（河北工程大學(xué) 機械與裝備工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

0 引言

現(xiàn)在的粘箱機主要有兩種類型，半自動粘箱機和全自動粘箱機。半自動粘箱機的紙板粘合工序由機械自動完成，工人完成紙板折疊成箱的工序。由于半自動粘箱機依賴人力折疊限制了生產(chǎn)效率，于是在半自動粘箱機基礎(chǔ)上研發(fā)了全自動粘箱機。全自動粘箱機在歐美等發(fā)達(dá)國家的紙箱生產(chǎn)中被普遍使用，而國內(nèi)的紙箱企業(yè)并沒有全部進行設(shè)備更新，自動粘箱機使用率并不算高，所以全自動粘箱機在國內(nèi)有著較好的發(fā)展前景［1］。但全自動粘箱機在工作過程中仍會發(fā)生傳送精度不高、傳送帶壓力不均等問題，因此對全自動粘箱機進行監(jiān)測可以及時了解其工作狀況，便于及時對故障進行處理，降低故障損失并提高生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計

全自動粘箱機包括5個部分，分別是進紙部、折疊部、動力部、整理計數(shù)部和捆扎部。首先是進紙部，它由前墻板框架、折壁移動控制部分和涂膠部組成，用于實現(xiàn)折疊部折壁位置的調(diào)整，并準(zhǔn)確接入紙板進行涂膠的功能。

然后是折疊部，它主要由左右折臂橫梁、上輸紙皮帶、下折皮帶、中間浮動支架、二次壓痕機構(gòu)、直角整理機構(gòu)等組成，用于實現(xiàn)紙板生產(chǎn)中的柔和折疊。折疊部通過皮帶的摩擦帶動瓦楞紙板的前進，由涂膠輪在瓦楞紙板接合處涂膠，然后進行壓痕。再經(jīng)粘箱機的折疊引導(dǎo)機構(gòu)進行折疊，使瓦楞紙板彎折、合攏、搭接和加壓。被切割的瓦楞紙板在運輸?shù)倪^程中前半部分主要依靠折疊導(dǎo)向桿進行180°到90°的折合，后半部分是利用皮帶翻邊對瓦楞紙板進行90°到0°的折合，實現(xiàn)再次折壓，整個過程如圖1所示。

圖1 瓦楞紙板折合Fig.1 Corrugated board folding

動力部主要由各動力傳動裝置、引出輥、下折皮帶調(diào)速裝置、整理推板裝置、整理用風(fēng)機等組成，它可以為粘箱機提供穩(wěn)定的動力輸出。接著是整理計數(shù)部，它主要由接紙架部裝、整理后規(guī)部裝、計數(shù)推出部裝等組成，可以實現(xiàn)折疊后的紙板整理整齊，以及計數(shù)堆碼和最終成品的排出功能。整理部PLC程序運行流程如圖2所示。

圖2 整理部PLC程序運行流程Fig.2 Finishing department PLC program running flow

整理部的工作流程為：紙板經(jīng)過折疊部折疊落入整理部的接紙架中整齊，接著依次輸送到下壓傳送帶中送至計數(shù)推出部。當(dāng)紙箱進入計數(shù)推出部的數(shù)量達(dá)到設(shè)定底數(shù)時，計數(shù)推出部的光電計數(shù)器開始進行計數(shù)，當(dāng)累積紙箱數(shù)量達(dá)到設(shè)定值時，PLC控制推出桿將堆疊好的預(yù)設(shè)數(shù)量紙箱推到后方的傳送帶上進入捆扎階段［2］。

最后是捆扎部，它包括一個自動捆扎機，可以將堆疊好的紙箱進行最終的打包。全自動粘箱機的總體結(jié)構(gòu)和整個工藝流程如圖3和圖4所示。

圖3 全自動粘箱機總體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of a full-automatic box gluing

圖4 全自動粘箱機工藝流程Fig.4 Full automatic box gluing machine process

根據(jù)全自動粘箱機的結(jié)構(gòu)與工藝流程，遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)除了監(jiān)測粘箱機運行時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和重要I/O工作狀態(tài)，還需要監(jiān)測電機轉(zhuǎn)速、溫度、振動參數(shù)等信號。系統(tǒng)主要包括傳感器、信號調(diào)理模塊、信號采集模塊、信號分析模塊和故障診斷與報警模塊等。通過OPC技術(shù)實現(xiàn)Labview與PLC的以太網(wǎng)通信，從而實現(xiàn)對全自動粘箱機的遠(yuǎn)程監(jiān)測目的［3-5］，全自動粘箱機遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計方案流程如圖5。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)總體方案流程Fig.5 Overall program flow of remote monitoring system

2 硬件設(shè)計

PLC選擇型號為西門子的S7-200smart系列PLC，它是S7-200系列PLC的加強版，在使用性能、硬件配置等方面均有加強。同時S7-200smart系列PLC可以給用戶提供多種通訊方式，用戶也可以根據(jù)實際項目中的特點進行配置與選擇。由于全自動粘箱機輸入量大部分為開關(guān)量，根據(jù)器件需要的接口數(shù)量，本全自動粘箱機監(jiān)測系統(tǒng)選擇CPU ST20作為西門子S7-200smartPLC的CPU。

硬件設(shè)計中選擇DI/DO模塊（數(shù)字量輸入/輸出模塊）采集全自動粘箱機中的歐姆龍生產(chǎn)的E3Z-T81型號的光電式傳感器和D4V-8104Z-N型號的行程開關(guān)和一系列伺服電機以及氣缸的數(shù)字信號。選擇型號為6ES7 901-3DB30-0XA0的USB/PPI編程線纜，用來連接S7-200smartPLC的CPU通信口與PC機中的labview2014實現(xiàn)通訊。

編碼器選擇歐姆龍E6B2-CWZ5B500P/R編碼器，該增量型編碼器為PNP集電極開路。編碼器的工作電壓為12～24 V直流電，分辨率為500 P/R。它安裝在伺服電機上，將角位移轉(zhuǎn)換成脈沖信號，便于系統(tǒng)測速。溫度傳感器選擇PT100熱電阻傳感器，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的可傳輸信號，它的使用穩(wěn)定性好、抗電噪聲強、精度高。振動傳感器選擇ICP型壓電式加速度傳感器356A44，具有高頻響應(yīng)以及動態(tài)響應(yīng)特性好的特點。且它的頻響范圍較小，在恒定方向加速度下不輸出信號，具有較小誤差［6-8］。

NI-9411數(shù)據(jù)采集模塊用于采集編碼器脈沖信號，NI-9411采集卡的工作電壓為±5V～24V，具有6路通道，可以更快的采集粘箱機編碼器的脈沖信號。NI-9217數(shù)據(jù)采集卡具有4位通道，兩種采樣率模式，可自動檢測連接的熱電阻傳感器類型并配置相應(yīng)采集模式，用于采集PT100熱電阻傳感器輸出信號。NI-9234數(shù)據(jù)采集卡采集壓電傳感器信號，它具有4條輸入通道，102dB動態(tài)范圍［9］。

3 軟件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件方面包括Windows7操作系統(tǒng)，Labview2014并安裝Labvie DSC（數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控）模塊，STEP 7-Micro/WIN SMART，NI OPC Server。其中Labview204用于上位機監(jiān)測程序編寫，STEP 7-Micro/WIN SMART用于S7-200smart PLC的編程，NI OPC Server用于對OPC服務(wù)器的配置［10-12］。以現(xiàn)場計算機作為本地服務(wù)器，遠(yuǎn)程計算機作為客戶端，通過配置Labview的web服務(wù)器與RunTime引擎，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。軟件設(shè)計流程如圖6。

圖6 軟件設(shè)計流程Fig.6 Communication framework

3.1 登錄模塊

整個監(jiān)測系統(tǒng)主要包括登錄模塊、粘箱機參數(shù)監(jiān)測模塊以及故障報警模塊這三個部分，其中登錄模塊用于用戶的賬號密碼登錄，避免了無關(guān)人員操作系統(tǒng)和工藝流程信息泄露。登錄模塊包括賬號登錄和密碼修改兩個部分，在登錄界面中操作人員需要輸入正確的登錄密碼，才可以訪問監(jiān)測界面；用戶還可以修改密碼，方便管理。

3.2 信號采集模塊

系統(tǒng)對振動、溫度、轉(zhuǎn)速等信號的采集，需要設(shè)置好連續(xù)采集的采樣頻率、通道數(shù)、保存位置等，以及定時采集的采樣點數(shù)、采樣時間間隔等參數(shù)，就可以進行信號的采集。增光式的光電編碼器的A、B相輸出的脈沖方波信號相差90°，使用NI-9411采集卡進行編碼器的信號采集，可更快獲得轉(zhuǎn)速。程序設(shè)計使用定時循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過DAQmx助手建立虛擬通道來采集編碼器的脈沖信號。通過將采集的信號傳送到從循環(huán)中50次，進行數(shù)據(jù)求和最后平均，最后將主機的速度并顯示到監(jiān)測界面上。同時還能監(jiān)測主機的運行狀態(tài)，且主機響應(yīng)超時還可以進行報警［13］。測速程序如圖7所示。

圖7 編碼器測速Fig.7 Encoder speed measurement

3.3 信號調(diào)理模塊

由于測量的信號經(jīng)傳感器變化后變微弱，而這些微弱信號在傳輸過程中抗干擾能力差。通過信號調(diào)理電路，對信號進行濾波和放大，并轉(zhuǎn)換信號類型便于下一步分析。

3.4 信號分析模塊

信號分析模塊通過調(diào)用Labview中的數(shù)學(xué)函數(shù)和工具包，對全自動粘箱機信號進行時域、頻域分析，以及經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的包絡(luò)譜和幅值譜分析等數(shù)據(jù)處理。處理后的轉(zhuǎn)速、溫度、振動等數(shù)據(jù)系統(tǒng)中實時顯示并保存，方便工作人員進行機器的工作狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

3.5 故障診斷與報警模塊

系統(tǒng)對采集到的振動、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)設(shè)置相應(yīng)的上下界限，當(dāng)超出設(shè)定值時進行報警。例如主機速度一般需要保持在20～150 m/min的范圍內(nèi)，所以當(dāng)檢測到主機速度低于或者高于設(shè)定速度時便進行主機轉(zhuǎn)速異常報警。除此以外，障報警模塊使用DSC模塊提供的事件方法，對全自動粘箱機在工作時產(chǎn)生的關(guān)鍵PLC變量進行監(jiān)測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)OPC的地址標(biāo)簽變化，程序就去讀取OPC變量，從而進行對應(yīng)事件的報警。DSC模塊中的Alarm and Event Display可以用于顯示預(yù)警信息，采用列表框顯示預(yù)警信息函數(shù)，可以選擇需要的信息進行顯示，常見的粘箱機運行故障報警如下。

折疊部主要由傳送裝置和輔助折疊裝置組成，但紙板在傳送折疊過程中會出現(xiàn)打滑的情況，就導(dǎo)致紙板在傳送過程中發(fā)生歪斜，從而使得紙板的順次折疊無法進行，這是折疊部出現(xiàn)的主要故障。當(dāng)這種故障發(fā)生時，紙板就無法進入整理部。根據(jù)整理部的工作原理，無紙板通過動力部掉入接紙架中，則整理部的上電光傳感器未感應(yīng)到紙板通過。由此在故障警程序中，設(shè)置當(dāng)粘箱機工作時上電光傳感器在規(guī)定時間內(nèi)無反饋，則進行故障報警并停止進紙和折疊部的傳動電機，以降低故障損失。

動力部包括主電機、直角整理電機、動力部風(fēng)機和排出電機等，位于折疊部和整理部的聯(lián)接處，起到起承轉(zhuǎn)合和輸出動力的作用。其故障主要是電機的機械故障，當(dāng)電機故障發(fā)生時，會對折疊部和整理部的正常工作造成影響。對動力部的電機進行振動和溫度信號的監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)電機的故障，避免與折疊部和整理部故障混淆，更準(zhǔn)確地定位設(shè)備故障。

整理部的故障診斷，整理部故障主要有下排皮帶卡紙，計數(shù)推出部推紙未復(fù)位，紙箱堆高極限等。當(dāng)下排皮帶卡紙故障發(fā)生時，計數(shù)推出部的下光電傳感器無紙箱通過。所以在程序中設(shè)置下光電傳感器規(guī)定時間內(nèi)無通過信號反饋，則下排皮帶電機、折疊部電機、進紙部電機工作停止。

計數(shù)推出部的推出桿做推紙動作時，下排皮帶也在不斷地將折疊好的紙箱傳送到計數(shù)推出部下部，紙箱的堆疊使得紙堆的高度不斷上升。當(dāng)推出桿將紙箱推到傳送帶上時，其下方的紙堆高度也會變高。推出桿的動作分為四個部分：推出、升高、收回、下降，但由于粘箱機的拖紙架的高度設(shè)置未到位，使得推出桿在收回動作時會被堆高的紙板擋住。所以程序中設(shè)置若規(guī)定時間內(nèi)無推紙復(fù)位反饋，則進行報警并停止下排皮帶工作，操作人員可以通過監(jiān)測界面手動復(fù)位，并恢復(fù)下排皮帶工作。

至于紙箱堆高極限，其原因為動力部與整理后規(guī)之間的光電傳感器被障礙物遮擋。在程序中設(shè)置當(dāng)上電光傳感器遮擋時間超過一秒，則進行堆高極限故障報警，粘箱機緊急停止，工作人員對該部位進行故障問題檢測［14］。

4 監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能

全自動粘箱機監(jiān)測系統(tǒng)在Labview的編程環(huán)境下完成，得益于Labview強大的虛擬儀器技術(shù)整個系統(tǒng)的工作界面更加的生動直觀，具有很好的交互性，監(jiān)測界面如圖8所示。

圖8 監(jiān)測界面Fig.8 monitoring interface

整個系統(tǒng)主要有以下幾種功能：

（1）對全自動粘箱機工作狀態(tài)的監(jiān)測。這一功能主要包括對批次產(chǎn)量、紙板參數(shù)、捆扎數(shù)量等生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)測。其中批次產(chǎn)量能夠顯示本批次折疊紙板的總量，以便后期查數(shù)。紙板參數(shù)用于顯示本批次生產(chǎn)紙箱的長寬高。捆扎數(shù)量則顯示的是整理部當(dāng)前打包紙板數(shù)量，用于了解實際生產(chǎn)的紙箱數(shù)量。此外系統(tǒng)還對全自動粘箱機折疊部、整理部等重要工作部位的主要I/O口進行監(jiān)測，方便工作人員對排紙風(fēng)機、移動擋板電機、整理后規(guī)電機、壓紙升降電機、下壓排出電機等一系列重要電機工作狀態(tài)的了解［15］。

（2）提供信號分析和故障診斷功能。系統(tǒng)利用Labview中提供的工具和函數(shù)，對采集的信號進行處理，向用戶反饋相關(guān)的時域分析圖、頻域分析圖、頻譜圖等，為機器的維護和故障維修提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

（3）報警功能和遠(yuǎn)程控制。根據(jù)全自動粘箱機運行原理和現(xiàn)場常見的工作故障結(jié)合對采集到的數(shù)據(jù)分析，在系統(tǒng)中設(shè)置各部位的預(yù)設(shè)報警值。當(dāng)數(shù)據(jù)異?；蛏a(chǎn)過程中出現(xiàn)故障時，能夠及時實現(xiàn)報警，并可以對全自動粘箱機進行遠(yuǎn)程的停機，方便工作人員對現(xiàn)場情況進行及時處理。

（4）故障信息的存儲和顯示。系統(tǒng)在全自動粘箱機發(fā)生故障時，會對采集的數(shù)據(jù)進行實時顯示并儲存故障信息，以方便粘箱機的檢修工作和對預(yù)設(shè)報警值的修改和確定。

（5）系統(tǒng)可拓展性。系統(tǒng)基于Labview程序設(shè)計，其模塊化的機構(gòu)方便用戶根據(jù)需要添加相應(yīng)的測量模塊或者需要的控制功能，而不會對已有系統(tǒng)造成影響，具有極強的可拓展性。

5 結(jié)語

全自動粘箱機遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)基于Labview軟件進行開發(fā)，利用OPC技術(shù)實現(xiàn)與西門子S7-200smart PLC的通信，達(dá)到了對全自動粘箱機的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和重要I/O口的遠(yuǎn)程監(jiān)測，同時實現(xiàn)了故障報警和遠(yuǎn)程停機功能。系統(tǒng)對采集到的粘箱機信號進行處理分析并儲存，工作人員可以通過與歷史數(shù)據(jù)比對，更準(zhǔn)確地對全自動粘箱機進行故障診斷和維護。Labview DSC模塊使得PC機與PLC的通信更加穩(wěn)定、快捷、簡單，用戶可以遠(yuǎn)程實時地了解粘箱機各部分的運行狀況，提高工作人員對粘箱機的掌控與故障檢測能力。同時基于Labview模塊化的設(shè)計，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，可拓展性強，便于二次開發(fā)。