一种大药卷工业炸药智能包装系统的研制

潘先峰

（中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司，淮北 235000）

工业炸药可分为胶状乳化炸药、多孔粒状铵油炸药、膨化硝铵炸药、粉状乳化炸药以及改性铵油炸药等。从我国工业炸药产量结构来看，胶状乳化炸药和多孔粒状铵油炸药产量继续呈逐年稳步增长的态势。2022 年，胶状乳化炸药产量占全国工业炸药总产量的60.83%，在工业炸药中处于主导地位，通常采用药卷包装系统进行包装。工业炸药包装是一个复杂而危险的生产过程，在相当长的时间内由人工进行操作，劳动强度大，生产效率低，产品质量不稳定，且存在较大的安全隐患。

工业和信息化部《关于推进民爆行业高质量发展的意见》和《“十四五”民用爆炸物品行业安全发展规划》均强调推进民爆行业智能制造技术的推广应用，不断提高行业智能制造水平和生产线本质安全水平[1-2]。在工业炸药制药、装药、包装、装卸等危险岗位，满足安全生产、降耗减碳、提质降本等前提下，推广少人或无人作业，实施安全一体化监控。研发智能制造装备和智能化生产线，加快生产设备的智能化改造，推广应用一批“机械化换人、自动化减人”的安全技术装备，是民爆行业实现安全发展战略的主要规划之一[3]。随着科技的进步和国家政策的引导，工业炸药生产各工序都向着连续化、自动化、智能化方向发展，促使民爆行业开发出各种自动化设备用以替代人工操作，且取得了良好成效。

经过多年的发展，国内的工业炸药包装系统的自动化水平、智能化水平、运行可靠性以及产能均得到一定提高，尤其是工业机器人在生产一线的广泛使用，大大降低了工人劳动强度，提高了生产效率。由于民爆行业科研投入不足，信息化、智能制造还处于起步阶段，专用生产技术与设备在智能制造、绿色环保等方面落后于国内其他行业，对民爆行业实现安全发展、可持续发展形成了阻碍。现有包装技术主要存在以下问题：一是箱式包装方式仍然处于市场主流地位，生产成本高，不满足企业降低包装成本的需求；二是箱式包装方式中开箱、捆扎工序动作较多，预放纸箱少，添加纸箱频繁且劳动强度大，易出现故障，需人员巡视，不满足包装无人化要求。

随着民爆行业对企业生产线智能化和无人化要求的不断提升和企业生产成本压力的不断加大，新型智能化无人生产技术具备的优势凸显且需求迫切。复合袋包装技术尤其是覆膜编织袋、纸塑袋包装技术，具有成本低廉、防水防潮、环保等特点，能大幅降低生产成本，简化生产工艺，减少人员操作，是包装技术的发展方向，符合民爆行业高质量发展的要求。

1 工艺设计

系统通过分料输送系统，将药卷进行可靠的自动分流，经整平理料系统将姿态正确的药卷送入药卷计数堆码装置，无序药卷送入回料装置重新理料，实现系统自动理料功能。经过计数堆码装置的药卷按照设定的数量及规格进行收集叠包装袋。装袋完成后，对包装袋进行自动缝包捆扎，完成整个炸药包装工序，最后进入成品转运储存环节。工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图

2 智能包装系统的研究

系统集自动上袋、装袋、自动压边以及自动封口等功能于一体，可实现大直径药卷装袋包装过程的自动化和无人化。系统由药卷理料输送装置、药卷计数装置、药卷装袋装置、袋子供袋装置、袋子缝包装置以及成品输送等组成，如图2 所示，主要完成药卷自动计数、自动上袋、自动装袋以及自动压边缝口等自动化包装过程。系统的工作过程为“在供袋装置中放置包装袋→开机运行→取袋机构自动吸取包装袋→放至开袋机构→开袋→撑袋→装袋→移袋→压边/缝口→进入下一工序”。

2.1 药卷理料输送装置

分料输送装置分流后的药卷进入理料装置时，理料挡板会定时上下动作。当理料挡板动作时，挡住药卷往前输送，此时杂乱无序的药卷在理料辊筒的带动下在辊筒间的缝隙滚动，并转为横向，挡板向下动作，横向药卷放行，而没有转为横向的药卷在后面经过过桥皮带时从过桥皮带两边的空档掉到回料皮带上，再由回料皮带输送返回到主皮带进入理料机重新理料，理料过程无须人工干预。横向的药卷经过过桥皮带后，经理料辊筒进入链板计数装置。

2.2 药卷计数装置

根据不同的药卷规格，药卷计数装置的装袋根数不同。每袋每层的数量由药卷计数装置统计，并输送到装袋装置。通过横向药卷从链板输送过来后，药卷计数传感器采用基恩士的激光传感器检测不同规格药卷的高度。每经过一根药卷，传感器向系统发出一个信号。当药卷根数达到要求后，链板停止输送，药卷输送皮带把药卷输送出去，链板再次启动。药卷输送到药卷挡板处时，药卷平齐后再放行到装袋处。

2.3 袋子供袋装置

袋子供袋装置的主要功能是给装袋机构自动提供袋子。通过供袋皮带把袋子输送到真空吸盘下方，吸袋升降气缸动作下降到位后，真空吸盘动作吸住袋子，升降气缸上升到位后，供袋电机启动往前供袋。袋子到达装袋口后，停止真空，供袋电机返回，整个过程完成，成品袋移动到开袋装置的进料口处。

2.4 药卷开袋、装袋装置

当编织袋送到装袋工位时，可自动完成开袋操作，并检测相应的信号。若开袋失败，则停机报警，等待人工处理进行剔除。当开袋成功后，推杆机构可将移动斗内定量的药卷自动装入编织袋中，同时在填充过程中能够保证袋子的整体形状不改变。药卷开袋、装袋装置根据不同的药卷规格、装袋根数和层数进行装袋。通过药卷进入升降斗后，升降斗下降，然后撑袋升降电机下降，到位后真空吸住袋子口往上拉，再由开口气缸撑开袋子口，等待药卷推入。一层药卷高度在第二层药卷进入后，升降斗下降到底部，由推药气缸把升降斗上的药卷推入移动斗内。移动斗宽度可根据不同规格药卷宽度自动进行调整。移动斗抱紧药卷移动到装袋口处，等待推进袋子。

2.5 袋子缝包装置

在完成装袋后，自动整平袋口，以便后续缝口。袋子缝包装置主要是对完成药卷装袋的袋口进行封口。药卷完成装袋后，经过上下合气缸处时，上下合气缸动作把袋子的袋口压住进入压袋口皮带。压袋口皮带压着袋口往前缝纫机口输送，缝纫机启动将袋口缝住进行封口，封口完成后由成品输送皮带输送出去。

2.6 控制系统

控制系统由传感器、仪器仪表和电气元件组合而成，现场和远程集中控制相结合，利用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）对工艺设备及执行机构动作进行逻辑控制和智能控制，根据客户输入的信息或药卷的直径控制机器人完成装袋动作。当某设备或动作出现问题时，相关设备会联锁停机并报警，满足工艺过程要求。控制系统是包装系统的核心，主要功能是实现系统的分料输送、自动理料、计数堆码、自动开袋、装袋以及缝包。根据确定的方案和工艺技术路线，控制系统采用模块化设计管理，主要由分料输送、理料、计数堆码、供袋、开袋、装袋以及缝包等部分的控制模块组成。这7 部分既相对独立，又相互联锁控制。控制系统采用PLC 作为处理中枢，采用工业触摸屏作为人机交互界面，且触摸屏和PLC 之间利用RS-232 通信电缆进行通信控制。控制系统的系统架构如图3 所示。

图3 系统架构

3 系统安全设计

为确保系统的安全性能满足国家和行业有关标准、规范的要求，在设备和包装工艺研制过程中，主要在外购件、机械、气动、控制和工艺等方面采用适当的安全技术措施[4-6]。

3.1 材料安全设计

设备材质均选用不锈钢，与民爆物品的原材料、在制品、成品无不良反应，以保证设备在正常运行中不会受到乳化炸药强腐蚀性的影响。

3.2 工艺安全设计

在满足系统功能的前提下，采用国内外先进工艺技术和装备。各设备具有对关键部位进行检测与监控的功能，与电气装置可协调实现可靠运行。各工序间需要采取可靠的防殉爆技术措施。此外，考虑各设备工序本质安全性和时间均衡，合理分配和优化各设备的工序内容，充分发挥整个系统的效率，避免在部分设备中造成资源浪费。

3.3 设备安全设计

电机一般采用防爆性能符合有关规定的防爆步进电机，由驱动器根据控制器输出的脉冲信号控制步进电机同步，可跟踪检测电机的速度、扭矩和位移，实现对电机转速和运行速度的方便调节。不需要频繁启停的电机可以采用防爆异步电机。系统所有电机、气缸、仪器仪表及核心控制元器件，均采用国内外知名品牌，精度高，质量可靠。设备上张贴容易辨认且清晰的安全警示标志，避免操作人员误操作受伤。

3.4 机械安全设计

系统与药卷接触的设备零部件表面光滑，在结构设计上采用无积料的死角。对系统所有运动部件进行防护，并采取防止润滑油和物料进入其他转动部件的措施，提高了设备运行过程的安全性。系统设计了稳定的支架与接地螺栓结构，可保证设备安装后不会因为振动等外界作用而改变位置或发生倾斜对操作人员造成威胁。同时，为避免设备漏电对电气控制系统信号造成干扰甚至损坏电气元件，对设备金属构件间进行了跨接。此外，设备连接处增加了导静电胶条，使设备金属机架形成通路，可有效导除静电。

3.5 气动系统安全设计

由于各子系统和执行机构的动作关系比较复杂，选择空气压力作为传动动力，其对冲击负载和过载有自我保护能力，使用安全，能够实现远距离输送。设计中采用电气系统控制设备启停、电控箱低压报警和高压排气。气路配有三联体，防止气缸阻塞和发生故障。

3.6 控制系统安全设计

系统设有紧急停机按钮，安装在电控箱操作面板上，方便工作人员操作。这样可以在发生紧急危险情况时快速切断控制系统电源，使设备停止运转。PLC放置在防爆电控箱，采用正压防爆设计。电控箱与电气元件中间设有绝缘板，可有效防止漏电。此外，检测元件设有接近开关和光电开关两种，供电电压均为24 V，外接接头均套有密封条，电缆则均用软管包裹。

4 结语

设计的大药卷炸药智能包装系统已在多家公司应用，运行情况表明，包装系统具有创新性和先进性，实现了整个包装过程的连续化、自动化与智能化，全线运行顺畅，过程安全、平稳、可靠，产能达到了预期目标。利用无人化装袋工艺与关键技术，简化了生产工艺，大幅降低了生产成本，且整线无固定操作人员，减少了人员操作，降低了人员劳动强度，实现了无损装袋，绿色环保，符合民爆行业对企业生产线的智能化和无人化要求，是我国工业炸药包装工艺的发展方向。