物流生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)模塊化設(shè)計

廖倫彪，張 寶，楊 濤，姜春靈

（1.四川煙草工業(yè)有限責任公司，四川 綿陽 621000；2.西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010）

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，自動控制技術(shù)的集成也越來越多元化、復(fù)雜化，對工程技術(shù)人員的要求也越來越高。一些工程技術(shù)人員剛進入企業(yè)時，面對錯綜復(fù)雜的物流生產(chǎn)線系統(tǒng)時，缺乏感性的認識，難以在短時期內(nèi)掌握解決其綜合問題的能力；而企業(yè)采取的一些針對性的職業(yè)技能培訓也很難真正地和實際物流生產(chǎn)線相結(jié)合，培訓效果也不理想，因此員工仍需經(jīng)過較長的適應(yīng)期才能勝任崗位。在這種情況下，一種既能滿足企業(yè)培訓需求又能結(jié)合其生產(chǎn)工藝的實訓系統(tǒng)就顯得非常重要。近年來，國內(nèi)外也有很多公司在對物流生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)進行探索和研究。德國FESTO、廣東三向教學儀器、浙江天煌科技等公司都開發(fā)了各具特色的物流生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)[1]。這些公司研制的實訓系統(tǒng)自動化程度都很高，培訓功能也較為全面，但其面向的多為一些高等、職業(yè)院校學生的訓練和課程開發(fā)，很少有針對某行業(yè)或企業(yè)的實訓系統(tǒng)；且大部分實訓系統(tǒng)將其電氣部分封裝，通過開關(guān)按鈕的形式來控制系統(tǒng)的運行，無法對系統(tǒng)的工藝流程和培訓項目做大的更改。因此若將這種通用型的實訓系統(tǒng)用于企業(yè)職業(yè)技能培訓，其針對性不強、靈活度不高，很難真正提高員工解決綜合問題的能力。

鑒于這種情況，本文結(jié)合某卷煙廠成品庫物流系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計方法，開發(fā)設(shè)計一套將機械結(jié)構(gòu)、氣動技術(shù)、電氣控制技術(shù)、條碼閱讀技術(shù)、傳感技術(shù)、視覺檢測技術(shù)、射頻識別技術(shù)、可編程控制器技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)充分融合為一體的維修電工職業(yè)技能培訓以及物流設(shè)備應(yīng)用創(chuàng)新實驗的物流生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成

該實訓系統(tǒng)用于某卷煙廠職業(yè)技能培訓和物流設(shè)備的應(yīng)用創(chuàng)新實驗，其組成以及工藝流程需盡可能地模擬該卷煙廠成品庫物流系統(tǒng)。

2.1 卷煙廠成品庫的物流系統(tǒng)

針對煙草工業(yè)企業(yè)的工藝特點和需求，卷煙廠成品庫的物流系統(tǒng)主要圍繞制絲車間的片煙配方投料、卷接包車間的輔料搭配、輸送供料，其作用是確保將合格的已裝包成箱的不同品牌的香煙件箱傳送至立體高架庫中儲存，并將指定品牌的香煙件箱從高架庫中取出。成品物流系統(tǒng)的供貨范圍從卷接包車間的封箱機組后的合流口處的連續(xù)輸送線開始，經(jīng)輸送設(shè)備送至二樓碼垛機器人的對應(yīng)工位，碼垛成成品實托盤，然后通過入庫輸送系統(tǒng)進入成品高架立體倉庫。件箱入庫流程如圖1所示。

圖1 件箱入庫流程圖

成品物流系統(tǒng)輸送線由多段輥機、皮帶機、鏈機組成，其電氣設(shè)備涉及到三相交流電機、變頻電機、變頻器、電磁閥、氣缸、條碼閱讀器以及不同類型的傳感器等，整個系統(tǒng)由Rockwell公司的Controllogix系列PLC以及遠程I/O模塊通過工業(yè)以太網(wǎng)和DeviceNet現(xiàn)場總線對現(xiàn)場設(shè)備進行控制。

2.2 實訓系統(tǒng)組成及工藝分析

作為實訓系統(tǒng)其組成和控制方式需盡可能和現(xiàn)場接近，整個實訓系統(tǒng)根據(jù)其工藝流程和設(shè)備布局，又分為物流輸送、機器人分揀碼垛、立體高架庫三個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)均采用單獨的PLC控制，并根據(jù)設(shè)備安裝位置的就近原則，劃分相應(yīng)的設(shè)備段。

主控采用Rockwell公司Compact Logix系列PLC，并通過工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接子系統(tǒng)PLC、現(xiàn)場操作終端；通過Devicenet網(wǎng)絡(luò)連接工業(yè)機器人；通過遠程I/O模塊連接各功能裝置；采用國際通行的OPC通信方式在計算機系統(tǒng)（包括調(diào)度計算機和監(jiān)控計算機）、工業(yè)觸摸屏與PLC之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換[2]。工業(yè)以太網(wǎng)采用星形結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的集中監(jiān)控和分散控制，用方便靈活的硬件和軟件模塊進行組合設(shè)計，以適應(yīng)各個系統(tǒng)中不同特點的工藝控制要求和管理要求，使其成為既滿足工藝要求的精確控制又滿足現(xiàn)代化管理要求的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)既能向上級管理系統(tǒng)發(fā)送現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)和貨物信息，又可接收上級管理系統(tǒng)發(fā)布的調(diào)度信息，使其完成設(shè)備執(zhí)行層和調(diào)度控制層之間的信息交互。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

由網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖可知，系統(tǒng)的三個組成單元既相對獨立又緊密相連，既可實現(xiàn)單機運行，又可將物流輸送單元、機器人分揀碼垛單元、立體高架庫單元聯(lián)合起來實現(xiàn)聯(lián)機工作。其中，環(huán)形輸送單元主要實現(xiàn)物料出倉、物料輸送、物料檢測、物料剔除、物料出站暫存，其單機運行的工藝流程如圖3所示。機器人分揀碼垛單元主要實現(xiàn)機器人自動補給物料、托盤、托盤輸送、機器人分揀、碼垛，其單機運行的工藝流程如圖4所示。立體高架庫單元主要實現(xiàn)高架庫搬運手從貨物輸送裝置取貨并放置在高架庫預(yù)定的任意位置，并且能夠從高架庫上將同一種類或幾類貨物全部取出，該單元設(shè)置有手動和自動兩種模式，其單機運行時入庫工藝流程如圖5所示（出庫流程與入庫流程類似）。當實訓系統(tǒng)聯(lián)機運行時培訓人員可以根據(jù)訓練需求自行編寫程序以實現(xiàn)不同的工藝流程。聯(lián)機運行主要工藝流程如圖6所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖3 物流輸送單元工藝流程圖

3 實訓系統(tǒng)模塊化設(shè)計

設(shè)計出的實訓系統(tǒng)除盡可能模擬卷煙廠成品庫物流系統(tǒng)工藝流程以及裝備組成外，還需具備當前柔性設(shè)備的模塊化、層次化、靈便化、互換性、相容性以及接口標準化等特點[3]，方便實訓系統(tǒng)后續(xù)的更新和擴展。

圖4 機器人分揀碼垛單元工藝流程圖

圖5 立體高架庫單元入庫流程圖

圖6 聯(lián)機工作主要工藝流程圖

3.1 實訓系統(tǒng)模塊化設(shè)計需求分析

該實訓系統(tǒng)主要用于某卷煙廠維修電工職業(yè)技能培訓和物流設(shè)備的應(yīng)用創(chuàng)新實驗，很難通過對市場上現(xiàn)有的實訓系統(tǒng)進行變形或改造而獲得，但作為柔性實訓產(chǎn)品，其某些裝置或者零部件可以通過對其它產(chǎn)品的簡單變形而獲得，因此作為新產(chǎn)品的開發(fā)在進行系統(tǒng)的設(shè)計時，可結(jié)合側(cè)重于功能劃分的模塊化設(shè)計特點[4]以及側(cè)重于產(chǎn)品或零部件的形狀結(jié)構(gòu)分類的設(shè)計特點[5]。如圖7所示，總體設(shè)計步驟可以分為：闡述任務(wù)、功能模塊建立、結(jié)構(gòu)模塊建立、模塊形成、模塊組合[6]。從設(shè)計流程圖中可知用戶的需求獲取以及需求分析是設(shè)計的基礎(chǔ)和關(guān)鍵因素，根據(jù)分析歸納總結(jié)出用戶需求，見表1。通過前期的市場調(diào)研，確定了實訓系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)，并確定了實驗桌的高度和物料的尺寸及形狀，實驗桌高0.9m，物料采用86mm×56mm×23mm的方塊，因此相應(yīng)的輸送線等一系列模塊的尺寸也可初步確定。

圖7 物流生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)模塊化設(shè)計流程圖

表1 物流生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)用戶需求

3.2 實訓系統(tǒng)模塊劃分

由實訓系統(tǒng)模塊化設(shè)計流程可知，系統(tǒng)設(shè)計的另一個關(guān)鍵因素是其模塊劃分。實訓系統(tǒng)作為一個新產(chǎn)品的研發(fā)且機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、零部件組成較多，比較適合從面向設(shè)計的角度來進行模塊劃分，因此在模塊劃分時采用功能模塊劃分原則。功能模塊劃分即將產(chǎn)品的總功能分解成一些基本的功能模塊，然后從相關(guān)性影響因素的角度進行聚類分析，并產(chǎn)生不同層次的功能模塊，使整個設(shè)計思路清晰明了[7]。對于功能層次的劃分，一般將模塊的等級劃分得越細越好，模塊的等級越高模塊之間的耦合度就越小，模塊之間的相互影響也就越小[8]。在實際設(shè)計時也盡可能地將模塊劃分成更多的等級，但由于該實訓系統(tǒng)劃分到第二級時模塊數(shù)已相對較多，因此在圖中只列出到二級模塊，其功能模塊分解圖如圖8所示。實訓系統(tǒng)中的模塊由功能模塊和非功能模塊組成，功能模塊又包括基本功能模塊、輔助功能模塊、特殊功能模塊和適應(yīng)功能模塊等，非功能模塊則是指用戶專用功能模塊等[9]。按照其組成原則，現(xiàn)將系統(tǒng)中的模塊進行歸類，其結(jié)果見表2。

圖8 物流生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)功能模塊分解圖

表2 物流生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)模塊的歸類

3.3 實訓系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)特征分析及組合

實訓系統(tǒng)模塊劃分后對模塊的零部件進行幾何形狀分析，確定各零部件的主要參數(shù)，將零部件編碼，建立相應(yīng)的零部件庫，通過對零部件組合形成不同的模塊[10]。在零部件組合時發(fā)現(xiàn)很多功能模塊具有一些相似的零部件，在設(shè)計時只需對某一零部件進行簡單的變形即可。例如，不同單元模塊的鋁型材面板以及實驗桌只需調(diào)整其長度參數(shù)；通過調(diào)整物料存儲模塊中井式料倉的長、寬參數(shù)可得到托盤存儲模塊所需的井式料倉；通過調(diào)整移動機器人模塊中線性模組的長、寬參數(shù)可得到高架庫搬運手模塊所需的線性模組；各功能模塊中的氣缸安裝座、傳感器安裝座以及輸送模塊中的支架可通過簡單的參數(shù)調(diào)整獲得。在設(shè)計時工程師只需從零件庫中調(diào)出相應(yīng)的零部件進行參數(shù)調(diào)整，并將各零部件進行組合便可得到相應(yīng)的功能模塊，這樣減少了設(shè)計時間、提高了設(shè)計效率。功能模塊組合完成后，需將功能模塊組合成單元模塊，單元模塊的組合也不是一成不變，可通過調(diào)整功能模塊的安裝位置以及一模多用的方式來實現(xiàn)不同的工藝流程。例如，在環(huán)形輸送單元模塊中可將功能模塊組合成檢測完后再剔除的模式，也可組合成邊檢測邊剔除的模式；物料剔除模塊包含物料暫存、物料剔除存兩個功能，當進行物料剔除實驗時暫存臺處的剔除口打開；當進行物料排序?qū)嶒灂r暫存臺處的剔除口關(guān)閉，培訓時技術(shù)人員可通過實際需求進行調(diào)整（文中介紹的工藝流程為檢測完后再剔除模式）。通過對各單元模塊的組合可得到整個實訓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖9所示。

圖9 物流生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

本文分析了某卷煙廠成品庫物流系統(tǒng)的組成及工藝特點，結(jié)合該卷煙廠的實際需求，采用模塊化的設(shè)計思想開發(fā)了一套用于該卷煙廠維修電工職業(yè)技能培訓及物流設(shè)備應(yīng)用創(chuàng)新實驗的物流生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)。該實訓系統(tǒng)層次分明、靈活度高，且具有標準化的軟、硬件接口，可方便進行后續(xù)的擴展和更新。實訓系統(tǒng)已成功在該卷煙廠運行，并取得了良好的培訓效果。

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