邱明海
佛山职业技术学院
摘要：专业的全自动不锈钢码垛设备的使用大大减少生产线上工人的数量和降低了一线生产工人的劳动强度，同时也提高了生产效率，降低了用工成本。由原来人工码垛改进为自动化码垛，减少了企业生产工人的数量，提高了生产率，降低了生产成本。本文将介绍如何通过西门子S7-1200PLC基于Profinet网络组态及编程，进行佛山某科技有限公司设计生产的不锈钢码垛设备的控制。实现不低于每分钟3-6箱的码垛速度，完成满足不锈钢生产企业的需求，大大提高了整条全自动不锈钢包装线的生产效率。
关键词： 不锈钢管 码垛 S7-1200 Profinet
1.前言
某企业针对6种不同规格的不锈钢管，进行自动化包装生产线的设计。规格不同，所需纸箱的规格尺寸也不同，如图1所示。整个包装线工作流程为将不锈钢管进行切断、整形、去毛刺、再将不锈钢管移到下一个工位人工叠十层、手工缠绕，最后进行装箱、打包和码垛。整个包装过程至少需要十个工人。包装效率低下，浪费了大量人力、物力，包装的质量也较差。为了快速响应市场需求，提高生产效率，降低人工成本，企业迫切开发一条不锈钢管自动包装线。本文研究的是一种不锈钢自动包装生产线中的快速码垛设备，主要完成码垛工序，能达到将包装好的不锈钢管以3~6箱/分钟的速度进行码垛整理及快速运出工作区域的技术指标。整个码垛设备的运行只需要设备监控人员1人，从而大大减少了生产工人的数量，大大降低了工人的劳动强度，提高了不锈钢管包装生产线的整体运行效率，具有显著的经济和实际应用价值，在电气控制方面该设备采用西门子S7-1200PLC做核心控制器，结合威纶通触摸屏、变频器以及Profinet总线通信技术等先进控制技术加以实现；以下笔者将详细介绍如何进行该设备的控制。
.png)
图1 包装纸箱尺寸规格
2.高速码垛设备基本构成
本文研发的一种不锈钢管包装箱高速码垛设备，包括辅助推箱装置、侧推箱装置、抓取叠垛装置和储料移出装置四部分，如图2所示为该设备总体装配图。
主要工作流程：将包装好产品的纸箱经打包机封装后，通过皮带传送机构传送至快速码垛装置，包装箱首先经过辅助推箱装置输送至侧推箱装置的储料滚动平台上，为了减少摩擦力，平台有支架和数个滚筒组成。但由于包装后的纸箱长度较长，包装箱不能按预期送到指定位置，此时借助于辅助推箱机构，施加一推力，将包装箱向前推动至包装箱指定位置。包装箱送至指定位置后，侧向分箱机构钟气缸施加推力，推动包装纸箱送至该装置中的另一储料平台上。按照上述方式，当侧储料平台上储量达到3箱后，抓取机构在电机的作用下，通过齿轮齿条将机械手下降至侧储料平台的抓取位置，将3箱包装箱抓取送至储料移出平台上，机械手的整个左右移动过程都是通过刹车电机带动机架上的运料小车来实现；为了防止包装箱码垛达到一定数量后倒塌，在码垛移动平台上安置四根方管用于固定码垛后的包装箱；当储料移出装置上的码垛纸箱达到一定数量和高度后，停止向该叠跺平台送包装箱，改箱另一端的储料移出装置，从而保证实现整个码垛的有序进行。
.png)
1.机械手抓取装置 2.侧向分箱装置 3.辅助推箱装置 4.储料移出装置
图2快速码垛装置总体装配图
3.控制程序架构及触摸屏画面设计
3.1控制程序架构与硬件组态
设备的硬件组态采用Profinet总线与站点连接（如图3a和图3b所示），控制程序采用可视化的变量和模块化的编程（如图4所示），便于程序现场调试；根据设备的工作过程要求，将设备所需的每个功能设计成子程序然后在从主程序中进行调用控制。程序的功能有左边码垛自动控制、右边码垛自动控制、系统复位及自动输送已码垛好产品控制。左码垛控制、右码垛砖控制主要用于完成本设备进行左右码垛设备的运动轨迹及机械手的动作控制，如在程序设计上考虑要进行对以上的功能子程序进行协调，专门设计了一个系统使能的子程序，用于判断系统开关机、系统是否进入复位、控制。考虑到设备的安全性及出现故障的应急处理，专门在程序中加入了一个安全控制的子程序。内里包括了对机械手上下运动、小车前后移动到达极限位的应急停产、系统进入急停模式后对全部使能进行复位以及对输出进行强制停止等，从而提高了整个设备的安全性能。
.png)
图4 可视化变量和模块化编程
3.2触摸屏画面设计
码垛设备的触摸屏采用的威纶通的TK6070IH这款触摸屏，触摸屏在这里的主要作用有进行设备的手动调试、自动工作状态监视、设备报警调试等作用。触摸屏设计如下（如图6所示）：
图6 HMI画面设计
4.核心程序的设计
程序架构及触摸屏设计所设计的控制方案，在机械手下降的过程中采用了一个定点控制（在输送带的末端），一个不定点控制（码垛在小车）；随着码垛的包数增加，机械手下降的位置随即上升，如何判断实现不定点控制是该功能能否实现的重点，这就要求我们对机械手机构进行分析处理（如图7所示）。
.png)
图7机械手抓取装置三维效果图
方案一：在机械手抓取装置加装一个电容传感器，通过异步电动机带动机械手抓取机构下压，使电容传感器得到信号，这时电动机停止，机械手进行夹紧/放松的动作，从而实现机械手抓取不定点控制的功能。
方案二：在机械手抓取装置下降的过程中采用了两段速进行，机械手的上下控制在程序设计上其原理为砖码垛数加一的原则进行位置数据的换算。为了在程序控制过程中方便比较，我们需要将小车上码垛的不锈钢的高度转换为光电编码器的脉冲数据，在现场调试中以8MM*10层一包为例，一包不锈钢的所占的脉冲数为100个，同时机械手到达最底部一包砖光电编码器产生的脉冲数为6000个，每放入一包不锈钢时，小车上码垛瓷砖的高度脉冲数据为6000-（当前层数*100），在程序上设置2包的厚度的减速位置，则减速位置为-200。
综上所述，可以看出方案一优点：成本低，程序简单，通俗易懂；缺点：易产生损伤产品。方案二优点：点控制精确，可以实现多段速运行，缺点：程序复杂，维护与维修困难。最后选择刹车电动机和加装电容传感器来实现这个不定点的控制。PLC的程序设计如下（如图8所示）：
.png)
图8码垛设备控制程序
5.结论
本文设计的新型高速码垛设备作为不锈钢管包装生产线的最后一道工序，除了能够完成包装箱的传送与抓取等功能外，它的最大特点是能够跟对6种不同规格长度的不锈钢管包装箱进行设备的快速装调。
参考文献：
（1）SIMATIC S7 S7-1200 可编程控制器系统手册 西门子自动化公司 2015；
（2）张志勇，赵淮等 包装机械选用手册[M].北京：机械工业出版社，2012：535-546.
（3）威纶通触摸屏EB8000 Project Manager编程手册 威纶通有限公司 2014；
（4）秦磊.面向陶瓷行业的高速自动包装码垛生产线[J].自动化信息工程，2010（4）：11-15；
（5）马少波. 全自动包装码垛机组的一体化高效作用[J].盐业与化工，2014（10）：43-44.；
（6）付铁，李金泉等 一种新型高速码垛机械手的设计与实现[J].北京理工大学学报，2007（1）：19-20；
（7）胡洪国，高建华，杨汝清.码垛技术综述[J].组合机床与自动化加工技术，2000（6）：7-9.
（8）《S7-1200PLC编程及应用》 第2版 廖常初主编 机械工业出版社。