1引言
水泥作为基础设施建设的基本原料，是国家经济建设的重要生产资料。我国是水泥生产大国，目前水泥产量已超过全球总量的60%。水泥包装是水泥生产线上重要环节,主要完成取袋、张袋、送袋、装料、封口、放袋等功能,快速性与可靠性是衡量一包装系统优劣的重要标志。随着机械化、自动化与信息化快速发展,节能环保与可持续发展成为当今共识,这对水泥包装行业提出了新的挑战。目前，许多小型水泥工厂迫切需要完成水泥包装线的机械化与自动化，减少装料粉尘与操作人员，提高包装效率，降低成本，增强竞争力。工业机器人是面向工业领域的多自由度的机器装置，主要由主体、驱动系统和控制系统组成，一般具有(3-6)个运动自由度，可依靠自身动力和控制能力按程序自动执行工作，与不同的夹具配合可实现各种功能，广泛运用于涂胶、焊接、搬运等领域，对提高工业自动化与柔性,实现无人工厂具有重要意义。实验室与江苏南京某包装机械公司联合研制了一种基于工业机器人的水泥包装系统，主要用于阀口袋水泥包装，实现了包装系统的自动化与实时监测,提高了包装效率与可靠性，工业机器人的引进极大地提高了水泥包装系统的柔性。以S7-200为控制器四，结合组态王件详细完成了新型水泥包装线控制系统佝的开发。
2柔性水泥包装系统的组成
柔性水泥包装系统的四大组成部分，如图1所示。主要包括伺服电机、袋库机架、送袋机构、张袋机构、夹袋机构1、工业机器人、料仓、夹袋机构2、输送机构和若干传感器，其中传感器包括光电开关、接近开关、磁性开关、粉尘浓度传感器、料位检测仪等。包装工艺流程为：送袋机构从袋库取出阀口袋并送至张袋机构,张袋机构张开阀口袋，工业机器人利用夹袋机构1取袋并保持阀口张开状态，送至阀形出料口，夹袋机构2夹紧固定袋子，料仓放料,装料完成后自动封口，最后被输送机构送至指定位置。工业化生产中，采用单一工业机器人配合多个阀形出料口协同工作，实现并行包装，可提高包装效率。

根据水泥包装的工艺流程，釆用模块化方法完成控制系统的设计，主要包括:张袋机构的循环供袋控制、工业机器人控制、装料控制和输送机构控制。包装过程中会产生一定量的粉尘，影响设备的正常使用,如轴承、气缸等,需保证粉尘浓度处于合理范围之内，故实现对系统的实时监测是保证其安全、可靠、高效率运行的必要条件。
3控制系统硬件设计

字量扩展模块、模拟量扩展模块协同控制、监视系统的正常运行和保证设备安全，硬件结构连接，如图2所示。空气开关控制整个系统，可自动切断电路，保护设备;交直流转换器主要用来将交流电转换成24V。
系统选用S7-200CCPU224CN）作为运算控制器，与数接电，为PLC和各模块提供电源。控制系统以PLC为主体，模拟量和数字量扩展模块通过自带的通信端口依次连接，各信号均釆用隔离措施，模拟量釆用光电隔离，数字开关量釆用继电器隔离，确保系统安全、可靠地运行。上位机采用STEPT-MicWWIN32编写、调试控制程序，利用组态王软件与PLC组态通信,实现对系统的远程控制与实时监测。
根据水泥包装工艺的要求，计算出控制系统需要的I/O点数如下:数字量输入21点,包括现场设备的应答、备妥、限位、故障等信号;数字量输出16点，包括真空发生器、气缸等设备的驱动信号,伺服电机的脉冲信号（本系统采用S7-200自带的高速PTO输出）;模拟量输入3点，分别是粉尘浓度传感器、气泵压力值、输送机构电机转速反馈信号;模拟量输出信号1个点，即输送机构电机转速。依据电气硬件的特性，完成控制系统硬件配置，如表1所示。

4控制方案设计
4.1张袋机构的循环供袋控制
张袋机构有两个作用:循环供袋和张开袋口,是水泥包装的基础工作，本系统釆用带分支结构的顺序控制法。按下启动信号后，光电开关判断是否有袋,若有袋则启动张袋机构张开袋口并保持;若无袋则通过伺服电机启动送袋机构,阀口袋到达目标位置后再启动张袋机构，控制流程，如图3所示。送袋机构釆用电机配合链传动的方式，电机需间断性启动停止，故选择交流伺服电机，利用S7-200自带的高速脉冲串（PTO输出）配合零位脉冲实现伺服电机的控制时。

4.2工业机器人控制
实验系统的工业机器人型号为ABB公司的1410型焊接机器人叫主要完成阀口袋的取送,并与夹袋机构1配合使袋口保持张开状态，便于插入阀形出料口。基于机器人的特点,可实现单一机器人与多个阀形出料口配合运行，缩小设备占用空间，提高包装效率,使系统具有极强的柔性与适应性。工业机器人取袋与送袋机构送袋不能同时进行,机器人取袋离开机架后，送袋机构才能开始送袋，反之亦然。此处涉及PLC与机器人的信号交换，利用中间继电器将PLC输出信号转换为机器人的输入信号，设计机器人取袋与送袋机构送袋的电气互锁,使二者有且仅有一项处于活动状态,保证系统的稳定安全运行,控制原理,如图4所示。

4.3装料控制
阀口袋具有粉尘少、自封闭的优点，广泛运用于现代粉体包装。工业机器人将阀口袋插入阀形出料口后，夹袋机构2夹紧并固定袋子，打开出料口阀门，开始装料,待装料完毕，夹袋机构2松开，阀口袋自行封闭，下落到输送机构。为了保证系统正常运行，料仓内的水泥总量应保持在一定范围之内。料仓圆周均匀布置高、中、低三组六个料位检测仪,当料位超过任何一个高位检测仪，关闭料仓进料口阀门;当料位低于任何一个低位检测仪，打开进料口阀门。只有当料位处于低、高料位之间,且夹袋备妥时，才能打开出料口进行装料,具体控制策略，如图5所示。

4.4输送机构控制
输送机构是水泥包装的最后一个控制环节，主要作用是将包装好的水泥运送至指定区域，本系统采用皮带输送方式，为了适应不同的输送速度和提高输送稳定性，建立了基于变频调速的PID控制器。采用光电编码器测量电机转速,通过模拟量模块输入PLC,与速度指定值进行比较运算，设计数字PID运算器，构成半闭环控制系统U5,PID运算器的输出值经过模拟量模块转换为(0~20)mA的电流信号,对应于变频器(0~50)Hz频率,以控制电机转速,使输送机构稳定运行，控制方案，如图6所示。

4.5人机交互界面设计
利用组太王软件设计上位机人机交互界面，本系统共设计了四个界面，分别为柔性水泥包装线控制系统主界面、趋势曲线界面、数据报表界面和报警监控界面，其中主界面，如图7所示。

主界面主要负责整个系统的远程控制与实时监测，包括系统的启动、停止控制;输送机构电机转速、气泵压力和粉尘浓度的检测;系统运行过程中各工位的开关量的运行状况显示，可以形象地表征出系统运行过程。当气泵压力小于某一值或者粉尘浓度超过限定值时,系统会自动停止运行并产生灯光闪烁报警,排除危险后，报警自动解除，系统恢复运行。
点击右下角的命令按钮可分别进入趋势曲线界面、数据报表界面和报警监控界面。工作人员可通过查看实时趋势曲线和历史趋势曲线,了解系统设备的运行状况;数据报表能以EXCEL的格式保存数据,可方便操作人员了解、查看系统运行情况和各重要参数的数据,为查找、分析原因和排除故障提供可靠的依据;报警界面可监控设定的变量,当超出正常值时产生报警信号，有助于保护设备安全。
5结束语
工业机器人末端执行器的活动范围是一个三维空间，可灵活地适应高度各异的出料口，且对实现设备的简约化、紧凑化布置具有重要意义;机器人与不同型号的夹具配合可以取送不同尺寸的阀口袋,实现不同量程的水泥包装;通过对系统时域响应特性的优化可实现四个出料口的并行供料，进而实现多种物料的定量混合包装，以上特征使水泥包装系统具有高度适应性和柔性。以S7-200为下位机开发了柔性水泥包装线综合控制系统，利用组太王软件设计了人机交互界面,可实时控制与监测系统运行状况，实现了自动化运行、检测和管理。实验室开发了验证原型机，如图8所示。实验结果表明整个系统自动化程度高、运行稳定、安全可靠,极大地提高了水泥包装效率，改善了操作人员的工作环境,十分适合小型水泥工厂水泥包装线的自动化改造。

作者：李支茂，谴永祥，李双跃，荣云

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