摘要：
研究设计以PLC为控制核心的自动包装堆垛系统，实现固体颗粒物如注塑加工原料等类似产品的自动化包装及堆垛过程，降低生产线工人劳动强度及用工数，提高企业生产效率。设计控制系统以西门子PLC S7-1200 CPU模块加装数字输入/输出扩展模块为主体，配套传感器选择及信号输入模块、交流伺服电机驱动和HCI触摸屏界面等组成部分来实现对包装堆垛过程的自动化系统控制功能。
关键词：
PLC；包装堆垛；工艺流程；控制系统；控制算法
Abstract：
This paper studies and designs an automatic packaging and stacking system with PLC as the control core to realize the automatic packaging and stacking process of solid particles such as injection molding raw materials and other similar products, reduce the labor intensity and labor number of production line workers, and improve the production efficiency of the enterprise. The control system is designed with Siemens PLC s7-1200 CPU module and digital input / output expansion module as the main body, supporting sensor selection and signal input module, AC servo motor drive and HCI touch screen interface to realize the automatic system control function of packaging and stacking process.
Keyword：
PLC；Packing and stacking；Technological process ；Control system Control algorithm
在制造业大军转型升级过程中，工业机器人已成为重要的角色。机械手臂是其中应用最为广泛的一种。其不受时间和恶劣环境的限制，在程序控制下可以代替人力劳力，能够灵活地进行各种复杂的生产任务，例如搬运、上下料、打磨、喷涂、包装等等。其中，堆垛是目前应用最广泛的场景之一，在工业机器人市场中占据很大的市场份额。所谓堆垛指的是将产品按一定要求堆叠起来，方便叉车运输到仓库，或者进行装箱、出货等物流任务，常见于自动化生产线、码头和仓库等场景。堆垛机器人系统广泛应用于汽车制造、金属加工、玻璃制造、电子行业、木材加工、物流运输、食品等行业，能够大大提升搬运作业线的产能。目前在用的工业码垛机器人根据其多轴控制系统的技术特点一般可分为三种类型：1、基于PLC的多轴控制系统；2、基于PC的多轴控制系统；3基于总线的多轴控制系统。PLC具备很强的抗干扰能力，工作过程可靠性高，且通用性好，因此在这一行业得到了广泛应用。本文在此设计了一种基于PLC控制的固体颗粒物料自动包装堆垛系统供读者参考。
1 整体系统综述
1.1 全自动包装堆垛机器人（机械臂）的结构
现在加工类企业使用全自动的包装堆垛机器人已较为普遍，基于PLC技术的控制系统因其良好的工业性能很适合于自动包装堆垛生产线控制系统，其基本组成见图1。通常全自动包装堆垛生产线中的机械臂是由基座、腰部、手臂、指关节等组成。其指、腕、肘、腰部装有旋转机构来进行机械臂腰部的旋转、手臂的上下动作以及手腕的旋转等来满足包装堆垛的需求，确保工作任务的完成。重点部位是其手指，要求其灵活度要满足加持及放置功能。总体结构上是基座在底部，支撑机械臂腰部的旋转，手部的夹持、旋转、松开动作完成调整物品位置摆放。
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图1 自动包装堆垛生产线基本组成
1.2 自动包装堆垛生产线的工艺流程
固体颗粒物料自动包装堆垛生产线整体工作流程是由PLC控制系统控制生产线完成材料的输送和平稳给料，自动称重、输送包装、封口等。首先是在混料系统中旋转搅拌充分混合，混合均匀后自动称量系统打开料斗落料口使物料落入包装秤的给料装置中。装料系统通过压力传感器判断当前物料重量，达到设定值时PLC按此信号控制装料系统关闭落料口停止装料，等待自动装袋机完成上袋给出就绪信号后，PLC控制装料系统打开卸料门，使物料落入下方的包装袋中。落完物料后PLC控制自动折边机对包装袋进行折边，之后送到封装装置处对包装袋进行封口。封口后PLC控制质量检测装置检测每个封包的重量并剔除不合格封包，对合格封包打贴标签后送达输送流水线，最后通过堆垛机械臂按编程设定的堆放方式完成自动码放。以上工作内容具体生产线工作流程见图2。
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图2 包装码垛流程
3 控制系统设计
3.1 功能要求与系统组成
基于PLC设计控制方案，使用触摸屏为上位机，方便进行参数的输入与修改，监视流水线工作状态，另外在触摸屏上还可设置一个现场示教的功能，便于展现整体控制过程。下位机为驱动伺服控制，实现对机械臂和输送带等的动作流程控制。整个控制系统中软件设计是核心所在，需要完成工作的流程控制、机械臂和传送带速度准确控制，还需要考虑机械臂自我检修问题，能发现故障并给出报警信号供操作人员处理。整体控制系统由软硬件两部分构成。软件要实现触摸屏组态控制，能监控各工作站工作状态；能实现各工作站间工作配合，机械臂合理动作，工作流程的重复进行；在某个流程出现差错时启动报警，可检查状态是否就绪继续或是进行复位操作重新开始工作流程。此外还可设置传感器检测是否有人员进入危险工作区域进行报警。
按生产工艺流程顺序控制系统需要满足以下几个方面的要求：首先是完成协调控制各工序，能使各工序可靠高速运行；其次是能实时反馈响应动态变化，对各种情况做出相应处理；再次是有较为友好直观的HMI人机交互界面方便操作人员设定参数及控制系统工作状态。系统组成应包括PLC、堆垛机械臂、伺服驱动、触摸屏及输送流水线等各个功能单元，见系统组成框图图3所示。
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图3控制系统硬件框图
3.2 整体工作流程控制算法设计
依据工作步骤，需完成混料和进料、装袋、输送、质检、剔袋、堆垛等工序，再依据图2所示具体工作流程图，设计整体控制算法。需判断包装袋是否已被输送到指定位置，此时若堆垛机械臂已处于就绪状态则执行抓取程序；若未就绪则需停止传送带运行进行等待。还需具备按下急停按钮时整个生产线各环节停止并保持状态等待下一步操作指令。控制流程设计见图4所示。
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图4 工作流程算法设计
3.3 机械臂运动轨迹控制设计
要实现机械臂对包装袋的精确抓取及准确定位堆码位置，设计控制系统采用伺服电机进行机械臂、传送带及混料机的运动过程控制。PLC可以产生伺服电机驱动器所需要的脉冲信号和模拟量，通过对伺服器的信号给定及传感器反馈信号来完成输送带、机械臂运动速度及位置的控制。伺服电机伺服器通过接收到的PLC脉冲个数可精确控制伺服电机的运动方向和速度从而控制机械臂的运动过程。伺服驱动器的硬件连接电路见图5。
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图5 伺服驱动器的硬件接线
设计方案中要实现工序流程的准确衔接配合，需保障电机的启停时刻准确无误，因此在生产线的包装袋缝纫封口到位处、机械臂旋转到位（停止及反向）处及底贴处要安装接近开关，将其检测信号通过PLC扩展模块SM321采集，伺服电机需要安装增量式旋转编码器来完成单回路的PID闭环控制，控制原理如图6。
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图6 单回路闭环控制
4 结束语
本文分析了固体颗粒物料自动包装堆垛流水线工艺流程，据此设计了相应的PLC控制系统组成、工作流程控制算法和伺服电机控制方案。整体方案设计还需针对具体生产环境完成自动称量系统及质检系统设计与实验。本设计对于具体的某种固体颗粒物料的自动包装堆垛流水线控制实现提供了一种参考途径，需要在具体生产线的包装实验中反复调整具体程序编制和参数调整。
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作者简介：李金龙（1980.10）男 甘肃永靖 汉 本科 讲师 甘肃机电职业技术学院 研究方向:电气自动化
甘肃机电职业技术学院资助校级科研项目（GSJD2020A07）基于S7-1200PLC的磁导航自动导引运输车纠偏控制方法研究