基于PLC和伺服的砌塊碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2020-2-25 來(lái)源：- 作者：程永強(qiáng)
摘 要：該文設(shè)計(jì)了一種用于砌塊行業(yè)的碼垛機(jī)控制系統(tǒng).該系統(tǒng)使用西門(mén)子PLC對(duì)伺服電動(dòng)缸進(jìn)行夾緊控制，對(duì)升降、橫移及旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行變頻控制，并采用編碼器對(duì)升降、橫移及旋轉(zhuǎn)位置進(jìn)行精確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)碼垛各個(gè)動(dòng)作的平滑調(diào)速，使設(shè)備運(yùn)行更平穩(wěn).觸摸屏畫(huà)面的設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和位置，使得人機(jī)交互更加友好.該碼垛機(jī)投入使用后，控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、碼垛周期短，極大地提高了混凝土砌塊成型生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率.
關(guān)鍵詞：PLC；伺服；碼垛機(jī)；控制系統(tǒng)
自動(dòng)碼垛機(jī)是機(jī)、電、液一體化高新技術(shù)產(chǎn)品，中、低位碼垛機(jī)可以滿足中低產(chǎn)量的生產(chǎn)需要，可按照要求的編組方式和層數(shù)，完成對(duì)箱體、砌塊等各種產(chǎn)品的碼垛.隨著人口紅利的消失，混凝土砌塊的生產(chǎn)，逐步從單機(jī)走向全自動(dòng)化生產(chǎn)線［1］，其中干產(chǎn)品砌塊的碼垛是砌塊生產(chǎn)線中的一道重要工序，一臺(tái)碼垛機(jī)至少可以代替兩個(gè)工人.當(dāng)前在全自動(dòng)混凝土砌塊生產(chǎn)線常用四爪碼垛機(jī)，因其經(jīng)濟(jì)實(shí)用被歐洲及國(guó)內(nèi)許多廠商采用［2］.碼垛機(jī)的核心單元是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，目前常用的有液壓式、機(jī)械式、機(jī)械液壓相結(jié)合三種.本文選用機(jī)械式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種基于PLC的碼垛機(jī)控制系統(tǒng)，見(jiàn)圖1，其控制系統(tǒng)采用PLC和觸摸屏技術(shù)，結(jié)合伺服驅(qū)動(dòng)和變頻調(diào)速，并采用編碼器進(jìn)行位置檢測(cè)，減少限位開(kāi)關(guān)的使用，布線簡(jiǎn)單，速度控制靈活、響應(yīng)快，位置控制精度高，大大縮短了碼垛周期。
圖1 碼垛機(jī)實(shí)物圖
1、 碼垛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理
碼垛機(jī)主要由龍門(mén)支架、旋轉(zhuǎn)總成、橫移小車、升降總成、夾頭總成、成品輸送機(jī)和降板節(jié)距機(jī)等組成，見(jiàn)圖 2.其中升降、橫移和旋轉(zhuǎn)都是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，變頻控制.夾頭總成由四個(gè)夾爪組成，圖中左右方向?yàn)橐粚?duì)夾爪，稱為主夾，前后方向?yàn)橐粚?duì)夾爪，稱為副夾，兩對(duì)夾爪均采用機(jī)械同步，由兩個(gè)伺服電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)夾緊與釋放.碼垛機(jī)橫移行程為 2400mm，升降行程為 1335mm，伺服電動(dòng)缸的行程為500mm，額定推力15kN，額定速度 166mm/s，重復(fù)定位精度 0.02mm.碼垛機(jī)的具體工作原理如下。
圖2 碼垛機(jī)機(jī)械示意圖
（1）機(jī)械手初始位置在左邊，高度離地面1.1m的位置，也就是抓取工作位置上方，等待送磚到位信號(hào)，磚到位后，機(jī)械手下降到下限位，主夾夾緊，副夾夾緊，夾緊后上升。
（2）上升到位后橫移小車右移，同時(shí)旋轉(zhuǎn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，由于旋轉(zhuǎn)行程較短，旋轉(zhuǎn)位置先到達(dá)。
（3）橫向移動(dòng)到右限位到達(dá)托盤(pán)正上方后，升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手下降，下降的高度由不同磚的高度和目標(biāo)層數(shù)決定，使用編碼器對(duì)升降高度進(jìn)行精確檢測(cè)，到位后主夾釋放，副夾釋放。
（4）釋放到位后升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手上升，上升到位后橫移小車左移，同時(shí)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，移動(dòng)到左限位，然后下降，機(jī)械手回到初始位置，等待下次抓取。
（5）夾爪的行程（最大張開(kāi)范圍）可以根據(jù)砌塊的尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，以提高碼垛效率。
2、 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文中的碼垛機(jī)控制系統(tǒng)由PLC控制器、觸摸屏、傳感檢測(cè)元件、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成，如圖3所示.
圖3 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖
圖3中，夾緊電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)四個(gè)方向的夾緊與釋放，采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，便于實(shí)現(xiàn)精確快速抓取和釋放；升降、橫移及旋轉(zhuǎn)均采用三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用變頻器進(jìn)行調(diào)速.傳感檢測(cè)元件包括編碼器和開(kāi)關(guān)量傳感器，升降方向的編碼器與變頻器配合，實(shí)現(xiàn)多層碼垛以及位置的精確控制；橫移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)高低速的靈活切換，使各個(gè)動(dòng)作速度更加順暢，同時(shí)節(jié)省許多減速傳感器，使布線更方便.開(kāi)關(guān)量傳感器包括限位開(kāi)關(guān)、電感式接近開(kāi)關(guān)和光電開(kāi)關(guān)，其中行程開(kāi)關(guān)、電感式接近開(kāi)關(guān)分別用于檢測(cè)橫移極限位置、旋轉(zhuǎn)極限位置，起到雙重保護(hù)作用；光電開(kāi)關(guān)則是用來(lái)檢測(cè)磚是否到位；傳感檢測(cè)元件將采集到的現(xiàn)場(chǎng)信息反饋給PLC，PLC發(fā)出指令控制伺服和變頻執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作.觸摸屏選用西門(mén)子 Smart1000 IE，通過(guò) RS485 與 PLC 進(jìn)行通信，接受操作人員的指令，并可以實(shí)時(shí)監(jiān)控碼垛機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，若現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障時(shí)，工作人員可以通過(guò)觸摸屏給PLC發(fā)送命令進(jìn)行處理。
2.1 PLC選型及I/O地址分配
根據(jù)系統(tǒng)控制要求和控制功能分析，選德國(guó)西門(mén)子的 S7-200 系列 CPU224 XP CN 作為核心控制單元，另外擴(kuò)展一個(gè) EM223 CN（16 點(diǎn)輸入/16 點(diǎn)輸出）模塊、一個(gè) EM221 CN（16 點(diǎn)輸入）模塊和一個(gè) EM232（2 入模擬量輸出）模塊.CPU224XP 集成 14 輸入/10 輸出共 24 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，2輸入/1輸出共3個(gè)模擬量I/O點(diǎn)，6個(gè)獨(dú)立的高速計(jì)數(shù)器（100kHz），2個(gè)100kHz的高速脈沖輸出。
該型號(hào)PLC結(jié)構(gòu)緊湊、處理速度快、價(jià)格適中，且具有一定的擴(kuò)展能力，主要用于控制變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器、接收編碼器的高速脈沖及其他外部I/O 數(shù)字量的處理等任務(wù).控制系統(tǒng)的輸入輸出地址分配表如表1、表2所示。
表1 控制系統(tǒng)輸入地址分配表
表2 控制系統(tǒng)輸出分配表
2.2 伺服控制器參數(shù)設(shè)置及接線
伺服電動(dòng)缸的伺服電機(jī)采用的是北京和利時(shí)3kW/3000轉(zhuǎn)帶剎車伺服電機(jī)，配HS系列驅(qū)動(dòng)器.采用位置模式接線方式，如圖 4 所示.HS 系列伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入端口電平為標(biāo)準(zhǔn) TTL 電平，脈沖和方向信號(hào)必須配置合適的限流電阻值，否則會(huì)造成端口損壞.當(dāng)VCC=24V±5%時(shí)，R=2kΩ/0.25W.圖 4 中 4 和 20 端子為扭矩到達(dá)（AT?TRQ）信號(hào)，當(dāng)扭矩達(dá)到 Fn 049 設(shè)定時(shí)，4 和 20 導(dǎo)通，表示夾緊到位.6 和 22 端子為報(bào)警信號(hào).參數(shù)配置如下：控制模式 Fn 000 設(shè)為 1，通常的控制端口硬線連接工作模式；Fn 001設(shè)為2，外部脈沖位置模式；外部脈沖指令方式的旋轉(zhuǎn)Fn 038設(shè)為1，單脈沖正邏輯；電子齒輪比 Fn 050（分子）設(shè)為5，F(xiàn)n 054（分母）設(shè)為 2，當(dāng) PLC 產(chǎn)生 200kHz 脈沖時(shí)，伺服電機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速3000r/min，電動(dòng)缸的速度達(dá)到 166mm/s，實(shí)際使用時(shí)，在觸摸屏上輸入電動(dòng)缸需要的最大運(yùn)行速度。
圖4 伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)接線圖
2.3 變頻器設(shè)置及接線
三個(gè)變頻器采用的是施耐德 ATV312 系列，以橫移電機(jī)為例，接線如圖5所示.為了能快速平穩(wěn)地減速及停車，需要配置制動(dòng)電阻，消耗剎車是電機(jī)產(chǎn)生的能量，來(lái)達(dá)到保護(hù)變頻器的逆變模塊，圖中3kW變頻器選用阻值150Ω功率為300W的鋁殼電阻.參數(shù)設(shè)置如下：控制方式采用2線控制，加速時(shí)間 ACC 設(shè)為 0.5s，減速時(shí)間 DEC 設(shè)為0.3s，給定 1 通道設(shè)為模擬輸入 AI1，通過(guò) PLC 發(fā)送 0~10V 的模擬量控制頻率，正反轉(zhuǎn)命令則由PLC 的數(shù)字輸出點(diǎn)控制。
圖5 變頻器及電機(jī)接線圖
3 、軟件設(shè)計(jì)
3.1 PLC程序設(shè)計(jì)
PLC 程序采用模塊化設(shè)計(jì)方案［4］，共有 6 個(gè)子程序：初始化子程序、編碼器數(shù)據(jù)處理子程序、手動(dòng)運(yùn)行子程序、自動(dòng)運(yùn)行子程序、報(bào)警及處理子程序、脈沖輸出子程序等.工作模式分手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，以自動(dòng)模式的運(yùn)行流程為例，其流程圖如圖6所示。
圖6 自動(dòng)模式程序流程圖
編程過(guò)程中有兩個(gè)關(guān)鍵的地方需要注意.電動(dòng)缸的伺服控制，采用 V4.0 STEP 7 Mi?croWIN SP9 軟件自帶的 PTO/PWM 發(fā)生器，配置Q0.0 和 Q0.1 作為方波脈沖發(fā)生器.以 Q0.0 為例進(jìn)行說(shuō)明，配置SMB67為16#81，方波，周期單位為 1us，單段連續(xù)脈沖輸出，周期 SMW68 從觸摸屏輸入。
三個(gè)編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，采用高速計(jì)數(shù)器HC0~HC2，三個(gè)計(jì)數(shù)器均采用工作模式 10，即兩路脈沖輸入的雙相正交計(jì)數(shù)，A相脈沖超前B相脈沖，加計(jì)數(shù)；A相脈沖滯后B相脈沖，減計(jì)數(shù)。
3.2 觸摸屏界面設(shè)計(jì)
觸摸屏畫(huà)面主要包括目錄畫(huà)面、參數(shù)設(shè)定畫(huà)面、監(jiān)控畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面等.監(jiān)控界面如圖7所示，界面友好，可以直觀地看出碼垛機(jī)當(dāng)前狀態(tài)，根據(jù)要碼垛的不同砌塊產(chǎn)品輸入相應(yīng)的高度和碼垛層數(shù)，操作簡(jiǎn)單，可顯著提高控制系統(tǒng)操作的智能化和可視化水平 。
4 、結(jié)論
基于 PLC 和伺服控制的砌塊碼垛機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)夾爪電動(dòng)缸的伺服控制和升降、橫移、旋轉(zhuǎn)電機(jī)的變頻控制，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)動(dòng)作的精確位置控制和靈活的速度控制，使碼垛機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)可靠.設(shè)計(jì)的觸摸屏界面友好，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控碼垛機(jī)的工作狀態(tài)，使碼垛機(jī)操作簡(jiǎn)單，故障診斷容易，同時(shí)方便了檢修和維護(hù).本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)使碼垛機(jī)可在25s內(nèi)完成一板砌塊的碼垛，效率較之前提高了約12%，對(duì)提高混凝土砌塊生產(chǎn)線自動(dòng)化程度，以及減輕工人的體力勞動(dòng)等方面有著重要作用，可以在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。
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