自動充絨機的設計與網絡化控制

賴永波，嚴 惠

（智能工程學院 江蘇信息職業技術學院，無錫 214153）

0 引言

羽絨被服制品傳統生產加工中存在人工稱絨誤差、填充慢、生產效率低下以及生產現場環境差等缺點，設計與應用具有自動精準稱重、快速自動充絨等功能的充絨機是現代羽服被類企業生產的必然趨勢。隨著加工制造業的科學技術進步，充絨機已從過去的機械式向自動化階段不斷發展[1～4]。喬橋等人[5]基于ARM7控制芯片設計了自動羽被充絨機，可實現羽絨填充重量的設定和連續充絨功能，文獻[6,7]采用可編程控制器技術對充絨機進行自動化生產控制，充絨效率得到提高，趙燕偉[8]設計了微機控制稱絨的半自動型充絨機，采用預測算法以及智能控制規則，實現充絨接近設定值時的進絨速度控制。但是這些充絨機在生產應用領域存在的主要問題有：不能夠根據生產指標參數要求，實現羽絨儲存、傳送、稱重、充絨等系統控制功能的集成，也未提出多通道調節出絨順序控制型自動充絨機，面對現代企業高效生產，其網絡化多臺自動充絨機的工廠級實時監控生產更沒有提出與應用。

隨著組態控制與智能調度控制技術在智能制造領域的發展與應用[9,10]，在借鑒和參考國內外充絨機的基礎上，結合生產企業的產品指標和技術工藝要求，本文設計了一款新型自動充絨機，并投入企業實際應用，獲得良好的經濟效率。

1 機械系統設計

充絨機機械系統主要有儲絨機構，攪拌機構，稱重機構和輸絨機構四個部分構成。

1.1 儲絨箱與攪拌裝置

儲絨箱分為上儲絨箱和下儲絨箱，如圖1所示，上儲絨箱用于儲存進絨，下儲絨箱用于羽絨的除雜等準備工序。攪拌裝置如圖2所示，主要由攪拌電機、聯軸器和攪拌齒葉等構成，主要功能為防止羽絨堆積造成管道阻塞，影響后續生產控制。

圖1 儲絨箱

圖2 攪拌裝置

1.2 稱重機構

稱重機構有稱重箱、稱重容器和稱重傳感器構成，稱重箱如圖3(a)所示，稱重容器分為上下兩部分，由可透視亞克力板或有機玻璃構成，上半部分為長方體或正方體在其四周和頂部安裝空氣過濾網，上半部分與儲絨箱體腔連通，下半部分為從上而下逐漸變窄的四棱臺與底座托盤構成，如圖3(b)所示，下部分與出絨管道相連。生產過程中羽絨經上半部分由管道壓縮空氣輸送到容器內，羽絨受重力影響匯集在四棱臺腔體下方暫存等待稱重。

圖3 稱重機構

在稱重容器底座托盤下方安裝有稱重傳感器，本充絨機最重稱重羽絨在100g以內，稱重精度要求達到0.1g，選用NC308C6MR/600g型稱重傳感器，采用懸臂梁安裝方式，它的上端部分固定在稱重容器的底座托盤表面，下端固定在稱重箱體的防震支架上，可避免工作過程中由于箱體震動可能導致稱重容器與箱體接觸影響稱重精度以及損壞傳感器，安裝維護比較方便。

2 控制系統設計

基于企業成本、生產操作與工藝技術要求，充絨機控制系統設計主要包括：控制器硬件選型與安裝，單機控制流程與程序設計和網絡化多機監控系統設計。根據充絨機輸入輸出控制要求，控制器硬件采用信捷XD-3-60R型PLC、XD-E4WT-C稱重模塊和TPC1570GI觸摸屏來組態架構，本文只給出網絡化多機監控系統架構原理圖，如圖4所示，該監控系統架構利用觸摸屏的網口通過交換機和上位計算機組態實現，也可通過無線路由和VNC軟件實現遠程移動終端監控。

2.1 單機監控操作設計

充絨機在系統啟動運行后，通過PLC和觸摸屏輸入與輸出控制上下箱體加絨、攪拌、傳送、定量稱重和充絨動作執行生產流程。單機監控操作中需實現根據羽服被的充絨格數和重量組態配方、自動稱重和四通道調節充絨等控制功能，其控制流程參如圖5所示。

圖4 網絡化多機監控系統架構圖

圖5 單機控制流程圖

1）組態配方

生產中設計組態配方控制功能，解決羽服被的充絨格數、次數和啟用配方個數在生產中的批量參數設置，通過一鍵式操作更改PLC控制參數實現高效準確的實時控制，其配方子程序控制流程圖參如圖6所示。

圖6 配方子程序流程圖

通過觸摸屏組態配方監控界面，在系統啟動運行后，只需設定循環次數和循環配方數，系統即可自動調用相應的功能來達到生產控制要求。

2）自動稱重

稱重子程序負責每個稱重容器的羽絨自動稱重控制，系統運行后，接收到配方程序發送過來的數據后開始充絨，先采用長動方式進行快速預充絨，預充達設定重量80%時，改換點動方式進行慢充絨（減小充絨稱重過程中的振動對傳感器的測量干擾），直到設定重量的允許誤差值下限為止，子程序控制流程圖參如圖7所示。

圖7 稱重子程序流程圖

本充絨機稱重箱內設計4路稱重裝置，需組態四通道的監控界面，實時顯示稱重模塊數據處理后的實時重量（相對重量）和實時反饋傳感器的電壓值。稱重控制設計中需進行模塊標定、零點標定、增益標定和去皮處理，其組態控制設計界面參如圖8所示。增益標定設定中假設砝碼重量是1kg，要求單位精確到千克則寫入1，精確到克則寫入1000，本充絨機要求單位精確到0.1克則寫入10000，即分辨率=1kg/寫入的數字量。

圖8 稱重模塊組態控制設計界面

3）充絨子程序

在實際生產過程中當出現稱重通道故障情況，以及有格數設定充絨重量過小時，系統控制會直接采用點動方式充絨，時間就會延長，出絨時間則變短，當有格數設定充絨重量過大時，由于出絨流量有限，從而影響充絨時間和生產效率，為此設計四通道調節控制策略可有效地解決實際生產中存在的這些問題。系統啟動運行后主程序調用配方子程序依次給稱重子程序中四個稱重通道分配工作任務，當有某個或多個通道稱重故障時，就會啟用調節控制對自動充絨運行中的五種情況進行實時處理：

第一種情況：稱重系統運行前，有稱重通道出現故障無法工作，需自動跳過，并給主程序發送故障信息，此時配方子程序不再給該稱重通道分配任務。

第二種情況：稱重系統運行前，手動關閉某一個或多個稱重通道（小于4），程序自動跳過被關閉的稱重通道，對下一通道分配任務。

第三種情況：稱重系統運行中，發生一個或多個稱重通道（小于4）故障無法工作，程序能自動跳過。

第四種情況：稱重系統運行中，可強制關閉，系統需將已分配的配方數據轉移給可以正常工作的稱重通道，直至取消強制。

第五種情況：稱重系統運行中，當某個稱重通道先稱重完畢就立刻啟動出絨控制，即先稱完先出原則。

控制流程圖省略。

2.2 網絡化多機監控設計

為滿足多臺充絨機的工廠級實時監控需要，設計網絡化多機監控系統實時提供生產車間、單個工位狀態、異常狀態報警、實時產量顯示和數據記錄等控制功能。

本系統所設計的二號車間設備1子窗口監控界面如圖9所示，可以查看當前設備產量、工作時間、清潔保養時間、控制設備啟停、頻率設定、產量清零等詳細信息，并配有動態文本框實時顯示。

3 結語

本文根據企業自動充絨的生產控制要求，設計了一款新型自動充絨機，該機有機械部分和控制部分構成，其控制部分采用PLC控制模塊，稱重傳感器配合稱重模塊，設計組態配方功能和網絡化人機一體化的監控組態操作界面，實現高精度自動稱絨和高效率的自動化生產，實際投入運行表明，該機工作可靠、操作方便，提高了企業生產效率。

圖9 狀態監控界面