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0引言
隨著我國產業(yè)結構調整和“中國制造2025”的全面實施，自動化智能化設備在現代工業(yè)中得到日益廣泛的應用。全自動碼垛生產線是集機械制造、電氣系統控制于一體的高技術產品，廣泛應用于化工、醫(yī)藥、食品、糧食等行業(yè)，與人工碼垛和機器人碼垛相比，高位碼垛機具有適應性強、自動化程度高、碼垛速度快等特點，可大幅度提高生產效率，降低企業(yè)運營成本［1-4］。經濟的持續(xù)發(fā)展促使石化企業(yè)生產規(guī)模的日益擴大，迫切需要提升包裝碼垛生產環(huán)節(jié)的效率，目前在包裝設備上已由傳統預制袋包裝機逐步向FFS重膜包裝機過渡，FFS包裝機包裝速度最高可達2400包/h，因此對下游碼垛設備提出更高的性能需求，提升全自動高位碼垛機的碼垛能力已經迫在眉睫。
全自動高位碼垛機融合了多學科知識，設備研發(fā)和調試需要具備深厚的技術儲備和豐富的工程實踐經驗，技術壁壘較高［5］。國外自動化包裝行業(yè)起步較早，技術能力強，產品體系完善，較為出名的企業(yè)包括德國BEUMER、意大利BL、德國HAVER等，圖1為進口碼垛機的幾種結構形式，它們均為具備自主知識產權的先進設備和具有穩(wěn)定可靠的控制系統，能夠保障穩(wěn)定生產能力在2200包/h以上，但產品售價較高。

目前國內高位碼垛機生產廠家主要有無錫力馬、哈爾濱博實、等廠家，但受到技術限制，設計生產能力一般在1800包/h之內，實際穩(wěn)定工作能力在1600包/h左右，與國外產品有一定的差距，難以滿足生產企業(yè)對碼垛生產線性能的要求。表1為國內外主要高位碼垛機廠家的產品性能參數。
性能完善的系統結構和快速響應、精確定位的控制系統是保障和提升碼垛機生產能力的重要環(huán)節(jié)。為提升現有高位碼垛機的生產能力，本文通過建立兼顧性能和安全的碼垛生產系統，設計了基于PROFIBUS-DP擴展總線通信的高位碼垛機伺服驅動控制系統，并對產品結構進行優(yōu)化設計，以此來確保研制的高位碼垛機既可以大幅提升碼垛能力，又可以穩(wěn)定可靠運行。

1高位碼垛機系統分析
1.1高位碼垛機工作原理
高位碼垛機是將定量包裝袋輸送至一定高度后，按照預定方式對料袋進行整形、轉位、編組、推包、分層，將料包按層碼放到托盤上，最后由叉車叉運。碼垛生產線由不同功能的設備單元按照工藝流程順序組合連接而成，各個設備單元在功能上相對配合，其各自的響應速度和定位精度是保障整機高效運行的前提。
1.2高位碼垛機結構
全自動高位碼垛生產線的結構主要由以下單元組成：過渡輸送機、爬坡輸送機、整形輸送機、提速輸送機、轉位輸送機、緩停輸送機、編組輸送機、推包機、分層機、側整形機、托盤倉、托盤輸送機、升降機、垛盤輸送機及鋼平臺扶梯等。各單元的技術參數和工藝流程協調一致確保運行效率和碼垛功能［9］。為有效提升碼垛機的生產能力，在充分分析各組成單元的技術特點和工況條件，設計了一套結構緊湊、配合合理的高位碼垛生產線，如圖2為高位碼垛機三維模型。

1-過渡輸送機2-爬坡輸送機3-整形輸送機4-提速輸送機5-轉位輸送機16-轉位輸送機27-緩停輸送機8-編組輸送機9-推包機10-分層機11-側整形機12-托盤倉13-托盤輸送機14-托盤輸送機15-升降機16-垛盤輸送機

轉位輸送工位是制約碼垛生產能力的重要環(huán)節(jié)，要保證2400包/h的生產能力，如果配置一個轉位工位，則平均每2.5s需要完成一包物料的轉向輸送，該工況條件對電機減速機的結構強度和驅動控制系統的穩(wěn)定性要求極為苛刻。德國BEUMER公司針對轉位工位有較為深入的研究，對于不同料包特性和生產能力要求設計出三種轉位裝置，如圖3所示。夾持轉位設備通過氣缸驅動夾板夾住料包兩側進行旋轉，適應性強，結構簡單，可應用于各種料包，也是目前國內應用最廣，技術最成熟的一種；雙皮帶轉位設備是由兩臺平行布置獨立驅動的皮帶輸送機，應用同步伺服電機控制，系統采用主動反饋控制系統，對于不同規(guī)格料包可以準確確定皮帶速度，處理料包輕柔，適用于容易變形的物料，效率最高可達2500包/h，但國內鮮有應用，技術尚不成熟；棒性轉位設備適用于大通量處理不易變形的袋裝物料，具有操作方便可靠性高等特點。鑒于以上分析，本文設計的高位碼垛機采用雙工位夾持轉位輸送機，以提升轉位速度，保障碼垛機的生產能力。

1.3工藝流程優(yōu)化
高位碼垛生產線碼放的垛型需要穩(wěn)固美觀，以便于物料的儲存和運輸，圖4為物料在倉庫中儲存形式，如果垛型碼放松散極易產生傾倒事故。

傳統高位碼垛機在結構設計上有一套壓包單元，即在分層碼放到托盤時，通過壓包機將垛型壓平，但壓包動作一般較慢，嚴重影響了碼垛機的碼垛速度，成為提升碼垛機生產能力的瓶頸［10］。本文所設計的碼垛機，通過改變工藝流程和分層機的結構形式，在分層機關閉后，利用編組的時間，通過升降機提升碼放好的垛盤對分層平板進行擠壓實現壓包。通過該工藝優(yōu)化，不但有效提升了碼垛機的生產能力，而且壓包時垛盤受力均衡，使碼放出來的垛型更加規(guī)整。
2控制系統設計
全自動高位碼垛機運行過程中，輸送、轉位、編組、推包、分層等多個動作均是自動完成，為提高碼垛機生產能力，需要各工序能夠協調控制，具有可靠性高和動態(tài)響應性能好等特點，同時控制系統需要具備友好的人機交互界面，以便于生產維護和性能監(jiān)控［11-12］。根據碼垛機生產工藝流程設計了如圖5所示的硬件控制系統。

2.1“HMI+PLC”控制單元
根據碼垛生產線要求通用性強、響應速度快、擴展性好的特點，同時兼顧設計成本，選用西門子S7-300系列313C-2DP緊湊型PLC控制器。同時，為了便于生產維護和狀態(tài)監(jiān)控，構造人性化的人機界面，設計中選用兼具性能和可視化的TP900型精致面板。
2.2電機控制單元
為保證碼垛生產線達到2400包/h的生產能力，需要各結構單元在在高速運行過程中快速響應、精準定位、穩(wěn)定可靠。針對以上需求，根據不同單元的工藝特性配置不同的控制驅動系統，其中轉位、編組、推包機、分層機選用SEW同步伺服電機，因為同步伺服具有較高的動態(tài)特性高，過載能力強（過載能力可達4倍額定轉矩）等特點，尤其對于碼垛機需要頻繁啟停且系統加速度要求較高的單元，同步伺服電機最為合適［13］。對于升降機伺服電機，由于運行過程中需要承受較大的轉動慣量，所以選擇異步伺服電機。為了實現PLC主站對運動過程的統一管理與控制，伺服電機配備集成PROFIBUS-DP通訊板卡的MOVIDRIVEMDX61B系列伺服驅動控制器。
根據以往工程經驗，滿垛輸出過程中，如果通過工頻啟動，機械傳動部分的沖擊振動較大，易導致垛盤傾倒現象，所以垛盤輸送機通過ABB變頻器進行控制，零速啟動時可按照工藝的需要光滑地加速，而且其加速曲線也可以選擇直線加速或S形加速，確保垛盤平穩(wěn)進行輸送。
2.1“HMI+PLC”控制單元
根據碼垛生產線要求通用性強、響應速度快、擴展性好的特點，同時兼顧設計成本，選用西門子S7-300系列313C-2DP緊湊型PLC控制器。同時，為了便于生產維護和狀態(tài)監(jiān)控，構造人性化的人機界面，設計中選用兼具性能和可視化的TP900型精致面板。
2.2電機控制單元
為保證碼垛生產線達到2400包/h的生產能力，需要各結構單元在在高速運行過程中快速響應、精準定位、穩(wěn)定可靠。針對以上需求，根據不同單元的工藝特性配置不同的控制驅動系統，其中轉位、編組、推包機、分層機選用SEW同步伺服電機，因為同步伺服具有較高的動態(tài)特性高，過載能力強（過載能力可達4倍額定轉矩）等特點，尤其對于碼垛機需要頻繁啟停且系統加速度要求較高的單元，同步伺服電機最為合適［13］。對于升降機伺服電機，由于運行過程中需要承受較大的轉動慣量，所以選擇異步伺服電機。為了實現PLC主站對運動過程的統一管理與控制，伺服電機配備集成PROFIBUS-DP通訊板卡的MOVIDRIVEMDX61B系列伺服驅動控制器。
根據以往工程經驗，滿垛輸出過程中，如果通過工頻啟動，機械傳動部分的沖擊振動較大，易導致垛盤傾倒現象，所以垛盤輸送機通過ABB變頻器進行控制，零速啟動時可按照工藝的需要光滑地加速，而且其加速曲線也可以選擇直線加速或S形加速，確保垛盤平穩(wěn)進行輸送。

2.4PROFIBUS-DP控制總線
PROFIBUS是目前國際上通用的現場總線標準之一，它以其獨特的技術特點、嚴格的認證規(guī)范、開放的標準、眾多廠商的支持，被納入現場總線的國際標準IEC61158，PROFIBUS-DP主要用于制造業(yè)自動化系統中單元級和現場級通信。特別適合PLC與現場級分布式I/O設備之間的快速循環(huán)效據交換，碼垛機生產線HMI、PLC、伺服控制器之間的即采用DP總線通信［14］?；赑ROFIBUS-DP擴展總線建立的碼垛機控制設備網絡組態(tài)，如圖7所示。

SEW伺服的擴展總線定位功能具有操作使用方便、用戶界面友好、可實現長距離監(jiān)控等優(yōu)點。通過總線控制可以設定無限多的目標位置，且可以隨時調整運行速度，控制系統的軟件限位和狀態(tài)監(jiān)測功能對碼垛生產線的測試優(yōu)化具有重要意義［15-16］。如圖8所示，伺服變頻器是通過過程數據通道進行控制，PLC發(fā)送6個過程輸出數據到伺服變頻器，用于控制伺服使能、啟停、目標位置和速度設定等功能；同時PLC接受從伺服變頻器返回的6個過程輸入數據，可實現伺服變頻器的狀態(tài)監(jiān)測。各控制字定義及使用可參考SEW伺服變頻器系統手冊。

根據以上分析，通過結構優(yōu)化、工藝革新、性能改進，設計并生產了如圖9所示的高位碼垛機，通過樣機測試，該碼垛機結構穩(wěn)定，運行安全可靠，穩(wěn)定碼垛速度可達2200包/h，大幅提升了現有碼垛機的生產能力，縮小了與進口碼垛設備的差距，為實現高性能自動化設備的國產化邁進了一步。

3結論
通過對高位碼垛機的工作原理和各單元功能進行分析，了解了影響碼垛機生產能力的主要因素，著重研究了設備結構組成、運行工藝流程、控制系統對提升碼垛機生產能力的影響，設計并研發(fā)了一套性能完善的高位碼垛生產線。主要結論如下：
（1）碼垛生產線各設備單元的協調一致是提升碼垛機生產能力的關鍵，其中，轉位輸送工位是制約碼垛機速度提升的瓶頸，雙工位的夾持轉位輸送機技術成熟可靠性高，是碼垛生產線的最優(yōu)選擇。
（2）優(yōu)化工藝流程，取消壓包工位，通過升降機提升碼放好的料包對分層平板進行擠壓實現壓包是提升碼垛機碼垛能力的有效手段。

（3）根據碼垛機的結構形式和運行特點搭建的安全控制系統，能夠保障設備和操作維護人員更安全，降低事故率、減少停機時間，可保證以符合安全標準的方式高效利用設備，以提高生產效率。
（4）基于PROFIBUS-DP的伺服控制系統的應用，使碼垛生產線控制系統更加穩(wěn)定可靠，并且實現了PLC主站對運動過程的統一管理與控制。

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