Разработка автоматизированной линии пакетирования продукции в условиях с недетерминированной технологической обстановкой

Введение и постановка задач

Актуальность темы состоит в том, что в условиях постоянно растущей конкуренции любому предприятию необходимо наращивать эффективность производства с помощью автоматизированных систем управления технологическими процессами [1].

В современных автоматизированных линиях по пакетированию грузов для формирования пакетов используются пакетирующие машины, решения из области IT, а также робототехнические комплексы (РТК) [2–4].

В свою очередь, в условиях современного производственного предприятия применение РТК, обеспечивающих выполнение работы на технологических операциях, позволяет в значительной степени увеличить эффективность производства и повысить качество обработки изделий, а также частично или полностью исключить человеческий ресурс, в том числе на опасных и монотонных операциях. Работа роботизированного комплекса в большей степени определяется автоматизированной системой управления (АСУ), которая обеспечивает все необходимые функциональные требования, предъявляемые к ней [5].

Упаковывание продукции – сложная задача, эффективное решение которой тесно связано с созданием и производством современных упаковочных материалов, функционально совершенной упаковки и средств пакетирования грузов, разнообразного технологического оборудования, а также с производством самой продукции [6].

Линии автоматизированного пакетирования продукции в металлургической отрасли могут быть различными в зависимости от типа продукции и процессов. Среди известных вариантов выделяют [7–13]:

– линии пакетирования металлопроката – включают машины и оборудование для резки, пакетирования, маркировки и упаковки различных видов металлопроката (например, арматура, балка, уголок, швеллер, лист и т. д.);

– линии пакетирования слитков – используются для обработки металлических слитков, полу- ченных в процессе литья. Включают машины для резки и пакетирования слитков, а также оборудование для их транспортировки и хранения;

– линии пакетирования металлического лома – предназначены для переработки и пакетирования различных видов металлического лома (например, автомобильный лом, бытовой лом, промышленный лом и т. д.);

– линии пакетирования ферросплавов – применяются для обработки и упаковки ферросплавных материалов, таких как хром, марганец, ванадий и другие;

– линии упаковки готовой продукции – включают оборудование для упаковки готовых металлических изделий (например, труб, профилей, метизов) в защитную пленку, бумагу или другие упаковочные материалы.

Для качественной упаковки различных продуктов при их серийном или массовом производстве необходимо иметь современную упаковочную отрасль машиностроения [8].

Важно, чтобы конструкция упаковки обеспечивала: надежность, удобство при хранении, складировании, транспортировке, продаже и использовании [9].

Актуально складировать продукцию, которая пользуется спросом, стабильна в цене и имеет определенные преимущества перед конкурентами.

Это может быть продукция, которая требует специальных условий хранения, например арматура, для предотвращения от коррозии до применения она должна быть защищена от атмосферных осадков и других источников увлажнения [10].

Или продукция, которая имеет длительный срок изготовления и поставки. Также актуально складировать товары, которые имеют высокую маржинальность и могут быть проданы с высокой наценкой.

Важно выбирать продукцию, которую можно хранить на складе без потери качества и свойств, а также учитывать возможности логистики и доставки товара до конечного потребителя.

Цели создания автоматизированной системы управления – обеспечение надежной и безаварий- ной работы, диагностика оборудования, а также уменьшение энергетических затрат.

Таким образом, создание АСУ ТП является сложной задачей, ведущей к повышению качества выпускаемой продукции, увеличению производительности и повышению надежности всей системы.

В современном производстве линии пакетирования могут достаточно сильно замедлять процесс выпуска готовой продукции. Имеет место неэффективное и нерациональное использование места на конвейерах. Кроме того, не оптимизированная АСУ может обеспечивать некорректные скоростные режимы работы приводов системы пакетирования.

Целью статьи является разработка и внедрение автоматизированной линии пакетирования готовой продукции для повышения производительности и надёжности работы линии, которая бы обладала алгоритмом, позволяющим предсказать решения в условиях неопределённости и риска. Для реализации поставленной цели были определены и поставлены следующие задачи:

• 1)    анализ и выбор средств автоматизации для реализации системы управления линии пакетирования продукции;

• 2)    реализация алгоритма пакетирования продукции на конвейерной линии реального объекта.

Научная новизна исследования заключается в разработке адаптивного алгоритма управления для автоматизированной линии пакетирования, способного функционировать в условиях недетерминированной технологической обстановки. В отличие от известных решений, предложенный алгоритм интегрирует циклограмму работы и комплексную обработку сигналов с датчиков, что позволяет системе динамически адаптироваться к изменяющимся параметрам продукции и внешним возмущениям без остановки производственного процесса.

Практическая значимость работы подтверждена внедрением разработанной автоматизиро- ванной линии пакетирования на реальном производственном объекте. Внедрение позволило минимизировать временные простои, исключить выполнение персоналом опасных и монотонных операций.

Разработка алгоритма работы линии пакетирования

При проектировании системы автоматического управления с целью предварительной проверки эффективности алгоритма работы линии пакетирования было выбрано ПО «FactoryIO», которое представляет собой симулятор производственного процесса. Данная программа дает возможность моделирования различных технологических процессов и систем, в частности работы автоматизированной системы пакетирования продукции.

Основными типами исполнительных пневмоустройств, устанавливаемых в машинах, станках и автоматических линиях, являются пневмоцилиндры общепромышленного назначения [14].

С их помощью была собрана виртуальная модель (рис. 1), реализующая симуляцию линии пакетирования. Данная модель включает в себя следующие элементы:

• –    раздатчик (генерирует продукцию, уложенную на паллеты);

• –    конвейеры (отвечают за движение паллетов с продукцией);

• – пакетировщик (автоматически собирает и упаковывает продукцию);

  – световые датчики (размещаются на конвейерах с целью контроля раздачи/отдачи продукции, а также включения/отключения работы самих конвейеров).

Данная линия осуществляет работу с помощью ПЛК, ориентированного на длительную работу в условиях промышленной среды [15].

ПЛК подключается к системе посредством связи входных/выходных адресов и аналоговых переменных.

Рис. 1. Виртуальная модель линии пакетирования, разработанная в ПО «FatroryIO» Fig. 1. Virtual model of the packaging line developed in the FatroryIO software

А л гори тм раб оты п а ке т ировщика :

– вы хо дн ой п о д а ю щи й к он ве й ер выд в и г ае т по д д о н с п р о д у кт о м, т р е бу ю щ и м уп ак о в к и , в сторону системы пакетиро в ан и я . П р и п ер есечени и свет о во г о сен со ра, р асп о ло жен н о г о п о д п акет и р о вщ и к о м, п р о и схо д и т о ст ан о в к а п о д аю щ его конвейера;

– на чина ет с в ою ра бо т у в ертикал ьны й м ех анизм захвата (движение по оси Y ). Захват опускаетс я до п о з и ц ии , не об х од им ой д л я корре ктного захва та прод у кт а. Д ал е е п роис х оди т вкл ючение пнев м ати че с кого з а х в а та , а с л е дом з а не й – време нн ой з а д ерж к и, котора я пре дн азн аче на для ос ущ е с твл е н ия ра вном е рного и корре кт ного з а цепа продукции захватом;

– в ерти ка л ьны й м е х ан из м с з а х в а че н ным продуктом поднимается н а в ысот у (ос ь Y ), большую, ч е м в ыс отный га ба р ит у паков ыв а е м ого прод ук та . Это п роиз в оди тс я д л я даль н ей ше й б е с п реп ятств ен н ой ра боты подающе го к онв е йе ра;

– приступают к работе горизонтальный и поворотный механизмы. Горизонтальный механизм (движение по оси X) осуществляет перемещение захвата с зафиксированным продуктом в сторону отдачи, при этом механизм поворота (вокруг оси Z) производит вращение продукта, с целью подготовки укладки его в стопку;

– после достижения позиции отдачи (по оси X ), площадка захвата опускает продукцию на высоту необходимого ряда. Вычисление необходимой высоты производится по формуле

H = H_k-(N_r^ H_p),                     (1)

где H - высота необходимого ряда, мм;

Н_к - высота позиции каретки захвата (продукта), мм;

N_r - количество уложенных рядов, ед.;

Н_р - высота продукта, мм;

– при достижении заданной высоты, пневматические захваты освобождают продукт, при этом включается задержка времени, для корректного достижения захватами позиции «открыто»;

– пневмозахват поднимается над продуктом, каретка возвращается в исходное положение (ось Х );

– при укомплектации пакета продукта начинают работу выходные конвейеры упакованной продукции. Движение пакетировщика в сторону отдачи при этом блокируется;

подающий конвейер световые сенсоры механизм движения осью Y пневматический захват механизм движения осью X механизм движения осью Z (поворот) выходной конвейер готовой продукции №1 выходной конвейер готовой продукции №2 выходной конвейер готовой продукции №3	- -
	- - - -
	- -
	- -
	—
	—
	—
	—

Рис. 2. Циклограмма алгоритма работы исследуемой автоматики

Fig. 2. Cyclogram of the operation algorithm for the studied automation

– конвейер № 1 включается, пакетированная продукция доходит до светового сенсора расположенного в конце конвейера, далее включается конвейер № 2. По освобождению конвейера № 1 происходит его остановка и пакетировщик разблокируется для дальнейшей работы. По достижению светового сенсора конвейером № 2, также включается конвейер отгрузки № 3 и остается включенным до достижения светового сенсора в конце конвейера № 3;

– повторяется полный цикл работы до команды «стоп» или внештатной ситуации.

Адаптивность предложенного алгоритма заключается в его способности динамически подстраивать параметры работы линии пакетирования в реальном времени под изменяющиеся условия недетерминированной технологической обстановки без необходимости остановки производственного цикла. Это достигается за счёт непрерывного анализа сигналов с датчиков и последующей автоматической коррекции ключевых переменных процесса: алгоритм вычисляет необходимую высоту позиционирования захвата в зависимости от текущего количества уложенных рядов и фактической высоты продукта (формула (1)), а также управляет последовательностью включения конвейеров на основе поступающих сигналов.

На рис. 2 представлена циклограмма работы рассмотренного алгоритма работы пакетировщика.

Отличительная особенность разработанного алгоритма заключается в том, что циклограмма реализована не только для представления процес- сов во времени, а как структурная основа для интерпретации сигналов с датчиков, где каждое событие инициирует как остановку исполнительного механизма, так и запуск строго определенной последовательности логически связанных операций, зафиксированных в циклограмме. Причинно-следственные связи реализуются через вычислительный механизм: данные с датчиков о текущем положении (ось Y) и количестве уложенных рядов напрямую участвуют в вычислении целевой высоты позиционирования по формуле (1), что, в свою очередь, определяет дальнейшую траекторию движения механизмов, описанную в циклограмме. Таким образом, алгоритм преобразует статичную циклограмму в динамическую модель, где последовательность состояний системы пересчитывается и адаптируется в реальном времени на основе непрерывно поступающих сенсорных данных, обеспечивая предсказуемость логики управления при сохранении гибкости к изменяющимся условиям.

Внедрение линии пакетирования на производстве

В результате анализа алгоритма работы линии пакетирования было разработано программное обеспечение для HMI-панели с целью визуализации управления технологическим процессом, выполненное в программной среде Siemens TIA Portal. Внешний вид модели изображен на рис. 3 и 4.

Данные экраны позволяют не только отобразить технологический процесс, но и настроить управление пакетировщика (настройка скоростей

Рис. 3. Основной экран Fig. 3. Main screen

Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2026. Т. 26, № 2. С. 47–55

ISSN 1990-8512 (Print) ISSN 2409-1057 (Online)

Рис. 4. Экран настройки Fig. 4. Setup screen

Рис. 5. Иерархия технических средств автоматизации Fig. 5. Hierarchy of automation equipment

и высотных координат, настройка линий конвейеров, ручной и автоматический режимы работы, индикация ошибок и аварий).

Для разработанной системы автоматизированной линии пакетирования были подобраны наиболее эффективные элементы технических средств автоматизации, которые отображены на рис. 5.

Разработанный алгоритм технологического процесса был внедрён на реальном производстве. Программа управления линии пакетирования через HMI-панель выдает команды ПЛК, далее происходит ручная настройка системы, после чего запускается автоматический режим работы (рис. 6).

Рис. 6. Элементы функционирования разработанной линии пакетирования на реальном производстве Fig. 6. Elements of the packaging line's operation in real production

Заключение

П роиз в е де н а нализ су ще с т вующ и х ре шени й дл я ре г у л иров ани я ( у пра в л ени я) ра боты конв ейе р ных ли н и й и па ке т иров щ ик а , а такж е в ыбор обо р у д ов а н ия д л я реа лиз а ц и и да н ной с исте м ы упра вления.

В результате проведения работы осуществлена разработка и внедрение автоматизированной линии пакетирования готовой продукции с целью повышения эффективности и надёжности работы линии. Предложенный алгоритм работы автоматизированной линии пакетирования продукции в условиях недетерминированной технологической обстановки позволил не только снизить влияние человеческого фактора на работу линии, но и повысить скорость выполнения операций на 11 %.