求,完成生產(chǎn)線的調(diào)整、測試[4-5]。
2應用實例
某糖廠每天榨量8000t,共有4條人工包裝線,每條包裝線上有1個包裝秤及1臺縫紉機,4條包裝線裝包后,全部匯入1條人工碼垛線。榨季期間,工人安排3班倒,每班工作時間為8h。白糖經(jīng)過編織袋包裝后,每一袋白糖凈重50kg。
2.1產(chǎn)能計算
廣西區(qū)內(nèi)的糖企的產(chǎn)糖率為12%,由上文可計算出該糖廠每天生產(chǎn)白糖T=8000×12%=960t,則算成每班白糖產(chǎn)量為T1=960÷3=320t,共P1=320×20=6400包。
廣西機械工業(yè)研究院全自動包裝碼垛生產(chǎn)線的包裝機每小時產(chǎn)能為410包/小時,碼垛機器人每小時產(chǎn)能為970包/h。通過現(xiàn)場了解,該糖廠每班工作時間8h包含了交接班時間、吃飯休息、設備簡單維護時間約7h。
首先確定包裝機的臺數(shù)M。M=P1÷(410×7)=6400÷2870=2.2。由于包裝機的臺數(shù)肯定為整數(shù),而且如果選取2臺,無法滿足生產(chǎn)需求,因此包裝機的臺數(shù)選擇M=3臺。
其次確定碼垛機器人的臺數(shù)N。N=P1÷(970×7)=6400÷6790=0.94,碼垛機器人應選擇N=1臺。
由上文計算結(jié)果可知,選擇3臺包裝機及1臺碼垛機器人,能滿足某糖廠生產(chǎn)產(chǎn)能要求,并有一定產(chǎn)能富余,生產(chǎn)線具有較高的柔性。當包裝機包裝效率調(diào)整為V=P1÷M÷7=6400÷3÷7=304.8包/臺/小時,即可滿足生產(chǎn)產(chǎn)能需求。根據(jù)多年的施工經(jīng)驗,若V=320包/臺/小時,能夠保護設備處于更優(yōu)良的工作狀態(tài),有利于提高設備的使用壽命。
2.2布置圖方案設計
根據(jù)某糖廠生產(chǎn)布置圖以及上文的計算結(jié)果,布置圖中把某糖廠原4條包裝線連續(xù)選擇3條技改成全自動包裝生產(chǎn)線,并拆除1條原包裝線。在碼垛生產(chǎn)線的設計上,將3臺包裝生產(chǎn)線匯入1條碼垛機器人輸送線,并由碼垛機器人完成碼垛作業(yè)。具體布置圖如圖2所示。在方案中,要特別注意左側(cè)匯線輸送機的糖包、中間匯線輸送機的糖包、右側(cè)匯線輸送機的糖包之間的邏輯關系,防止糖包疊加一起,引起碼垛機器人意外損壞。
2.3控制邏輯設計
圖2全自動包裝碼垛生產(chǎn)線一共有8條碼垛輸送機,包裝機的工作時,極有可能3條包裝機匯線輸送機同時有白糖等待匯線,為避免糖包重疊的現(xiàn)象,需要對3臺包裝機匯線成1條碼垛生產(chǎn)線時對控制邏輯進行設計。在設計之前,需要對皮帶輸送機的動作順序做如下定義,才能夠使得糖包按照約定的動作進行,不會產(chǎn)生同時有2包糖包匯入同一條碼垛輸送機上,造成疊包現(xiàn)象:
(1)當只有碼垛輸送線上沒有糖包時,匯線輸送機才能把糖包匯入;
(2)當匯線輸送機把糖包匯入時,碼垛輸送線后段的糖包需等待匯入成功后才能啟動;
(3)當碼垛輸送線和匯線輸送機上同時有糖包時,優(yōu)先讓碼垛輸送線通過,否則,則按先有糖包者優(yōu)先處理;
(4)當碼垛輸送線前段停止時,后段必須全部停止。
控制邏輯如圖3所示,首先碼垛輸送線啟動,并判斷左側(cè)的匯線輸送機是否有糖包,若有執(zhí)行匯線動作,碼垛輸送線無需停止,否則繼續(xù)等待糖包;其次判斷中間的匯線輸送機時候有糖包,若中間匯線輸送機匯線糖包先到,則中間匯線輸送機執(zhí)行匯線動作,同時碼垛輸送線后段輸送機全部停止等待匯線完成,否則執(zhí)行碼垛輸送線匯線動作,中間匯線輸送機停止等待。若兩方輸送機糖包同時到達,則執(zhí)行執(zhí)行碼垛輸送線匯線動作,中間匯線輸送機停止等待。右側(cè)匯線輸送機也進行同樣的邏輯算法判斷。最后碼垛輸送線按順序執(zhí)行至碼垛機器人,并執(zhí)行碼垛作業(yè)。
3結(jié)論
該全自動包裝碼垛生產(chǎn)線投入使用一年來,生產(chǎn)穩(wěn)定,可靠性高。某糖廠在包裝碼垛工段未技改前,需要使用工人42人,技改后,僅需要使用12人,人數(shù)減少30人,讓該糖廠的自動化程度得到顯著提升,并取得了良好的經(jīng)濟效益,本文提及的全自動包裝碼垛生產(chǎn)線具有極好的推廣意義。
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