自動稱重噴碼系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

陳紀(jì)旸，馬思樂，丁為飛，張佰順，安栩明

（1.山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.中國石油大學(xué)（華東） 信息與控制工程學(xué)院，青島 266580）

自動稱重噴碼系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

陳紀(jì)旸1，馬思樂1，丁為飛1，張佰順1，安栩明2

（1.山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.中國石油大學(xué)（華東） 信息與控制工程學(xué)院，青島 266580）

為解決物體稱重后標(biāo)記基本由人工完成，勞動強(qiáng)度大、準(zhǔn)確率不高的問題，介紹了一種基于西門子S7-300 PLC控制的對物體進(jìn)行自動在線稱重和自動噴碼的方法和系統(tǒng)。稱重儀表通過PROFIBUS總線和PLC進(jìn)行通信，稱重儀表與噴碼機(jī)采用RS-232通信，由噴碼機(jī)對稱重信息和產(chǎn)品信息進(jìn)行實(shí)時噴碼。該系統(tǒng)比較適合應(yīng)用在包裝機(jī)械行業(yè)，尤其適合用在筒子紗的包裝過程中。現(xiàn)在該系統(tǒng)已用于某紡紗企業(yè)的筒子紗包裝過程中，取得了良好的效果，提高了稱重標(biāo)記的效率和準(zhǔn)確率。

自動稱重；自動噴碼；通信；實(shí)時；S7-300 PLC；筒子紗

0　引言

目前自動化水平高的筒子紗包裝為流水線自動包裝方式，將筒子紗自動裝入編織袋后在滾筒輸送機(jī)的輸送下，可以實(shí)現(xiàn)自動封口。但稱重時需轉(zhuǎn)到稱重儀器進(jìn)行稱重，然后由人工用筆在編織袋寫上重量等所需信息。此方法不但不美觀，并且會占用大量的人力資源，最重要的是編織袋上的產(chǎn)品信息會受到人為因素影響信息的準(zhǔn)確性。當(dāng)今人力成本越來越高，企業(yè)要求的自動化和產(chǎn)品信息準(zhǔn)確程度也得逐步提高，實(shí)現(xiàn)筒子紗裝袋后流水線實(shí)現(xiàn)自動稱重和噴碼是發(fā)展的必然趨勢[1]。

本系統(tǒng)的目的是提供在筒子紗包裝流水線上自動稱重和對稱重信息、生產(chǎn)信息進(jìn)行噴印，取代人工稱重和書寫稱重信息的裝置。

1　工作流程

本稱重噴碼系統(tǒng)，是在滾筒輸送線中每隔一根滾筒拆出一根共拆出四根間隔，在稱重時將編織袋頂起進(jìn)行稱重后數(shù)據(jù)實(shí)時傳送給噴碼機(jī)，噴碼定位檢測后，執(zhí)行噴印，噴印信息完成之后等待下次響應(yīng)[2]。筒子紗自動稱重噴碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。電子秤稱重儀表通過PROFIBUS總線和PLC進(jìn)行通信，把信息發(fā)送給控制器PLC。并且電子秤稱重儀表與噴碼機(jī)采用RS-232通信，可通過通信模塊把稱重數(shù)據(jù)傳送給噴碼機(jī)，對稱重信息和產(chǎn)品信息進(jìn)行實(shí)時噴碼。噴碼機(jī)可根據(jù)生產(chǎn)要求對噴印的信息進(jìn)行設(shè)定，如對字間距、大小以及光柵倍數(shù)的設(shè)定，噴碼機(jī)根據(jù)設(shè)定要求和收到的動態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行最終地噴印[3]。

圖1　筒子紗自動稱重噴碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

筒子紗稱重噴碼系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。其具體工作過程如下：

封完口后的編織袋在滾筒輸送機(jī)上運(yùn)動，當(dāng)編織袋運(yùn)動到完全遮住電子秤上方的兩個光電傳感器時，PLC控制四個稱重氣缸同時動作，將編織袋頂起，從而使得編織袋脫離于滾筒輸送機(jī)的接觸，穩(wěn)定一段時間后電子秤稱重儀表檢測到的稱重數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器PLC和噴碼機(jī)，PLC將稱重信息傳給觸摸屏進(jìn)行實(shí)時顯示。整個稱重動作完成后，PLC控制四個稱重氣缸歸位，將編織袋放下，從而使得編織袋繼續(xù)在滾筒輸送機(jī)上向前運(yùn)動。當(dāng)編織袋運(yùn)動到噴碼定位光電位置時，光電觸發(fā)噴碼機(jī)，由噴碼機(jī)對稱重等信息進(jìn)行處理噴碼。

2　系統(tǒng)組成及實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)的組成如圖3所示，本系統(tǒng)由傳輸機(jī)構(gòu)（滾筒輸送機(jī)）、檢測傳感器（光電傳感器和行程開關(guān)）、稱重氣缸、稱重傳感器、稱重儀表、通信模塊、噴碼機(jī)、控制器PLC以及操作面板觸摸屏組成。

圖2　稱重噴碼系統(tǒng)工作流程圖

圖3　稱重噴碼系統(tǒng)的組成框架圖

稱重儀表選用的是梅特勒托利多IND131/331工業(yè)稱重儀表，它可以提供方便靈活的方案，來應(yīng)對日益多樣的稱重需求。多種類型的外殼結(jié)構(gòu)，使得該系列儀表能夠在幾乎所有工業(yè)環(huán)境中使用[4]。最優(yōu)化的集成配置易于維護(hù)。不論是與PLC的通訊，還是與噴碼機(jī)等的數(shù)據(jù)輸出，IND131/331儀表都能在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域里為我們提供完美的解決方案。

在選用噴碼設(shè)備時，需要考慮控制系統(tǒng)接收信息（毛重、凈重）、支數(shù)及生產(chǎn)日期、生產(chǎn)廠家等各種所需信息，通信也是必不可少的功能，為了使噴在編織袋上的信息清晰，優(yōu)先選用大字符噴碼機(jī)。綜合以上要求，再加上噴碼速度及質(zhì)量，設(shè)備成本等各種其他影響條件，最終選用偉迪捷公司的Video Jet 2120型號的噴碼機(jī)[5]。

2.2通信網(wǎng)絡(luò)的配置及實(shí)現(xiàn)

整個系統(tǒng)以西門子S7-300 PLC作為控制核心。PLC通過以太網(wǎng)與觸摸屏通信；通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)與變頻器和稱重儀表通信，觸摸屏可以控制整個系統(tǒng)，變頻器調(diào)節(jié)傳輸機(jī)構(gòu)傳送帶的速度；稱重儀表通過RS-232接口完成與噴碼機(jī)的通信，向噴碼機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

控制器PLC通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)完成與梅特勒托利多稱重儀表IND331的通信任務(wù)，在STEP7中配置S7-300站為PROFIBUS-DP主站。S7-300 PLC要與IND331能夠通信，需要在STEP7的硬件組態(tài)時手動添加I3310C0C. GSD文件到硬件列表中（可以從網(wǎng)上或者IND331儀表光盤里找到這個.GSD文件）。添加該文件后，STEP7的硬件配置目錄PROFIBUS DP設(shè)備中“Additional Field Devices”的常規(guī)設(shè)備里就包含“IND131.331”設(shè)備[6]。硬件列表中找到稱重儀表IND331后連接到PROFIBUS通訊網(wǎng)絡(luò)。該設(shè)備包含三項(xiàng)，即“universal module”、“I/O2Wrd”和“I/O4Wrd”，這里選用第三項(xiàng)[7]。PLC配置如圖4所示。

圖4　PLC配置圖

IND131/331 提供1個標(biāo)準(zhǔn)串口和1個可選的串口。它們分別是COM1（主板上的標(biāo)準(zhǔn)端口）和COM2（選件板）。COM1提供RS-232接口。RS-232帶3根線（TXD，RXD和GND），不握手。串口上還帶有一個5V直流的激勵電壓。梅特勒托利多稱重儀表IND331與噴碼機(jī)進(jìn)行通信，通信接口為標(biāo)準(zhǔn)RS-232串行通信,電子稱發(fā)送數(shù)據(jù)方式設(shè)置為連續(xù)發(fā)送[8]。通信成功后，稱重儀表會將稱重信息實(shí)時的發(fā)送給噴碼機(jī)。電子秤數(shù)據(jù)通信格式如表1所示。

表1　電子秤數(shù)據(jù)通信格式

其中：

1）數(shù)據(jù)輸出以十六進(jìn)制02開始；

2）A，B和C為狀態(tài)字；

3）顯示重量：六位數(shù)，無符號和小數(shù)點(diǎn)；

4）皮重：六位，無小數(shù)點(diǎn)；

5）ASCII回車字符〈CR〉（0D hex）；

6）校驗(yàn)和：激活時傳輸，用來檢查傳送數(shù)據(jù)過程中的錯誤[9]。

2.3軟件程序的編寫

稱重噴碼系統(tǒng)程序的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)整袋筒子紗的自動稱重以及噴碼。整袋筒子紗運(yùn)動到稱重機(jī)構(gòu)的上方后，4個稱重氣缸就會同時動作，將筒子紗頂起，脫離滾筒線，開始執(zhí)行稱重，3秒后通過繼電器的控制將通信模塊的通信線路連通，完成稱重儀表與噴碼機(jī)的通信，噴碼機(jī)開始獲取稱重信息，待噴碼機(jī)上的重量信息與稱重儀表上重量信息完全一致并保持穩(wěn)定后，斷開稱重儀表與噴碼機(jī)的通信線路的同時保持稱重氣缸處于之前的狀態(tài)，筒子紗保持頂起狀態(tài)，以防稱重數(shù)據(jù)在氣缸回落的過程中發(fā)生改變后傳給噴碼機(jī)，影響噴碼信息的準(zhǔn)確性。1s后電磁閥動作，氣缸回落，筒子紗落下回到滾筒線繼續(xù)運(yùn)行，等待噴碼機(jī)將稱重信息噴印到編織袋上，當(dāng)整袋筒子紗運(yùn)動到噴碼機(jī)構(gòu)后完成噴碼。稱重噴碼系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

圖5　稱重噴碼系統(tǒng)程序流程圖

3　運(yùn)行效果

本稱重噴碼系統(tǒng)已應(yīng)用于某紡紗企業(yè)很長時間，運(yùn)行效果良好，可實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確稱重，大幅度提高了稱重噴碼的效率與準(zhǔn)確率，做到了稱重數(shù)據(jù)自動采集、自動通信、自動處理，提高了系統(tǒng)的信息化、自動化程度。傳統(tǒng)的人工稱重、標(biāo)記重量信息勞動強(qiáng)度大，并且經(jīng)常容易出現(xiàn)錯誤，而本稱重噴碼系統(tǒng)可以最大限度的降低人工操作所帶來的弊端和工作強(qiáng)度[10]。人工稱重標(biāo)記效果如圖6所示，自動稱重噴碼系統(tǒng)工作實(shí)物圖如圖7所示。

圖6　人工稱重標(biāo)記效果圖

圖7　自動稱重噴碼系統(tǒng)工作實(shí)物圖

4　結(jié)束語

本自動稱重噴碼系統(tǒng)，適用于筒子紗生產(chǎn)行業(yè)在流水線打包過程中的應(yīng)用。此系統(tǒng)通過控制器PLC檢測各個狀態(tài)的信號，進(jìn)而控制相應(yīng)的動作，能夠很容易的應(yīng)用在由傳輸機(jī)構(gòu)、稱重機(jī)構(gòu)、噴碼機(jī)、光電傳感器、觸摸屏等組成的稱重、噴碼設(shè)備中，從而實(shí)現(xiàn)自動化、準(zhǔn)確、高效率對每袋筒子紗進(jìn)行稱重，通過噴碼機(jī)對實(shí)時稱重信息和生產(chǎn)信息進(jìn)行噴印。噴碼機(jī)可根據(jù)生產(chǎn)要求靈活對噴印產(chǎn)品的進(jìn)行修改，生產(chǎn)信息如每袋筒子紗個數(shù)，產(chǎn)品批號和實(shí)時生產(chǎn)日期。并把每袋的稱重數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC進(jìn)行產(chǎn)量統(tǒng)計，在觸摸屏上可對稱重數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示。本系統(tǒng)操作簡單，減少了人工勞動量，提高

【】【】了生產(chǎn)效率，提高了筒子紗生產(chǎn)行業(yè)的自動化水平。

[1] 馬思樂,黃彬,張華龍,程浩宇,秦嶺,楊江利,陳隊(duì)范,鹿慶福.一種稱重噴碼機(jī)及其稱重噴碼方法：中國,CN201510478022.3[P].2015-10-28.

[2] 劉海波.基于DELTA機(jī)構(gòu)的高速并聯(lián)裝箱機(jī)器人[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2014.

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The design and implementation of automatic weighing and printing system

CHEN Ji-yang1, MA Si-le1, DING Wei-fei1, ZHANG Bai-shun1, AN Xu-ming2

TP273

A

1009-0134(2016)07-0018-03

2016-05-29

陳紀(jì)旸（1991 -），男，山東淄博人，碩士研究生，研究方向?yàn)镈CS、SCADA與工業(yè)自動化。