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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(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要生產(chǎn)資料。我國(guó)是水泥生產(chǎn)大國(guó)，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(jī)械化、自動(dòng)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(shí),這對(duì)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(jī)械化與自動(dòng)化，減少裝料粉塵與操作人員，提高包裝效率，降低成本，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多自由度的機(jī)器裝置，主要由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，一般具有(3-6)個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，可依靠自身動(dòng)力和控制能力按程序自動(dòng)執(zhí)行工作，與不同的夾具配合可實(shí)現(xiàn)各種功能，廣泛運(yùn)用于涂膠、焊接、搬運(yùn)等領(lǐng)域，對(duì)提高工業(yè)自動(dòng)化與柔性,實(shí)現(xiàn)無人工廠具有重要意義。實(shí)驗(yàn)室與江蘇南京某包裝機(jī)械公司聯(lián)合研制了一種基于工業(yè)機(jī)器人的水泥包裝系統(tǒng)，主要用于閥口袋水泥包裝，實(shí)現(xiàn)了包裝系統(tǒng)的自動(dòng)化與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),提高了包裝效率與可靠性，工業(yè)機(jī)器人的引進(jìn)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(xì)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(jī)、袋庫(kù)機(jī)架、送袋機(jī)構(gòu)、張袋機(jī)構(gòu)、夾袋機(jī)構(gòu)1、工業(yè)機(jī)器人、料倉(cāng)、夾袋機(jī)構(gòu)2、輸送機(jī)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(cè)儀等。包裝工藝流程為：送袋機(jī)構(gòu)從袋庫(kù)取出閥口袋并送至張袋機(jī)構(gòu),張袋機(jī)構(gòu)張開閥口袋，工業(yè)機(jī)器人利用夾袋機(jī)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(jī)構(gòu)2夾緊固定袋子，料倉(cāng)放料,裝料完成后自動(dòng)封口，最后被輸送機(jī)構(gòu)送至指定位置。工業(yè)化生產(chǎn)中，采用單一工業(yè)機(jī)器人配合多個(gè)閥形出料口協(xié)同工作，實(shí)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(jì)，主要包括:張袋機(jī)構(gòu)的循環(huán)供袋控制、工業(yè)機(jī)器人控制、裝料控制和輸送機(jī)構(gòu)控制。包裝過程中會(huì)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(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是保證其安全、可靠、高效率運(yùn)行的必要條件。
3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

字量擴(kuò)展模塊、模擬量擴(kuò)展模塊協(xié)同控制、監(jiān)視系統(tǒng)的正常運(yùn)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(gè)系統(tǒng)，可自動(dòng)切斷電路，保護(hù)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(yùn)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(kuò)展模塊通過自帶的通信端口依次連接，各信號(hào)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(yùn)行。上位機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
根據(jù)水泥包裝工藝的要求，計(jì)算出控制系統(tǒng)需要的I/O點(diǎn)數(shù)如下:數(shù)字量輸入21點(diǎn),包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的應(yīng)答、備妥、限位、故障等信號(hào);數(shù)字量輸出16點(diǎn)，包括真空發(fā)生器、氣缸等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)信號(hào),伺服電機(jī)的脈沖信號(hào)（本系統(tǒng)采用S7-200自帶的高速PTO輸出）;模擬量輸入3點(diǎn)，分別是粉塵濃度傳感器、氣泵壓力值、輸送機(jī)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào);模擬量輸出信號(hào)1個(gè)點(diǎn)，即輸送機(jī)構(gòu)電機(jī)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(jì)
4.1張袋機(jī)構(gòu)的循環(huán)供袋控制
張袋機(jī)構(gòu)有兩個(gè)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(dòng)信號(hào)后，光電開關(guān)判斷是否有袋,若有袋則啟動(dòng)張袋機(jī)構(gòu)張開袋口并保持;若無袋則通過伺服電機(jī)啟動(dòng)送袋機(jī)構(gòu),閥口袋到達(dá)目標(biāo)位置后再啟動(dòng)張袋機(jī)構(gòu)，控制流程，如圖3所示。送袋機(jī)構(gòu)釆用電機(jī)配合鏈傳動(dòng)的方式，電機(jī)需間斷性啟動(dòng)停止，故選擇交流伺服電機(jī)，利用S7-200自帶的高速脈沖串（PTO輸出）配合零位脈沖實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的控制時(shí)。

4.2工業(yè)機(jī)器人控制
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人型號(hào)為ABB公司的1410型焊接機(jī)器人叫主要完成閥口袋的取送,并與夾袋機(jī)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(jī)器人的特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)單一機(jī)器人與多個(gè)閥形出料口配合運(yùn)行，縮小設(shè)備占用空間，提高包裝效率,使系統(tǒng)具有極強(qiáng)的柔性與適應(yīng)性。工業(yè)機(jī)器人取袋與送袋機(jī)構(gòu)送袋不能同時(shí)進(jìn)行,機(jī)器人取袋離開機(jī)架后，送袋機(jī)構(gòu)才能開始送袋，反之亦然。此處涉及PLC與機(jī)器人的信號(hào)交換，利用中間繼電器將PLC輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人的輸入信號(hào)，設(shè)計(jì)機(jī)器人取袋與送袋機(jī)構(gòu)送袋的電氣互鎖,使二者有且僅有一項(xiàng)處于活動(dòng)狀態(tài),保證系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)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(diǎn)，廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代粉體包裝。工業(yè)機(jī)器人將閥口袋插入閥形出料口后，夾袋機(jī)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(jī)構(gòu)2松開，閥口袋自行封閉，下落到輸送機(jī)構(gòu)。為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，料倉(cāng)內(nèi)的水泥總量應(yīng)保持在一定范圍之內(nèi)。料倉(cāng)圓周均勻布置高、中、低三組六個(gè)料位檢測(cè)儀,當(dāng)料位超過任何一個(gè)高位檢測(cè)儀，關(guān)閉料倉(cāng)進(jìn)料口閥門;當(dāng)料位低于任何一個(gè)低位檢測(cè)儀，打開進(jìn)料口閥門。只有當(dāng)料位處于低、高料位之間,且夾袋備妥時(shí)，才能打開出料口進(jìn)行裝料,具體控制策略，如圖5所示。

4.4輸送機(jī)構(gòu)控制
輸送機(jī)構(gòu)是水泥包裝的最后一個(gè)控制環(huán)節(jié)，主要作用是將包裝好的水泥運(yùn)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(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速,通過模擬量模塊輸入PLC,與速度指定值進(jìn)行比較運(yùn)算，設(shè)計(jì)數(shù)字PID運(yùn)算器，構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)U5,PID運(yùn)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(hào),對(duì)應(yīng)于變頻器(0~50)Hz頻率,以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,使輸送機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行，控制方案，如圖6所示。

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

主界面主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止控制;輸送機(jī)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)速、氣泵壓力和粉塵濃度的檢測(cè);系統(tǒng)運(yùn)行過程中各工位的開關(guān)量的運(yùn)行狀況顯示，可以形象地表征出系統(tǒng)運(yùn)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(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行并產(chǎn)生燈光閃爍報(bào)警,排除危險(xiǎn)后，報(bào)警自動(dòng)解除，系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行。
點(diǎn)擊右下角的命令按鈕可分別進(jìn)入趨勢(shì)曲線界面、數(shù)據(jù)報(bào)表界面和報(bào)警監(jiān)控界面。工作人員可通過查看實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線,了解系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀況;數(shù)據(jù)報(bào)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(yùn)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(bào)警界面可監(jiān)控設(shè)定的變量,當(dāng)超出正常值時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，有助于保護(hù)設(shè)備安全。
5結(jié)束語(yǔ)
工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的活動(dòng)范圍是一個(gè)三維空間，可靈活地適應(yīng)高度各異的出料口，且對(duì)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的簡(jiǎn)約化、緊湊化布置具有重要意義;機(jī)器人與不同型號(hào)的夾具配合可以取送不同尺寸的閥口袋,實(shí)現(xiàn)不同量程的水泥包裝;通過對(duì)系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)特性的優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)四個(gè)出料口的并行供料，進(jìn)而實(shí)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(jī)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(jì)了人機(jī)交互界面,可實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化運(yùn)行、檢測(cè)和管理。實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了驗(yàn)證原型機(jī)，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、運(yùn)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(dòng)化改造。

作者：李支茂，譴永祥，李雙躍，榮云

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