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近年來隨著國家節(jié)能減排政策不斷推行，許多高能耗、低產(chǎn)能的小造紙企業(yè)被強(qiáng)制關(guān)閉，國內(nèi)市場進(jìn)一步凈化，產(chǎn)能逐步向大企業(yè)集中。產(chǎn)能的集中必
定會(huì)要求生產(chǎn)自動(dòng)化程度與生產(chǎn)效率的不斷提高，同樣伴隨著工廠信息化程度的不斷提高，上層決策系統(tǒng)將需要更多的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，以便于進(jìn)行更有效的生產(chǎn)管理，同時(shí)設(shè)備維護(hù)人員也需要設(shè)備運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，以便于設(shè)備的維護(hù)，處理已有故障或提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的隱患，做到提前預(yù)防，從而保證自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)行高效性，為高效率的生產(chǎn)提供堅(jiān)實(shí)的設(shè)備基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
按照紙種的用途來看，大致可分為包裝用紙、生活用紙和文化用紙三大類。除包裝用紙外，生活用紙與文化用紙?jiān)趦?chǔ)存、運(yùn)輸過程中，為防止紙卷受潮，或在倉庫與運(yùn)輸過程中受到損傷，甚至某些特種紙對(duì)自然環(huán)境有要求的，需要先對(duì)紙卷進(jìn)行包裝處理。包裝又分為膜包裝與牛皮紙包裝，在實(shí)際的使用中，廠家會(huì)根據(jù)客戶的要求進(jìn)行膜包裝或牛皮紙包裝，或是兩者都采用。其中，牛皮紙包裝是對(duì)紙卷的圓周面采用牛皮紙進(jìn)行包裝，而紙卷的端面加內(nèi)外封頭進(jìn)行密封處。

廠產(chǎn)能的提高，生產(chǎn)節(jié)拍的加快，傳統(tǒng)的人工放置封頭與貼標(biāo)過程已不能滿足生產(chǎn)，高效的全自動(dòng)紙卷包裝機(jī)用機(jī)器人來代替人工，并改進(jìn)設(shè)備工藝，提高設(shè)備速度，紙卷數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與處理，大大地滿足了企業(yè)高產(chǎn)能的生產(chǎn)要求。本文主要介紹的就是基于西門子PLC控制系統(tǒng)、機(jī)器人、OPC服務(wù)器[1]等智能裝備的全自動(dòng)紙卷包裝機(jī)，并介紹為上層管理決策提供系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的方法[2]。

1    全自動(dòng)包裝機(jī)的基本組成

本文所介紹的全自動(dòng)紙卷包裝機(jī)分為六個(gè)工位（見圖1）：

(1）對(duì)中工位：對(duì)進(jìn)入包裝機(jī)后續(xù)工位的紙卷進(jìn)行對(duì)中處理。系統(tǒng)配置的自動(dòng)掃描儀在紙卷進(jìn)入對(duì)中工位前對(duì)紙卷上的小條碼進(jìn)行掃描識(shí)別，從工廠的數(shù)據(jù)庫中讀出此紙卷的規(guī)格信息，如紙卷的幅寬、直徑，對(duì)中工位上的對(duì)中裝置將紙卷對(duì)中后，配置的激光測距儀將測量紙卷的端面及圓周面，從而測出紙卷的幅寬與直徑，與掃描儀識(shí)別的條碼數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；同時(shí)對(duì)中機(jī)處的稱重儀表將對(duì)工位上的紙卷進(jìn)行稱重測量，并將測出的實(shí)際重量與理論重量進(jìn)行比較，完成紙卷信息的復(fù)核。復(fù)核成功后，將紙卷的重量信息更新至服務(wù)器。
(2）入口緩沖器工位：從對(duì)中工位來的紙卷經(jīng)入口緩沖器平穩(wěn)地將紙卷停在工位移動(dòng)裝置上。其中，工位移動(dòng)裝置負(fù)責(zé)將紙卷從此工位依次送往后續(xù)工位，直至壓合工位。
(3）折邊工位：經(jīng)工位移動(dòng)裝置從入口緩沖器工位送到折邊工位的紙卷，將在此工位完成紙卷的內(nèi)封頭的放置和牛皮紙的包裝與折邊。系統(tǒng)配置的放內(nèi)封頭機(jī)器人將根據(jù)工位上紙卷的直徑信息自動(dòng)選擇合適的內(nèi)封頭，自動(dòng)抓取兩個(gè)封頭放置在內(nèi)封頭放置機(jī)上，經(jīng)由內(nèi)封頭放置機(jī)將封頭放置在紙卷兩側(cè)；折邊工位的送紙與放紙系統(tǒng)根據(jù)工位上紙卷的幅寬信息選擇合適的牛皮包裝紙，選中的包裝紙經(jīng)切紙噴膠系理，傳統(tǒng)的工藝是人工放置內(nèi)外封頭，人工粘貼商標(biāo)。隨著工統(tǒng)將紙頭粘貼在紙卷上，并根據(jù)設(shè)定的包裝層數(shù)計(jì)算送出的包裝紙的長度；達(dá)到設(shè)定的長度后，由切刀切斷包裝紙并噴尾膠，將牛皮紙可靠地粘貼在紙卷上，完成紙卷圓周面的包裝。再經(jīng)過折邊系統(tǒng)，將紙卷兩側(cè)多余的包裝紙進(jìn)行折邊處理，以便于后續(xù)工位進(jìn)行端面的壓合密封處理。

(4）等待工位：在折邊工位完成牛皮紙包裝的紙卷經(jīng)工位移動(dòng)裝置送到此工位，工位上配置的貼標(biāo)系統(tǒng)，將自動(dòng)根據(jù)紙卷信息打印出商標(biāo)合格證，粘貼在紙卷的圓周面。

圖2    控制系統(tǒng)構(gòu)成
(5）壓合工位：工位上配置的外封頭機(jī)器人自動(dòng)根據(jù)紙卷的直徑信息抓取合適的外封頭，將其放置在熱壓盤上，加熱后的熱壓盤將外封頭的膠水熔化后，對(duì)工位上的紙卷進(jìn)行壓合，從而將外封頭貼在紙卷上，對(duì)紙卷的端面進(jìn)行密封處理。
(6）出口工位：從壓合工位踢出的紙卷可在后續(xù)的移動(dòng)裝置上，由貼標(biāo)機(jī)器人抓取商標(biāo)合格證，并將之粘貼在包裝后紙卷的端面。
根據(jù)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力與實(shí)時(shí)性的要求，系統(tǒng)采用西門子S7-400PLC為主機(jī)，通過ProfibusDP總線連接多個(gè)現(xiàn)場ET200M智能從站、人機(jī)界面、變頻器（ABB800系列）以及第三方控制器，通過以太網(wǎng)連接到OPC服務(wù)器，收集包裝機(jī)系統(tǒng)中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，其中，第三方控制器主要為放置內(nèi)外封頭的機(jī)器人，以及貼標(biāo)機(jī)器人。ProfibusDP網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、可靠性，可以保證數(shù)據(jù)在PLC系統(tǒng)與機(jī)器人控制系統(tǒng)中的可靠傳遞，機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)PLC系統(tǒng)傳遞過來的信息，自動(dòng)選擇內(nèi)外封頭并與PLC系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。
系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖2。
為保證全自動(dòng)紙卷包裝機(jī)的正常運(yùn)行，現(xiàn)場設(shè)備上裝有眾多的傳感器來采集現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行位置與狀態(tài)。通過西門子分布式智能從站ET200M系列，將現(xiàn)場傳感器的數(shù)字量、

圖3    ProfibusDP網(wǎng)絡(luò)中的智能從站

圖5    變頻器總線控制模塊的數(shù)據(jù)格式

圖4    ProfibusDP網(wǎng)絡(luò)中的變頻器從站  

圖6    ProfibusDP網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)器人組態(tài)

模擬量信號(hào)傳送到現(xiàn)場的ET200M從站模塊上，模塊將采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，通過ProfibusDP網(wǎng)絡(luò)，將信號(hào)傳送到PLC，如圖3所示。人機(jī)界面（HMI）采用的是西門子系列的MP277按鍵式操作屏，操作屏內(nèi)置WindowsCE操作系統(tǒng)，通過WinccFlexible軟件對(duì)操作屏進(jìn)行編程開發(fā)，開發(fā)的操作屏將與PLC通過DP網(wǎng)絡(luò)通訊，通過在PLC程序中建立專用DB數(shù)據(jù)塊，將操作屏上的操作變量和顯示變量與PLC中的對(duì)應(yīng)起來，在操作屏上用功能按鈕改變變量值或輸入數(shù)值型變量，可以用來代替實(shí)際的按鈕來操作現(xiàn)場設(shè)備，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，或顯示系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障報(bào)警、操作提示等功能。
系統(tǒng)采用的電機(jī)控制變頻器選用ABB品牌的ACS800系列變頻器，配上專用的總線控制模塊RPBA-01模板，可以將變頻器直接通過ProfibusDP現(xiàn)場總線直接連到PLC系統(tǒng)的DP網(wǎng)絡(luò)中（如圖4所示）。將PLC作為主站、變頻器作為從站時(shí)，主站向變頻器傳送運(yùn)行指令，同時(shí)接受變頻器反饋的運(yùn)行狀態(tài)及故障報(bào)警狀態(tài)的信號(hào)，RPBA-01總線控制模塊將從ProfibusDP網(wǎng)絡(luò)中接收到的過程數(shù)據(jù)存入雙向RAM中，過程數(shù)據(jù)中的每一個(gè)字都被編址，在變頻器端的雙向RAM可通過被編址參數(shù)排序，向變頻器寫入控制字、給定值或讀出實(shí)際值、診斷信息等參數(shù)。變頻器現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，若從軟件角度看，其核心內(nèi)容是現(xiàn)場總線的通訊協(xié)議。通訊協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式根據(jù)ProfibusDP標(biāo)準(zhǔn)選用PPO2類型
（4PKW+6PZD），如圖5所示。其中PPO2包括參數(shù)值PKW及過程數(shù)據(jù)PZD。參數(shù)值PKW可用來設(shè)置變頻器運(yùn)行時(shí)要定義的一些參數(shù)值；過程數(shù)據(jù)PZD是變頻器運(yùn)行過程中要輸入/輸出的給定值或狀態(tài)量，如頻率給定值、速度反饋值、電流反饋值等，也可用來修改變頻器的參數(shù)。將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)這樣分類定義的目的，是為了完成不同的任務(wù)，即PKW的傳輸與PZD的傳輸互不影響，均各自獨(dú)立工作，從而使變頻器能夠按照主站控制系統(tǒng)的指令運(yùn)行。變頻器通過總線控制，可以線性輸出控制變頻器給定值，從而對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行平滑控制，并得到變頻器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的控制精度與設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。變頻器的故障信息也可以通過總線傳送至PLC系統(tǒng)，系統(tǒng)可將此報(bào)警信息傳送至上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行歸檔，作為歷史數(shù)據(jù)便于設(shè)備維護(hù)或作故障預(yù)測。
包裝機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)外封頭機(jī)器人選用的是ABB系列六軸機(jī)器人，貼標(biāo)機(jī)器人選用的是ABB系列四軸機(jī)器人，用來完成內(nèi)外封頭的自動(dòng)選擇與抓取、商標(biāo)合格證的抓取與粘貼。機(jī)器人系統(tǒng)自帶ProfibusDP網(wǎng)絡(luò)接口，因此可將機(jī)器人系統(tǒng)作為DP主站，通過DP協(xié)議與PLC之間進(jìn)行DP主站間的IO

圖7    內(nèi)、外封頭機(jī)器人

圖8    StationConfiguratorEditor配置窗口

圖9    Step7中添加PCStation

通訊，如圖6所示，用來傳遞設(shè)備運(yùn)行中需要的各種數(shù)據(jù)，如紙卷的信息、內(nèi)外封頭的規(guī)格、封頭紙垛的高度、故障信息、聯(lián)動(dòng)信號(hào)等變量數(shù)據(jù)。機(jī)器人控制系統(tǒng)利用空間坐標(biāo)作為運(yùn)動(dòng)軌跡，按照預(yù)先設(shè)定好的路線來進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)，并能精確定位。通過機(jī)器人手臂端安裝的夾具系統(tǒng)，可以吸附內(nèi)外封頭或商標(biāo)合格證，移動(dòng)到指定的地點(diǎn)進(jìn)行放置，并能對(duì)內(nèi)外封頭紙垛利用三點(diǎn)確定圓的數(shù)學(xué)原理來自動(dòng)確定圓心，保證放置內(nèi)外封頭位置的準(zhǔn)確性。在壓合工位中，將熱壓盤位置的實(shí)時(shí)數(shù)值傳送給機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)器人就可隨時(shí)改變運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)時(shí)跟隨壓合設(shè)備進(jìn)行外封頭的放置，進(jìn)一步提高設(shè)備的運(yùn)行效率。
系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集運(yùn)用的是OPC技術(shù)，OPC（OLEforProcessControl）是Microsoft公司的對(duì)象鏈接和嵌入OLE/COM技術(shù)在過程控制方面的應(yīng)用，為工業(yè)控制領(lǐng)域提供了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制。OPC的出現(xiàn)為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立了橋梁。OPC技術(shù)擴(kuò)展了硬件設(shè)備的概念，OPC技術(shù)為控制網(wǎng)與管理網(wǎng)之間的互聯(lián)，以及上層應(yīng)用軟件和控制設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊提供了極大的方便。對(duì)于車間生產(chǎn)來說，所有生產(chǎn)的紙卷都需要有對(duì)應(yīng)的信息跟蹤，以便于更好地生產(chǎn)管理、銷售查詢，因此紙卷從復(fù)卷機(jī)處下卷后，便會(huì)有唯一的條碼信息進(jìn)行標(biāo)識(shí)。紙卷在經(jīng)過包裝機(jī)系統(tǒng)時(shí)，會(huì)完成紙卷的規(guī)格復(fù)核、稱重、貼標(biāo)等工藝處理，在完成這些工藝時(shí)所產(chǎn)生的信息、時(shí)間等數(shù)據(jù)都需在工廠數(shù)據(jù)庫中能夠查到。為把這些在PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳送到公司級(jí)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，本系統(tǒng)通過OPC技術(shù)連接到PLC系統(tǒng)中，在工控機(jī)上組建OPC服務(wù)器，并在PLC系統(tǒng)中配置以太網(wǎng)通訊模塊，將OPC服務(wù)器與PLC系統(tǒng)進(jìn)行以太網(wǎng)

圖10    組態(tài)PLC與OPC連接

連接，從而可以滿足大數(shù)據(jù)量的傳輸。具體組建方法如下：首先，在欲組建OPCServer的工控機(jī)上安裝Simatic
NET后，在StationConfiguratorEditor配置窗口中的#1與#3槽位分別添加OPCServer和IEGeneral選項(xiàng)，并在IEGeneral中分配好以太網(wǎng)卡參數(shù)，配置完成后在StationName選項(xiàng)中填寫定義的PC站名稱，且要與STEP7中配置的名稱一樣。見圖8。
其次，在編程設(shè)備的Step7項(xiàng)目中，插入SIMATICPCStation，并將名稱改為跟OPCServer中配置的一致，在新加的PCStation硬件組態(tài)中，選擇與OPCServer中配置的硬件一樣（見圖9），并打開硬件組態(tài)畫面中的網(wǎng)絡(luò)配置窗口，添加PLC與OPCServer連接（見圖10）。
在Step7中完成配置后，需將PCStation下載到OPCServer側(cè)建立的虛擬硬件機(jī)架中。在PLC程序中，為方便與OPCServer進(jìn)行通訊，需建立一個(gè)用來通訊的共享數(shù)據(jù)塊DB，并將要進(jìn)行通訊的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先的定義，雙方建立統(tǒng)一的一個(gè)數(shù)據(jù)表，PLC主要負(fù)責(zé)將OPC需要的數(shù)據(jù)收集并保存在DB塊對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)中。這些數(shù)據(jù)包括接入PLC系統(tǒng)中的稱重儀表稱出的紙卷重量信息、機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)、內(nèi)外封頭紙垛高度信息、設(shè)備故障信息、總線控制變頻器故障信息等。
機(jī)器人、OPC服務(wù)器等智能裝備在全自動(dòng)紙卷包裝機(jī)的大量應(yīng)用，提高了工廠生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，與當(dāng)前國內(nèi)外產(chǎn)能不斷集中的形勢相適應(yīng)，滿足了工廠客戶對(duì)設(shè)備提出的高要求。采用OPC與PLC以太網(wǎng)通訊技術(shù)后的整個(gè)生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)都可以報(bào)表的形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與歸檔，并且在引入ERP等管理軟件后，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)生產(chǎn)過程中的封閉式管理，生產(chǎn)維護(hù)人員隨時(shí)能根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息對(duì)設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)維護(hù)與檢查，減少了設(shè)備的故障率，預(yù)防非正常停機(jī)，提高了整個(gè)生產(chǎn)過程的效率。
智能系統(tǒng)在全自動(dòng)紙卷包裝機(jī)中的應(yīng)用，為整個(gè)造紙行業(yè)智能化裝備的大量投入打開了新局面，并成功地打破了國外產(chǎn)品壟斷國內(nèi)市場的局面，為時(shí)下流行的工廠管理決策系統(tǒng)、“工廠云”數(shù)據(jù)系統(tǒng)等大數(shù)據(jù)信息化的普及提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。

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