0 引言
码垛机广泛应用于粮食、油脂、淀粉、饲料、化肥、水泥等行业企业的库房产品堆包码垛，可有效解决其库房码垛工作量大、劳动强度大、需要劳动力多、工作效率低、生产成本高等问题和弊端。目前，粮食加工企业库房大量应用的桥式码垛机，主要采用集中控制和手动操作模式，监控系统功能简单，运行现场存在故障较多、可靠性差、系统故障排查慢等缺点，造成使用不方便，部分现场甚至因为故障频发等问题停用桥式码垛机，造成设备浪费和生产成本增高[1～3]。根据粮食加工企业桥式码垛机应用现场需要，开发一种实现冗余控制和故障监测的桥式码垛机监控系统,对促进码垛机产品的技术升级和科技持续创新具有重要的实际意义。
1 系统的总体功能设计
粮食加工企业桥式码垛机应用现场一般包括包装机、输送设备和桥式码垛机等。其中根据企业产品产量情况配置包装机数量，设计包装线；根据库房的大小和产品库存量配置桥式码垛机的数量；根据库房包装机位置和桥式码垛机数量设计输送线。典型粮食加工企业桥式码垛机应用现场如图1所示。
图1 粮食加工企业桥式码垛机应用现场图
码垛机工作处于运动状态，其控制内容包括整机动作控制和产品输送控制；输送设备需要根据码垛机的工作状态实施联锁控制，其控制内容包括输送运行控制和输送线故障监控；包装机一般采用定量控制器实施控制，监控系统设计时只需要考虑如何通讯即可。本系统采用分散控制模式实现总体功能设计，设置2种控制子站，分别为码垛机控制子站和输送线控制子站，系统管理站根据需要设置在现场控制室或企业监控中心。系统总体功能框图如图2所示。
桥式码垛机监控系统面对生产现场、一般操作人员使用。从图2中可以看出，系统实现的功能主要包括以下五种：
1）码垛机控制，包括对桥式码垛机上下、前后、左右各个方向的运动控制，码垛机内部的输送线控制；
2）输送线控制，包括输送线单机运行控制和输送线联锁控制；
图2 桥式码垛机监控系统总体功能框图
3）产品计数，包括每一码垛机堆码产品数量管理和全车间堆码产品数量管理；
4）状态监测，对输送线的运行状态实施监测和故障报警；
5）数据管理，监测过程数据的存储，报告的生成，报表打印，用户管理等。
2 系统硬件设计
桥式码垛机监控系统采用分散控制方式实现，通信网络采用无线方式和电力线路握手形式设计。针对桥式码垛机典型应用现场，将固定输送部分采用一套PLC实施控制；在每一个桥式码垛机（移动码垛部分）采用一套PLC实施控制；在所有的桥式码垛机工程中均可采用1+N形式设计，便于组合扩展，1为固定输送控制，N为多个桥式码垛机控制。将计数和报警传感器结合，控制器与显示器结合，实现监控系统精巧、紧凑化设计。计数和报警传感器采用光电传感器实现，控制器采用西门子LOGO系列PLC实现。系统的硬件组成图如图3所示。
图3 系统的硬件组成图
2.1 通信方式与通信网络设置
由于桥式码垛机输送线包括移动输送线和固定输送线两种形式，一旦发生故障，输送线要求实现连锁停机控制，所以必须实现1+N控制形式中1与N控制器之间的交互通信。
针对工业现场，目前通信方式与通信网络一般采用有线方式的现场总线等形式实现控制器之间的通信。本系统由于桥式码垛机处于移动状态，电气线路通过滑触线或拖缆实现，如果控制器之间的通信也通过滑触线或拖缆实现，存在通信可靠性低、维修不方便和增加成本等缺点。基于应用现场实际情况，本系统控制器之间的通信方式与通信网络采用无线通信形式实现。由于系统输入控制器的各种参数均为数字开关量，设计采用无线通信模块传输各类数字开关量实现各个控制器之间的通信。信号交互采用继电器无源触点输出形式，用于控制用户终端的运行和停止。发射端继电器每次动作后，都能将当前继电器状态返回给接收端。本系统无线通信模块采用KYL-803实现，通信系统工作电压为DC12V，工作电流小于600mA，控制距离大于600m。
实现码垛机可靠控制仅依靠无线通信是不够的，本系统在采用无线通信模块传递数字开关量基础上，设计在控制器之间采用电力线路传递工作状态形式实现冗余通信，通过控制器内部比较电力线路通信工作状态和无线通信工作状态实现了码垛机可靠控制。
传统的桥式码垛机采用按钮控制，操作人员必须在码垛机下料平台周围才能实现码垛机控制操作，严重限制码垛速度。本系统采用按钮控制和遥控操作结合方式实现码垛机操作控制，实现码垛机上下、东西、南北运动控制和输送线启动停止控制。遥控设备选用禹鼎F23-A++实现，控制距离可达100米。
系统管理站与输送线控制子站之间的通信方式与通信网络采用工业以太网实现。图4为桥式码垛机监控系统通信方式与通信网络示意图。
图4 通信方式与通信网络示意图
2.2 基于光电传感器的监测网络
桥式码垛机输送线运行过程中与生产有关的故障主要有堵包、掉包、烂包等，需要及时进行处理，实现输送线运行状态监测和故障处理。系统采用计数与状态监测相结合的监测方式，基于光电传感器实现输送线监测网络，如图5所示，在包装袋汇集输送处设置防碰撞光电传感器组，在输送线转角处均设置堵包报警光电传感器，在易掉包、烂包处设置报警光电传感器。输送线光电传感器接入输送控制子站，码垛机上的计数、报警传感器接入码垛机控制子站，针对距离远、接入不方便的位置设置无线光电传感模块，由无线传输模块将信息传输到PLC，通过组建基于光电传感器的监测网络实现桥式码垛机输送线安全可靠运行。
图5 光电传感器监测网络监测点分布图
2.3 控制子站设计
控制子站的设计采用手动电气柜和自动控制箱组合形式实现，便于现场施工和后期升级改造。以输送线控制子站为例，首先设计实施手动电气柜，预留手动自动切换功能，再将自动控制箱根据要求设计完成，进行互联调试，这样可以实现系统可靠工作和降级使用，一旦某一部分发生故障，根据需要进行切换即可实现系统可靠工作。某输送线控制子站结构如图6所示。
3 系统软件设计
图6 某输送线控制子站结构图
桥式码垛机监控系统软件主要由控制器软件和监控软件组成。监控软件采用WINCC设计，主要由系统总体运行监控及报警界面、报警历史记录查询界面、袋装产品产量查询界面、产品产量趋势界面等画面构成，运行时首先进入系统运行监控界面，当有故障发生或传感器发出报警信号时报警图标会闪烁报警，并显示何处出现故障，显示现场输送线运行状态和码垛机工作情况。监控软件运行界面如图7所示。
图7 系统监控界面图
控制器软件采用LOGO编程软件设计，实现现场设备控制和输送线工作监控，系统软件设计实现了碰撞检测与协调控制、故障诊断与输送线连锁控制功能，具体设计如下：
1）碰撞检测与协调控制
在多个分散输送带上的产品袋传送到汇集输送带时可能会产生碰撞叠包，影响包装袋的正常输送，引起输送线故障停机。本系统在每一分散传送带放置专用光电传感器，当包装袋同时通过时，PLC根据传感器给出的检测信号，判定是否发生碰撞叠包，依据设定好的规则处理输送带动作，避免了碰撞叠包情况的发生。碰撞检测与协调控制流程如图8所示。
图8 碰撞检测与协调控制流程图
2）计数、监测与输送线连锁控制
系统计数功能采用光电传感器实现，当计数传感器检测到有货物通过时，便进行一次开合，与计数传感器相连的PLC接收计数脉冲信号，经过分析计算，记录下通过货物的数量，存储至存储器中，以便以后进行产量查询，特殊设计的存储空间及存储模式可以保证数据掉电不丢失，上电自动读取数据继续工作。
在实现计数功能的基础上，系统根据产品袋运行距离、速度和时间，根据构建的光电传感器监测网络，实现故障诊断与输送线连锁控制。当光电传感器检测到货物在一定时间内不通过或通过异常时，PLC根据光电传感器监测网络进行分析判断，根据堵包的情况进行报警，根据故障情况实现输送线连锁控制。故障诊断与输送线连锁控制程如图9所示。
图9 故障诊断与输送线连锁控制流程图
4 结束语
根据目前码垛机监测控制的发展与要求，采用分散控制设计的思想，设计开发了一套桥式码垛机监控系统。该系统实现了粮食加工企业产品包装、输送、仓储、装车全流程的可靠控制，能够对现场设备进行控制和监视，实时监测库房现场状态信息。由于系统采用了无线通信与电力线通信结合、计数与状态监测相结合等技术，提高了系统的可靠性，使系统具有很强的持续工作能力，而且无须增加太多投入即可扩充监控项目。系统目前已经在粮食加工企业现场运行，取得满意的效果。
