1引言
水泥作為基礎設施建設的基本原料，是國家經濟建設的重要生產資料。我國是水泥生產大國，目前水泥產量已超過全球總量的60%。水泥包裝是水泥生產線上重要環節,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係統優劣的重要標誌。隨著機械化、自動化與信息化快速發展,節能環保與可持續發展成為當今共識,這對水泥包裝行業提出了新的挑戰。目前，許多小型水泥工廠迫切需要完成水泥包裝線的機械化與自動化，減少裝料粉塵與操作人員，提高包裝效率，降低成本，增強競爭力。工業機器人是麵向工業領域的多自由度的機器裝置，主要由主體、驅動係統和控製係統組成，一般具有(3-6)個運動自由度，可依靠自身動力和控製能力按程序自動執行工作，與不同的夾具配合可實現各種功能，廣泛運用於塗膠、焊接、搬運等領域，對提高工業自動化與柔性,實現無人工廠具有重要意義。實驗室與江蘇南京某包裝機械公司聯合研製了一種基於工業機器人的水泥包裝係統，主要用於閥口袋水泥包裝，實現了包裝係統的自動化與實時監測,提高了包裝效率與可靠性，工業機器人的引進極大地提高了水泥包裝係統的柔性。以S7-200為控製器四，結合組態王件詳細完成了新型水泥包裝線控製係統佝的開發。
2柔性水泥包裝係統的組成
柔性水泥包裝係統的四大組成部分，如圖1所示。主要包括伺服電機、袋庫機架、送袋機構、張袋機構、夾袋機構1、工業機器人、料倉、夾袋機構2、輸送機構和若幹傳感器，其中傳感器包括光電開關、接近開關、磁性開關、粉塵濃度傳感器、料位檢測儀等。包裝工藝流程為：送袋機構從袋庫取出閥口袋並送至張袋機構,張袋機構張開閥口袋，工業機器人利用夾袋機構1取袋並保持閥口張開狀態，送至閥形出料口，夾袋機構2夾緊固定袋子，料倉放料,裝料完成後自動封口，最後被輸送機構送至指定位置。工業化生產中，采用單一工業機器人配合多個閥形出料口協同工作，實現並行包裝，可提高包裝效率。

根據水泥包裝的工藝流程，釆用模塊化方法完成控製係統的設計，主要包括:張袋機構的循環供袋控製、工業機器人控製、裝料控製和輸送機構控製。包裝過程中會產生一定量的粉塵，影響設備的正常使用,如軸承、氣缸等,需保證粉塵濃度處於合理範圍之內，故實現對係統的實時監測是保證其安全、可靠、高效率運行的必要條件。
3控製係統硬件設計

字量擴展模塊、模擬量擴展模塊協同控製、監視係統的正常運行和保證設備安全，硬件結構連接，如圖2所示。空氣開關控製整個係統，可自動切斷電路，保護設備;交直流轉換器主要用來將交流電轉換成24V。
係統選用S7-200CCPU224CN）作為運算控製器，與數接電，為PLC和各模塊提供電源。控製係統以PLC為主體，模擬量和數字量擴展模塊通過自帶的通信端口依次連接，各信號均釆用隔離措施，模擬量釆用光電隔離，數字開關量釆用繼電器隔離，確保係統安全、可靠地運行。上位機采用STEPT-MicWWIN32編寫、調試控製程序，利用組態王軟件與PLC組態通信,實現對係統的遠程控製與實時監測。
根據水泥包裝工藝的要求，計算出控製係統需要的I/O點數如下:數字量輸入21點,包括現場設備的應答、備妥、限位、故障等信號;數字量輸出16點，包括真空發生器、氣缸等設備的驅動信號,伺服電機的脈衝信號（本係統采用S7-200自帶的高速PTO輸出）;模擬量輸入3點，分別是粉塵濃度傳感器、氣泵壓力值、輸送機構電機轉速反饋信號;模擬量輸出信號1個點，即輸送機構電機轉速。依據電氣硬件的特性，完成控製係統硬件配置，如表1所示。

4控製方案設計
4.1張袋機構的循環供袋控製
張袋機構有兩個作用:循環供袋和張開袋口,是水泥包裝的基礎工作，本係統釆用帶分支結構的順序控製法。按下啟動信號後，光電開關判斷是否有袋,若有袋則啟動張袋機構張開袋口並保持;若無袋則通過伺服電機啟動送袋機構,閥口袋到達目標位置後再啟動張袋機構，控製流程，如圖3所示。送袋機構釆用電機配合鏈傳動的方式，電機需間斷性啟動停止，故選擇交流伺服電機，利用S7-200自帶的高速脈衝串（PTO輸出）配合零位脈衝實現伺服電機的控製時。

4.2工業機器人控製
實驗係統的工業機器人型號為ABB公司的1410型焊接機器人叫主要完成閥口袋的取送,並與夾袋機構1配合使袋口保持張開狀態，便於插入閥形出料口。基於機器人的特點,可實現單一機器人與多個閥形出料口配合運行，縮小設備占用空間，提高包裝效率,使係統具有極強的柔性與適應性。工業機器人取袋與送袋機構送袋不能同時進行,機器人取袋離開機架後，送袋機構才能開始送袋，反之亦然。此處涉及PLC與機器人的信號交換，利用中間繼電器將PLC輸出信號轉換為機器人的輸入信號，設計機器人取袋與送袋機構送袋的電氣互鎖,使二者有且僅有一項處於活動狀態,保證係統的穩定安全運行,控製原理,如圖4所示。

4.3裝料控製
閥口袋具有粉塵少、自封閉的優點，廣泛運用於現代粉體包裝。工業機器人將閥口袋插入閥形出料口後，夾袋機構2夾緊並固定袋子，打開出料口閥門，開始裝料,待裝料完畢，夾袋機構2鬆開，閥口袋自行封閉，下落到輸送機構。為了保證係統正常運行，料倉內的水泥總量應保持在一定範圍之內。料倉圓周均勻布置高、中、低三組六個料位檢測儀,當料位超過任何一個高位檢測儀，關閉料倉進料口閥門;當料位低於任何一個低位檢測儀，打開進料口閥門。隻有當料位處於低、高料位之間,且夾袋備妥時，才能打開出料口進行裝料,具體控製策略，如圖5所示。

4.4輸送機構控製
輸送機構是水泥包裝的最後一個控製環節，主要作用是將包裝好的水泥運送至指定區域，本係統采用皮帶輸送方式，為了適應不同的輸送速度和提高輸送穩定性，建立了基於變頻調速的PID控製器。采用光電編碼器測量電機轉速,通過模擬量模塊輸入PLC,與速度指定值進行比較運算，設計數字PID運算器，構成半閉環控製係統U5,PID運算器的輸出值經過模擬量模塊轉換為(0~20)mA的電流信號,對應於變頻器(0~50)Hz頻率,以控製電機轉速,使輸送機構穩定運行，控製方案，如圖6所示。

4.5人機交互界麵設計
利用組太王軟件設計上位機人機交互界麵，本係統共設計了四個界麵，分別為柔性水泥包裝線控製係統主界麵、趨勢曲線界麵、數據報表界麵和報警監控界麵，其中主界麵，如圖7所示。

主界麵主要負責整個係統的遠程控製與實時監測，包括係統的啟動、停止控製;輸送機構電機轉速、氣泵壓力和粉塵濃度的檢測;係統運行過程中各工位的開關量的運行狀況顯示，可以形象地表征出係統運行過程。當氣泵壓力小於某一值或者粉塵濃度超過限定值時,係統會自動停止運行並產生燈光閃爍報警,排除危險後，報警自動解除，係統恢複運行。
點擊右下角的命令按鈕可分別進入趨勢曲線界麵、數據報表界麵和報警監控界麵。工作人員可通過查看實時趨勢曲線和曆史趨勢曲線,了解係統設備的運行狀況;數據報表能以EXCEL的格式保存數據,可方便操作人員了解、查看係統運行情況和各重要參數的數據,為查找、分析原因和排除故障提供可靠的依據;報警界麵可監控設定的變量,當超出正常值時產生報警信號，有助於保護設備安全。
5結束語
工業機器人末端執行器的活動範圍是一個三維空間，可靈活地適應高度各異的出料口，且對實現設備的簡約化、緊湊化布置具有重要意義;機器人與不同型號的夾具配合可以取送不同尺寸的閥口袋,實現不同量程的水泥包裝;通過對係統時域響應特性的優化可實現四個出料口的並行供料，進而實現多種物料的定量混合包裝，以上特征使水泥包裝係統具有高度適應性和柔性。以S7-200為下位機開發了柔性水泥包裝線綜合控製係統，利用組太王軟件設計了人機交互界麵,可實時控製與監測係統運行狀況，實現了自動化運行、檢測和管理。實驗室開發了驗證原型機，如圖8所示。實驗結果表明整個係統自動化程度高、運行穩定、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境,十分適合小型水泥工廠水泥包裝線的自動化改造。

作者：李支茂，譴永祥，李雙躍，榮雲

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