Пример использования современных технических средств автоматизации в высокоскоростных процессах сортировки продукции различаемой по штрих-коду на упаковке.
Введение
Хотел бы поделиться одним интересным проектом реализуемым в нашей компании. Он интересен прежде всего тем, что с его помощью решается несколько однотипных задач единого процесса, в котором, в данный момент, задействовано избыточное количество рабочих и производственных площадей. В основе данного проекта лежит использование современных средств автоматизации технологических процессов, в состав которых входят: система управления на базе программируемого логического контроллера (ПЛК), система технического зрения (СТЗ), высокоточные измерительные датчики, сканеры штрих-кода на основе камеры, система распределенной периферии, а также робототехника. Главной целью проекта является автоматизация процесса обработки и сортировки бумажных пакетов с семенами возвращаемых из отделений продаж, которые не успели реализоваться за сезон, а также уменьшение количества персонала и используемых производственных площадей в данном процессе.
Краткое содержание поставленной задачи
Согласно техническому заданию требуется автоматизированная линия сортировки бумажных пакетов с семенами имеющих три размера: 150х80 мм, 110х75 мм и 105х60 мм, вес любого пакета с продуктом не более 10 грамм. Сортировка должна производится в имеющиеся пластиковые ящики с размерами 600х400х200 мм. Количество разновидностей (наименований) семян — 1000 шт. Производительность системы при работе в две смены — 10000 шт./час. Размеры цеха, где планируется установка линии — 72х24 метра.
Система должна в автоматическом режиме, из бункера, в который засыпаются не сортированные пакеты, распределить их по типу продукции, различаемого с помощью штрих-кода на тыльной стороне пакета, в пластиковые ящики. При этом должна быть возможность выбирать в какой ящик будет отсортирован каждый тип товара. Дополнительно, система должна иметь второй режим работы — набор пактов с семенами, таким образом, чтобы можно было в ящики набирать несколько видов продукции заданного количества из заказа. Также требуется предусмотреть возможность объединения системы с программным продуктом «1С» для дальнейшей автоматизации процессов.
Идея реализации проекта
На этапе проектирования было решено разделить систему на две независимых единицы. Первая (основная) — «конвейерная линия сортировки бумажных пакетов с семенами» на основе трех пластинчатых конвейеров с установленными на них устройствами идентификации штрих-кодов на пакетах и механизмами распределения товара в ящики, расположенные по всей длине конвейерной линии. Вторая (вспомогательная) должна выполнять функцию выкладки пакетов на линию сортировки, вдоль линии конвейера с определенным промежутком и штрих-кодом вверх. Оптимального технического решения второй задачи на начальном этапе найдено не было, но позднее решение нашлось.
По проекту, конвейеры линии сортировки устанавливаются внутри помещения в форме буквы «П», а именно — два параллельно расположенных прямых пластинчатых конвейера по 60 метров соединенных в одном из концов поворотным пластинчатым конвейером, таким образом, чтобы расстояние между прямыми конвейерами по всей длине было 3 метра. Назначение этих конвейеров — перемещать пакеты с семенами постоянным потоком от зоны выкладки товара, в начале линии, до места где будет сброшен каждый пакет. Количество таких мест на линии определено 500 шт., по 250 с каждой стороны конвейеров. Для сбрасывания пакетов с движущейся ленты в определенное место на линии, в зависимости от типа товара, предполагается установка сбрасывателей пакетов. Каждый такой сбрасыватель представляет из себя щетку с жестким ворсом приводимую в движение пневмоцилиндром, соединенными через рычаг и закрепленным на общем кронштейне, который, в свою очередь, крепится к стенке конвейера. Они устанавливаются равномерно через каждые 0,5 метра на обеих сторонах боковых стенок конвейеров, таким образом, чтобы движение щетки было перпендикулярно движению и немного касаясь ворсом конвейерной ленты. Напротив каждого сбрасывателя, на противоположной стенке конвейера, крепится распределительный короб с одним входным отверстием (в которое влетают сброшенные пакеты) и двумя выходными расположенными на разных уровнях по высоте (из которых пакеты вылетают).
Между выходными отверстиями расположена перегородка, образующая два канала в коробе, заканчивающаяся заслонкой у входного отверстия. Функция заслонки направить сброшенный пакет в верхний или нижний выходной канал в зависимости от типа пакета. Заслонка имеет два положения и приводится в движение пневмоцилиндром, который основанием, через вилку обеспечивающую ему подвижность, крепится к уголку приваренному к внешней боковой стенке короба, а шток цилиндра с помощью сферического наконечника и шпильки крепится к боковому торцу заслонки. Для обеспечения соединения заслонки со сферическим наконечником посредством шпильки и возможности перемещения заслонки, в боковой стенке короба вырезано продолговатое отверстие по радиусу от оси заслонки. Разные уровни по высоте выходных отверстий нужны для того, чтобы под ними в два ряда (один над другим) разместились пластиковые ящики, в которые будут падать отсортированные пакеты. Это решение позволило уменьшить длину конвейерной линии в два раза. Для контроля срабатывания пневмоцилиндров предусмотрена установка, на каждом из них, по одному магнитному датчику положения.
Для установки ящиков на двух разных уровнях предполагается изготовление подставок, представляющих из себя сварную конструкцию из труб квадратного сечения в форме прямоугольного параллелепипеда, длиной 2,5 метра каждая.
Система управления (СУ) конвейерной линии сортировки построена на базе ПЛК Siemens S7-1500, который считывает, хранит и обрабатывает все входящие сигналы и данные с датчиков, блоков и органов управления, а также, управляет всеми исполнительными механизмами (электродвигателями, пневматическими цилиндрами). Для взаимодействия СУ с персоналом предусмотрена установка панели оператора HMI.
Из-за большой протяженности линии, на которой по всей длине установлены датчики и пневмоцилиндры, через каждые 2 метра вдоль конвейеров, на 0,9 метра выше уровня ленты, предусмотрена установка блоков распределенной периферии. Каждый такой блок представляет из себя пневматический остров Camozzi серии NH собранный в одной из двух конфигураций. В первой, он состоит из главного модуля, трех модулей дискретных входов, модуля организации подсети и 16 бистабильных пневмораспределителей. Во второй, он состоит из модуля расширения, двух модулей дискретных входов и 16 бистабильных пневмораспределителей. Всего предполагается установка 64 пневматических островов, 8 из которых первой конфигурации и 56 второй.
Главный модуль представляет из себя подчиненный узел протокола сети PROFINET (по отношению к контроллеру) и главный узел для подсети (по отношению к пневмоостровам подключенным к нему). Модуль расширения является подчиненным узлом по отношению к главному модулю в подсети. Модуль организации подсети используется для создания древовидной структуры сети, организуя, тем самым, подсети для оптимизации кабельных трасс и обеспечения требуемой топологии сети. Каждый модуль дискретных входов обеспечивает возможность подключения 8 датчиков через 3-контактный разъем М8. Каждый датчик контролирует одно (рабочее) положение каждого пневмоцилиндра на линии, которому соответствует определенный пневмораспределитель в пневмоострове находящемуся в непосредственной близости от пневматического цилиндра.
Восемь блоков распределенной периферии первой конфигурации соединяются между собой и контроллером специальными кабелями по протоколу сети Profinet. Блоки второй конфигурации группами по 7 штук соединяются между собой и каждым из блоков первой конфигурации специальными кабелями по протоколу внутренней сети. Таким образом, получается 64 блока распределенной периферии по 16 пневмораспределитей в каждом, что обеспечивает возможность подключения 1024 пневматических цилиндров.
Все конвейеры линии сортировки приводятся в движение мотор-редукторами подключенными к преобразователям частоты, которые, в свою очередь, управляются контроллером. Скорость конвейеров задается программно, в соответствии с производительностью линии. При максимальной заданной производительности 180 пакетов в минуту линейная скорость конвейеров, по расчетам, должна составлять 1 метр в секунду. На каждом прямом конвейере, в самом начале по ходу движения, установлены — датчик регистрации продукта и считыватель штрих-кода, а также, на приводных валах редукторов крепятся инкрементальные энкодеры, которые служат для определения положения каждого пакета на ленте относительно места его регистрации.
Для выполнения функции второй единицы системы, а именно автоматической выкладки пакетов на конвейерную линию, было принято решение о внедрении в состав линии автономного роботизированного комплекса (АРК) на основе дельта-роботов, т. к. для нашей задачи он идеально подходит по габаритам и скорости работы. Данный комплекс состоит из двух дельта-роботов ABB IRB 360-3/1130, двух устройств вакуумного захвата (по одному для каждого из роботов), системы технического зрения с двумя видеокамерами, приемного бункера-элеватора, разделителя пакетов состоящего из трех ленточных конвейеров, узла переворота пакетов, конвейера перевернутых пакетов, системы управления и системы безопасности. Функция АРК — выкладывать пакеты с семенами на конвейерную линию сортировки по середине, вдоль движения ленты, с определенным промежутком между пакетами и штрих-кодом вверх. В начале технологической линии АРК установлен бункер-элеватор, в него засыпаются пакеты с семенами которые требуется отсортировать.
Чтобы проверить работоспособность проекта, сначала, был создан тестовый образец линии сортировки. Он состоял из 4-метрового пластинчатого конвейера, 8 сбрасывателей пакетов, 8 распределительных коробов, пневматического острова Camozzi с 16 пневмораспределителями и необходимого электрооборудования с СУ на базе ПЛК Siemens S7-1200. Примерно 6 месяцев потребовалось на создание тестовой линии (с учетом проектирования, заказа оборудования и изготовления линии) и 6 месяцев на ее тестирование. Во время тестов многие детали линии подверглись значительным доработкам, а также пришло понимание какое пневматическое оборудование более подходит под наши задачи.
Заключение
На данный момент проект находится на окончательной стадии монтажа, остается установить и подключить АРК (задерживают подрядчики) и сделать завершающие подключения электрооборудования конвейерной линии (нет некоторых разъемов). Далее планируются пусконаладочные работы и тестовые испытания системы в целом. Ну а потом, если все будет хорошо, сдача объекта в эксплуатацию.
В данной статье я постарался, в общих чертах, донести идею реализации проекта не погружаясь в детали, алгоритмы и организационные моменты работы линии. Думаю, что идею можно использовать в аналогичных задачах сортировки и набора однотипной продукции. Когда мы искали подобные проекты чтобы перенять опыт, вариантов было очень мало и в основном это почтовые автоматические сортировочные центры с намного меньшей производительностью. Если данный проект вызовет интерес сообщества VC, постараюсь описать его более подробно в следующей статье.
