基于Labview的全自動粘箱機遠程監測系統

（河北工程大學 機械與裝備工程學院，河北邯鄲 056038）

0 引言

現在的粘箱機主要有兩種類型，半自動粘箱機和全自動粘箱機。半自動粘箱機的紙板粘合工序由機械自動完成，工人完成紙板折疊成箱的工序。由于半自動粘箱機依賴人力折疊限制了生產效率，于是在半自動粘箱機基礎上研發了全自動粘箱機。全自動粘箱機在歐美等發達國家的紙箱生產中被普遍使用，而國內的紙箱企業并沒有全部進行設備更新，自動粘箱機使用率并不算高，所以全自動粘箱機在國內有著較好的發展前景［1］。但全自動粘箱機在工作過程中仍會發生傳送精度不高、傳送帶壓力不均等問題，因此對全自動粘箱機進行監測可以及時了解其工作狀況，便于及時對故障進行處理，降低故障損失并提高生產效率。

1 系統結構的總體設計

全自動粘箱機包括5個部分，分別是進紙部、折疊部、動力部、整理計數部和捆扎部。首先是進紙部，它由前墻板框架、折壁移動控制部分和涂膠部組成，用于實現折疊部折壁位置的調整，并準確接入紙板進行涂膠的功能。

然后是折疊部，它主要由左右折臂橫梁、上輸紙皮帶、下折皮帶、中間浮動支架、二次壓痕機構、直角整理機構等組成，用于實現紙板生產中的柔和折疊。折疊部通過皮帶的摩擦帶動瓦楞紙板的前進，由涂膠輪在瓦楞紙板接合處涂膠，然后進行壓痕。再經粘箱機的折疊引導機構進行折疊，使瓦楞紙板彎折、合攏、搭接和加壓。被切割的瓦楞紙板在運輸的過程中前半部分主要依靠折疊導向桿進行180°到90°的折合，后半部分是利用皮帶翻邊對瓦楞紙板進行90°到0°的折合，實現再次折壓，整個過程如圖1所示。

圖1 瓦楞紙板折合Fig.1 Corrugated board folding

動力部主要由各動力傳動裝置、引出輥、下折皮帶調速裝置、整理推板裝置、整理用風機等組成，它可以為粘箱機提供穩定的動力輸出。接著是整理計數部，它主要由接紙架部裝、整理后規部裝、計數推出部裝等組成，可以實現折疊后的紙板整理整齊，以及計數堆碼和最終成品的排出功能。整理部PLC程序運行流程如圖2所示。

圖2 整理部PLC程序運行流程Fig.2 Finishing department PLC program running flow

整理部的工作流程為：紙板經過折疊部折疊落入整理部的接紙架中整齊，接著依次輸送到下壓傳送帶中送至計數推出部。當紙箱進入計數推出部的數量達到設定底數時，計數推出部的光電計數器開始進行計數，當累積紙箱數量達到設定值時，PLC控制推出桿將堆疊好的預設數量紙箱推到后方的傳送帶上進入捆扎階段［2］。

最后是捆扎部，它包括一個自動捆扎機，可以將堆疊好的紙箱進行最終的打包。全自動粘箱機的總體結構和整個工藝流程如圖3和圖4所示。

圖3 全自動粘箱機總體結構Fig.3 Overall structure of a full-automatic box gluing

圖4 全自動粘箱機工藝流程Fig.4 Full automatic box gluing machine process

根據全自動粘箱機的結構與工藝流程，遠程監測系統除了監測粘箱機運行時的生產數據和重要I/O工作狀態，還需要監測電機轉速、溫度、振動參數等信號。系統主要包括傳感器、信號調理模塊、信號采集模塊、信號分析模塊和故障診斷與報警模塊等。通過OPC技術實現Labview與PLC的以太網通信，從而實現對全自動粘箱機的遠程監測目的［3-5］，全自動粘箱機遠程監測系統結構總體設計方案流程如圖5。

圖5 遠程監測系統總體方案流程Fig.5 Overall program flow of remote monitoring system

2 硬件設計

PLC選擇型號為西門子的S7-200smart系列PLC，它是S7-200系列PLC的加強版，在使用性能、硬件配置等方面均有加強。同時S7-200smart系列PLC可以給用戶提供多種通訊方式，用戶也可以根據實際項目中的特點進行配置與選擇。由于全自動粘箱機輸入量大部分為開關量，根據器件需要的接口數量，本全自動粘箱機監測系統選擇CPU ST20作為西門子S7-200smartPLC的CPU。

硬件設計中選擇DI/DO模塊（數字量輸入/輸出模塊）采集全自動粘箱機中的歐姆龍生產的E3Z-T81型號的光電式傳感器和D4V-8104Z-N型號的行程開關和一系列伺服電機以及氣缸的數字信號。選擇型號為6ES7 901-3DB30-0XA0的USB/PPI編程線纜，用來連接S7-200smartPLC的CPU通信口與PC機中的labview2014實現通訊。

編碼器選擇歐姆龍E6B2-CWZ5B500P/R編碼器，該增量型編碼器為PNP集電極開路。編碼器的工作電壓為12～24 V直流電，分辨率為500 P/R。它安裝在伺服電機上，將角位移轉換成脈沖信號，便于系統測速。溫度傳感器選擇PT100熱電阻傳感器，可將溫度變化轉換成標準化的可傳輸信號，它的使用穩定性好、抗電噪聲強、精度高。振動傳感器選擇ICP型壓電式加速度傳感器356A44，具有高頻響應以及動態響應特性好的特點。且它的頻響范圍較小，在恒定方向加速度下不輸出信號，具有較小誤差［6-8］。

NI-9411數據采集模塊用于采集編碼器脈沖信號，NI-9411采集卡的工作電壓為±5V～24V，具有6路通道，可以更快的采集粘箱機編碼器的脈沖信號。NI-9217數據采集卡具有4位通道，兩種采樣率模式，可自動檢測連接的熱電阻傳感器類型并配置相應采集模式，用于采集PT100熱電阻傳感器輸出信號。NI-9234數據采集卡采集壓電傳感器信號，它具有4條輸入通道，102dB動態范圍［9］。

3 軟件設計

監測系統的軟件方面包括Windows7操作系統，Labview2014并安裝Labvie DSC（數據記錄與監控）模塊，STEP 7-Micro/WIN SMART，NI OPC Server。其中Labview204用于上位機監測程序編寫，STEP 7-Micro/WIN SMART用于S7-200smart PLC的編程，NI OPC Server用于對OPC服務器的配置［10-12］。以現場計算機作為本地服務器，遠程計算機作為客戶端，通過配置Labview的web服務器與RunTime引擎，實現遠程監測與控制。軟件設計流程如圖6。

圖6 軟件設計流程Fig.6 Communication framework

3.1 登錄模塊

整個監測系統主要包括登錄模塊、粘箱機參數監測模塊以及故障報警模塊這三個部分，其中登錄模塊用于用戶的賬號密碼登錄，避免了無關人員操作系統和工藝流程信息泄露。登錄模塊包括賬號登錄和密碼修改兩個部分，在登錄界面中操作人員需要輸入正確的登錄密碼，才可以訪問監測界面；用戶還可以修改密碼，方便管理。

3.2 信號采集模塊

系統對振動、溫度、轉速等信號的采集，需要設置好連續采集的采樣頻率、通道數、保存位置等，以及定時采集的采樣點數、采樣時間間隔等參數，就可以進行信號的采集。增光式的光電編碼器的A、B相輸出的脈沖方波信號相差90°，使用NI-9411采集卡進行編碼器的信號采集，可更快獲得轉速。程序設計使用定時循環結構，通過DAQmx助手建立虛擬通道來采集編碼器的脈沖信號。通過將采集的信號傳送到從循環中50次，進行數據求和最后平均，最后將主機的速度并顯示到監測界面上。同時還能監測主機的運行狀態，且主機響應超時還可以進行報警［13］。測速程序如圖7所示。

圖7 編碼器測速Fig.7 Encoder speed measurement

3.3 信號調理模塊

由于測量的信號經傳感器變化后變微弱，而這些微弱信號在傳輸過程中抗干擾能力差。通過信號調理電路，對信號進行濾波和放大，并轉換信號類型便于下一步分析。

3.4 信號分析模塊

信號分析模塊通過調用Labview中的數學函數和工具包，對全自動粘箱機信號進行時域、頻域分析，以及經驗模態分解的包絡譜和幅值譜分析等數據處理。處理后的轉速、溫度、振動等數據系統中實時顯示并保存，方便工作人員進行機器的工作狀態監測和故障診斷。

3.5 故障診斷與報警模塊

系統對采集到的振動、轉速、溫度等參數設置相應的上下界限，當超出設定值時進行報警。例如主機速度一般需要保持在20～150 m/min的范圍內，所以當檢測到主機速度低于或者高于設定速度時便進行主機轉速異常報警。除此以外，障報警模塊使用DSC模塊提供的事件方法，對全自動粘箱機在工作時產生的關鍵PLC變量進行監測。當發現OPC的地址標簽變化，程序就去讀取OPC變量，從而進行對應事件的報警。DSC模塊中的Alarm and Event Display可以用于顯示預警信息，采用列表框顯示預警信息函數，可以選擇需要的信息進行顯示，常見的粘箱機運行故障報警如下。

折疊部主要由傳送裝置和輔助折疊裝置組成，但紙板在傳送折疊過程中會出現打滑的情況，就導致紙板在傳送過程中發生歪斜，從而使得紙板的順次折疊無法進行，這是折疊部出現的主要故障。當這種故障發生時，紙板就無法進入整理部。根據整理部的工作原理，無紙板通過動力部掉入接紙架中，則整理部的上電光傳感器未感應到紙板通過。由此在故障警程序中，設置當粘箱機工作時上電光傳感器在規定時間內無反饋，則進行故障報警并停止進紙和折疊部的傳動電機，以降低故障損失。

動力部包括主電機、直角整理電機、動力部風機和排出電機等，位于折疊部和整理部的聯接處，起到起承轉合和輸出動力的作用。其故障主要是電機的機械故障，當電機故障發生時，會對折疊部和整理部的正常工作造成影響。對動力部的電機進行振動和溫度信號的監測，可以及時發現電機的故障，避免與折疊部和整理部故障混淆，更準確地定位設備故障。

整理部的故障診斷，整理部故障主要有下排皮帶卡紙，計數推出部推紙未復位，紙箱堆高極限等。當下排皮帶卡紙故障發生時，計數推出部的下光電傳感器無紙箱通過。所以在程序中設置下光電傳感器規定時間內無通過信號反饋，則下排皮帶電機、折疊部電機、進紙部電機工作停止。

計數推出部的推出桿做推紙動作時，下排皮帶也在不斷地將折疊好的紙箱傳送到計數推出部下部，紙箱的堆疊使得紙堆的高度不斷上升。當推出桿將紙箱推到傳送帶上時，其下方的紙堆高度也會變高。推出桿的動作分為四個部分：推出、升高、收回、下降，但由于粘箱機的拖紙架的高度設置未到位，使得推出桿在收回動作時會被堆高的紙板擋住。所以程序中設置若規定時間內無推紙復位反饋，則進行報警并停止下排皮帶工作，操作人員可以通過監測界面手動復位，并恢復下排皮帶工作。

至于紙箱堆高極限，其原因為動力部與整理后規之間的光電傳感器被障礙物遮擋。在程序中設置當上電光傳感器遮擋時間超過一秒，則進行堆高極限故障報警，粘箱機緊急停止，工作人員對該部位進行故障問題檢測［14］。

4 監測系統的主要功能

全自動粘箱機監測系統在Labview的編程環境下完成，得益于Labview強大的虛擬儀器技術整個系統的工作界面更加的生動直觀，具有很好的交互性，監測界面如圖8所示。

圖8 監測界面Fig.8 monitoring interface

整個系統主要有以下幾種功能：

（1）對全自動粘箱機工作狀態的監測。這一功能主要包括對批次產量、紙板參數、捆扎數量等生產參數的監測。其中批次產量能夠顯示本批次折疊紙板的總量，以便后期查數。紙板參數用于顯示本批次生產紙箱的長寬高。捆扎數量則顯示的是整理部當前打包紙板數量，用于了解實際生產的紙箱數量。此外系統還對全自動粘箱機折疊部、整理部等重要工作部位的主要I/O口進行監測，方便工作人員對排紙風機、移動擋板電機、整理后規電機、壓紙升降電機、下壓排出電機等一系列重要電機工作狀態的了解［15］。

（2）提供信號分析和故障診斷功能。系統利用Labview中提供的工具和函數，對采集的信號進行處理，向用戶反饋相關的時域分析圖、頻域分析圖、頻譜圖等，為機器的維護和故障維修提供數據依據。

（3）報警功能和遠程控制。根據全自動粘箱機運行原理和現場常見的工作故障結合對采集到的數據分析，在系統中設置各部位的預設報警值。當數據異?；蛏a過程中出現故障時，能夠及時實現報警，并可以對全自動粘箱機進行遠程的停機，方便工作人員對現場情況進行及時處理。

（4）故障信息的存儲和顯示。系統在全自動粘箱機發生故障時，會對采集的數據進行實時顯示并儲存故障信息，以方便粘箱機的檢修工作和對預設報警值的修改和確定。

（5）系統可拓展性。系統基于Labview程序設計，其模塊化的機構方便用戶根據需要添加相應的測量模塊或者需要的控制功能，而不會對已有系統造成影響，具有極強的可拓展性。

5 結語

全自動粘箱機遠程監測系統基于Labview軟件進行開發，利用OPC技術實現與西門子S7-200smart PLC的通信，達到了對全自動粘箱機的生產數據和重要I/O口的遠程監測，同時實現了故障報警和遠程停機功能。系統對采集到的粘箱機信號進行處理分析并儲存，工作人員可以通過與歷史數據比對，更準確地對全自動粘箱機進行故障診斷和維護。Labview DSC模塊使得PC機與PLC的通信更加穩定、快捷、簡單，用戶可以遠程實時地了解粘箱機各部分的運行狀況，提高工作人員對粘箱機的掌控與故障檢測能力。同時基于Labview模塊化的設計，系統的結構緊湊，可拓展性強，便于二次開發。