0引言
随着我国产业结构调整和“中国制造2025”的全面实施，自动化智能化设备在现代工业中得到日益广泛的应用。全自动码垛生产线是集机械制造、电气系统控制于一体的高技术产品，广泛应用于化工、医药、食品、粮食等行业，与人工码垛和机器人码垛相比，高位码垛机具有适应性强、自动化程度高、码垛速度快等特点，可大幅度提高生产效率，降低企业运营成本［1-4］。经济的持续发展促使石化企业生产规模的日益扩大，迫切需要提升包装码垛生产环节的效率，目前在包装设备上已由传统预制袋包装机逐步向FFS重膜包装机过渡，FFS包装机包装速度最高可达2400包/h，因此对下游码垛设备提出更高的性能需求，提升全自动高位码垛机的码垛能力已经迫在眉睫。
全自动高位码垛机融合了多学科知识，设备研发和调试需要具备深厚的技术储备和丰富的工程实践经验，技术壁垒较高［5］。国外自动化包装行业起步较早，技术能力强，产品体系完善，较为出名的企业包括德国BEUMER、意大利BL、德国HAVER等，图1为进口码垛机的几种结构形式，它们均为具备自主知识产权的先进设备和具有稳定可靠的控制系统，能够保障稳定生产能力在2200包/h以上，但产品售价较高。

目前国内高位码垛机生产厂家主要有无锡力马、哈尔滨博实、等厂家，但受到技术限制，设计生产能力一般在1800包/h之内，实际稳定工作能力在1600包/h左右，与国外产品有一定的差距，难以满足生产企业对码垛生产线性能的要求。表1为国内外主要高位码垛机厂家的产品性能参数。
性能完善的系统结构和快速响应、精确定位的控制系统是保障和提升码垛机生产能力的重要环节。为提升现有高位码垛机的生产能力，本文通过建立兼顾性能和安全的码垛生产系统，设计了基于PROFIBUS-DP扩展总线通信的高位码垛机伺服驱动控制系统，并对产品结构进行优化设计，以此来确保研制的高位码垛机既可以大幅提升码垛能力，又可以稳定可靠运行。

1高位码垛机系统分析
1.1高位码垛机工作原理
高位码垛机是将定量包装袋输送至一定高度后，按照预定方式对料袋进行整形、转位、编组、推包、分层，将料包按层码放到托盘上，最后由叉车叉运。码垛生产线由不同功能的设备单元按照工艺流程顺序组合连接而成，各个设备单元在功能上相对配合，其各自的响应速度和定位精度是保障整机高效运行的前提。
1.2高位码垛机结构
全自动高位码垛生产线的结构主要由以下单元组成：过渡输送机、爬坡输送机、整形输送机、提速输送机、转位输送机、缓停输送机、编组输送机、推包机、分层机、侧整形机、托盘仓、托盘输送机、升降机、垛盘输送机及钢平台扶梯等。各单元的技术参数和工艺流程协调一致确保运行效率和码垛功能［9］。为有效提升码垛机的生产能力，在充分分析各组成单元的技术特点和工况条件，设计了一套结构紧凑、配合合理的高位码垛生产线，如图2为高位码垛机三维模型。

1-过渡输送机2-爬坡输送机3-整形输送机4-提速输送机5-转位输送机16-转位输送机27-缓停输送机8-编组输送机9-推包机10-分层机11-侧整形机12-托盘仓13-托盘输送机14-托盘输送机15-升降机16-垛盘输送机

转位输送工位是制约码垛生产能力的重要环节，要保证2400包/h的生产能力，如果配置一个转位工位，则平均每2.5s需要完成一包物料的转向输送，该工况条件对电机减速机的结构强度和驱动控制系统的稳定性要求极为苛刻。德国BEUMER公司针对转位工位有较为深入的研究，对于不同料包特性和生产能力要求设计出三种转位装置，如图3所示。夹持转位设备通过气缸驱动夹板夹住料包两侧进行旋转，适应性强，结构简单，可应用于各种料包，也是目前国内应用最广，技术最成熟的一种；双皮带转位设备是由两台平行布置独立驱动的皮带输送机，应用同步伺服电机控制，系统采用主动反馈控制系统，对于不同规格料包可以准确确定皮带速度，处理料包轻柔，适用于容易变形的物料，效率最高可达2500包/h，但国内鲜有应用，技术尚不成熟；棒性转位设备适用于大通量处理不易变形的袋装物料，具有操作方便可靠性高等特点。鉴于以上分析，本文设计的高位码垛机采用双工位夹持转位输送机，以提升转位速度，保障码垛机的生产能力。

1.3工艺流程优化
高位码垛生产线码放的垛型需要稳固美观，以便于物料的储存和运输，图4为物料在仓库中储存形式，如果垛型码放松散极易产生倾倒事故。

传统高位码垛机在结构设计上有一套压包单元，即在分层码放到托盘时，通过压包机将垛型压平，但压包动作一般较慢，严重影响了码垛机的码垛速度，成为提升码垛机生产能力的瓶颈［10］。本文所设计的码垛机，通过改变工艺流程和分层机的结构形式，在分层机关闭后，利用编组的时间，通过升降机提升码放好的垛盘对分层平板进行挤压实现压包。通过该工艺优化，不但有效提升了码垛机的生产能力，而且压包时垛盘受力均衡，使码放出来的垛型更加规整。
2控制系统设计
全自动高位码垛机运行过程中，输送、转位、编组、推包、分层等多个动作均是自动完成，为提高码垛机生产能力，需要各工序能够协调控制，具有可靠性高和动态响应性能好等特点，同时控制系统需要具备友好的人机交互界面，以便于生产维护和性能监控［11-12］。根据码垛机生产工艺流程设计了如图5所示的硬件控制系统。

2.1“HMI+PLC”控制单元
根据码垛生产线要求通用性强、响应速度快、扩展性好的特点，同时兼顾设计成本，选用西门子S7-300系列313C-2DP紧凑型PLC控制器。同时，为了便于生产维护和状态监控，构造人性化的人机界面，设计中选用兼具性能和可视化的TP900型精致面板。
2.2电机控制单元
为保证码垛生产线达到2400包/h的生产能力，需要各结构单元在在高速运行过程中快速响应、精准定位、稳定可靠。针对以上需求，根据不同单元的工艺特性配置不同的控制驱动系统，其中转位、编组、推包机、分层机选用SEW同步伺服电机，因为同步伺服具有较高的动态特性高，过载能力强（过载能力可达4倍额定转矩）等特点，尤其对于码垛机需要频繁启停且系统加速度要求较高的单元，同步伺服电机最为合适［13］。对于升降机伺服电机，由于运行过程中需要承受较大的转动惯量，所以选择异步伺服电机。为了实现PLC主站对运动过程的统一管理与控制，伺服电机配备集成PROFIBUS-DP通讯板卡的MOVIDRIVEMDX61B系列伺服驱动控制器。
根据以往工程经验，满垛输出过程中，如果通过工频启动，机械传动部分的冲击振动较大，易导致垛盘倾倒现象，所以垛盘输送机通过ABB变频器进行控制，零速启动时可按照工艺的需要光滑地加速，而且其加速曲线也可以选择直线加速或S形加速，确保垛盘平稳进行输送。
2.1“HMI+PLC”控制单元
根据码垛生产线要求通用性强、响应速度快、扩展性好的特点，同时兼顾设计成本，选用西门子S7-300系列313C-2DP紧凑型PLC控制器。同时，为了便于生产维护和状态监控，构造人性化的人机界面，设计中选用兼具性能和可视化的TP900型精致面板。
2.2电机控制单元
为保证码垛生产线达到2400包/h的生产能力，需要各结构单元在在高速运行过程中快速响应、精准定位、稳定可靠。针对以上需求，根据不同单元的工艺特性配置不同的控制驱动系统，其中转位、编组、推包机、分层机选用SEW同步伺服电机，因为同步伺服具有较高的动态特性高，过载能力强（过载能力可达4倍额定转矩）等特点，尤其对于码垛机需要频繁启停且系统加速度要求较高的单元，同步伺服电机最为合适［13］。对于升降机伺服电机，由于运行过程中需要承受较大的转动惯量，所以选择异步伺服电机。为了实现PLC主站对运动过程的统一管理与控制，伺服电机配备集成PROFIBUS-DP通讯板卡的MOVIDRIVEMDX61B系列伺服驱动控制器。
根据以往工程经验，满垛输出过程中，如果通过工频启动，机械传动部分的冲击振动较大，易导致垛盘倾倒现象，所以垛盘输送机通过ABB变频器进行控制，零速启动时可按照工艺的需要光滑地加速，而且其加速曲线也可以选择直线加速或S形加速，确保垛盘平稳进行输送。

2.4PROFIBUS-DP控制总线
PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一，它以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持，被纳入现场总线的国际标准IEC61158，PROFIBUS-DP主要用于制造业自动化系统中单元级和现场级通信。特别适合PLC与现场级分布式I/O设备之间的快速循环效据交换，码垛机生产线HMI、PLC、伺服控制器之间的即采用DP总线通信［14］。基于PROFIBUS-DP扩展总线建立的码垛机控制设备网络组态，如图7所示。

SEW伺服的扩展总线定位功能具有操作使用方便、用户界面友好、可实现长距离监控等优点。通过总线控制可以设定无限多的目标位置，且可以随时调整运行速度，控制系统的软件限位和状态监测功能对码垛生产线的测试优化具有重要意义［15-16］。如图8所示，伺服变频器是通过过程数据通道进行控制，PLC发送6个过程输出数据到伺服变频器，用于控制伺服使能、启停、目标位置和速度设定等功能；同时PLC接受从伺服变频器返回的6个过程输入数据，可实现伺服变频器的状态监测。各控制字定义及使用可参考SEW伺服变频器系统手册。

根据以上分析，通过结构优化、工艺革新、性能改进，设计并生产了如图9所示的高位码垛机，通过样机测试，该码垛机结构稳定，运行安全可靠，稳定码垛速度可达2200包/h，大幅提升了现有码垛机的生产能力，缩小了与进口码垛设备的差距，为实现高性能自动化设备的国产化迈进了一步。

3结论
通过对高位码垛机的工作原理和各单元功能进行分析，了解了影响码垛机生产能力的主要因素，着重研究了设备结构组成、运行工艺流程、控制系统对提升码垛机生产能力的影响，设计并研发了一套性能完善的高位码垛生产线。主要结论如下：
（1）码垛生产线各设备单元的协调一致是提升码垛机生产能力的关键，其中，转位输送工位是制约码垛机速度提升的瓶颈，双工位的夹持转位输送机技术成熟可靠性高，是码垛生产线的最优选择。
（2）优化工艺流程，取消压包工位，通过升降机提升码放好的料包对分层平板进行挤压实现压包是提升码垛机码垛能力的有效手段。

（3）根据码垛机的结构形式和运行特点搭建的安全控制系统，能够保障设备和操作维护人员更安全，降低事故率、减少停机时间，可保证以符合安全标准的方式高效利用设备，以提高生产效率。
（4）基于PROFIBUS-DP的伺服控制系统的应用，使码垛生产线控制系统更加稳定可靠，并且实现了PLC主站对运动过程的统一管理与控制。

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