自动充绒机的设计与网络化控制

赖永波，严 惠

（智能工程学院 江苏信息职业技术学院，无锡 214153）

0 引言

羽绒被服制品传统生产加工中存在人工称绒误差、填充慢、生产效率低下以及生产现场环境差等缺点，设计与应用具有自动精准称重、快速自动充绒等功能的充绒机是现代羽服被类企业生产的必然趋势。随着加工制造业的科学技术进步，充绒机已从过去的机械式向自动化阶段不断发展[1～4]。乔桥等人[5]基于ARM7控制芯片设计了自动羽被充绒机，可实现羽绒填充重量的设定和连续充绒功能，文献[6,7]采用可编程控制器技术对充绒机进行自动化生产控制，充绒效率得到提高，赵燕伟[8]设计了微机控制称绒的半自动型充绒机，采用预测算法以及智能控制规则，实现充绒接近设定值时的进绒速度控制。但是这些充绒机在生产应用领域存在的主要问题有：不能够根据生产指标参数要求，实现羽绒储存、传送、称重、充绒等系统控制功能的集成，也未提出多通道调节出绒顺序控制型自动充绒机，面对现代企业高效生产，其网络化多台自动充绒机的工厂级实时监控生产更没有提出与应用。

随着组态控制与智能调度控制技术在智能制造领域的发展与应用[9,10]，在借鉴和参考国内外充绒机的基础上，结合生产企业的产品指标和技术工艺要求，本文设计了一款新型自动充绒机，并投入企业实际应用，获得良好的经济效率。

1 机械系统设计

充绒机机械系统主要有储绒机构，搅拌机构，称重机构和输绒机构四个部分构成。

1.1 储绒箱与搅拌装置

储绒箱分为上储绒箱和下储绒箱，如图1所示，上储绒箱用于储存进绒，下储绒箱用于羽绒的除杂等准备工序。搅拌装置如图2所示，主要由搅拌电机、联轴器和搅拌齿叶等构成，主要功能为防止羽绒堆积造成管道阻塞，影响后续生产控制。

图1 储绒箱

图2 搅拌装置

1.2 称重机构

称重机构有称重箱、称重容器和称重传感器构成，称重箱如图3(a)所示，称重容器分为上下两部分，由可透视亚克力板或有机玻璃构成，上半部分为长方体或正方体在其四周和顶部安装空气过滤网，上半部分与储绒箱体腔连通，下半部分为从上而下逐渐变窄的四棱台与底座托盘构成，如图3(b)所示，下部分与出绒管道相连。生产过程中羽绒经上半部分由管道压缩空气输送到容器内，羽绒受重力影响汇集在四棱台腔体下方暂存等待称重。

图3 称重机构

在称重容器底座托盘下方安装有称重传感器，本充绒机最重称重羽绒在100g以内，称重精度要求达到0.1g，选用NC308C6MR/600g型称重传感器，采用悬臂梁安装方式，它的上端部分固定在称重容器的底座托盘表面，下端固定在称重箱体的防震支架上，可避免工作过程中由于箱体震动可能导致称重容器与箱体接触影响称重精度以及损坏传感器，安装维护比较方便。

2 控制系统设计

基于企业成本、生产操作与工艺技术要求，充绒机控制系统设计主要包括：控制器硬件选型与安装，单机控制流程与程序设计和网络化多机监控系统设计。根据充绒机输入输出控制要求，控制器硬件采用信捷XD-3-60R型PLC、XD-E4WT-C称重模块和TPC1570GI触摸屏来组态架构，本文只给出网络化多机监控系统架构原理图，如图4所示，该监控系统架构利用触摸屏的网口通过交换机和上位计算机组态实现，也可通过无线路由和VNC软件实现远程移动终端监控。

2.1 单机监控操作设计

充绒机在系统启动运行后，通过PLC和触摸屏输入与输出控制上下箱体加绒、搅拌、传送、定量称重和充绒动作执行生产流程。单机监控操作中需实现根据羽服被的充绒格数和重量组态配方、自动称重和四通道调节充绒等控制功能，其控制流程参如图5所示。

图4 网络化多机监控系统架构图

图5 单机控制流程图

1）组态配方

生产中设计组态配方控制功能，解决羽服被的充绒格数、次数和启用配方个数在生产中的批量参数设置，通过一键式操作更改PLC控制参数实现高效准确的实时控制，其配方子程序控制流程图参如图6所示。

图6 配方子程序流程图

通过触摸屏组态配方监控界面，在系统启动运行后，只需设定循环次数和循环配方数，系统即可自动调用相应的功能来达到生产控制要求。

2）自动称重

称重子程序负责每个称重容器的羽绒自动称重控制，系统运行后，接收到配方程序发送过来的数据后开始充绒，先采用长动方式进行快速预充绒，预充达设定重量80%时，改换点动方式进行慢充绒（减小充绒称重过程中的振动对传感器的测量干扰），直到设定重量的允许误差值下限为止，子程序控制流程图参如图7所示。

图7 称重子程序流程图

本充绒机称重箱内设计4路称重装置，需组态四通道的监控界面，实时显示称重模块数据处理后的实时重量（相对重量）和实时反馈传感器的电压值。称重控制设计中需进行模块标定、零点标定、增益标定和去皮处理，其组态控制设计界面参如图8所示。增益标定设定中假设砝码重量是1kg，要求单位精确到千克则写入1，精确到克则写入1000，本充绒机要求单位精确到0.1克则写入10000，即分辨率=1kg/写入的数字量。

图8 称重模块组态控制设计界面

3）充绒子程序

在实际生产过程中当出现称重通道故障情况，以及有格数设定充绒重量过小时，系统控制会直接采用点动方式充绒，时间就会延长，出绒时间则变短，当有格数设定充绒重量过大时，由于出绒流量有限，从而影响充绒时间和生产效率，为此设计四通道调节控制策略可有效地解决实际生产中存在的这些问题。系统启动运行后主程序调用配方子程序依次给称重子程序中四个称重通道分配工作任务，当有某个或多个通道称重故障时，就会启用调节控制对自动充绒运行中的五种情况进行实时处理：

第一种情况：称重系统运行前，有称重通道出现故障无法工作，需自动跳过，并给主程序发送故障信息，此时配方子程序不再给该称重通道分配任务。

第二种情况：称重系统运行前，手动关闭某一个或多个称重通道（小于4），程序自动跳过被关闭的称重通道，对下一通道分配任务。

第三种情况：称重系统运行中，发生一个或多个称重通道（小于4）故障无法工作，程序能自动跳过。

第四种情况：称重系统运行中，可强制关闭，系统需将已分配的配方数据转移给可以正常工作的称重通道，直至取消强制。

第五种情况：称重系统运行中，当某个称重通道先称重完毕就立刻启动出绒控制，即先称完先出原则。

控制流程图省略。

2.2 网络化多机监控设计

为满足多台充绒机的工厂级实时监控需要，设计网络化多机监控系统实时提供生产车间、单个工位状态、异常状态报警、实时产量显示和数据记录等控制功能。

本系统所设计的二号车间设备1子窗口监控界面如图9所示，可以查看当前设备产量、工作时间、清洁保养时间、控制设备启停、频率设定、产量清零等详细信息，并配有动态文本框实时显示。

3 结语

本文根据企业自动充绒的生产控制要求，设计了一款新型自动充绒机，该机有机械部分和控制部分构成，其控制部分采用PLC控制模块，称重传感器配合称重模块，设计组态配方功能和网络化人机一体化的监控组态操作界面，实现高精度自动称绒和高效率的自动化生产，实际投入运行表明，该机工作可靠、操作方便，提高了企业生产效率。

图9 状态监控界面