基於PLC和伺服的砌塊碼垛機控製係統設計
2020-2-25 來源：- 作者：程永強
摘 要（yào）：該文設計了一種用於砌塊行業的碼垛機控製係統.該係統使用西門子PLC對伺服電動缸（gāng）進行夾緊控製，對升降、橫移及旋轉電機（jī）進行變頻控製，並采用（yòng）編碼器對（duì）升降、橫移及旋轉位置進行（háng）精確（què）測（cè）量，實（shí）現碼垛各個動作的平滑調速，使設備運行更平穩.觸摸屏畫麵（miàn）的設計，實時監（jiān）控設備的運行狀態和位置，使得人機交互更加友好.該碼垛機投入使用後，控製係統性能穩定、碼垛周期短，極大地提高了混凝（níng）土砌塊成型生產線（xiàn）的自動化水平和生產效率（lǜ）.
關鍵詞：PLC；伺服；碼垛機；控製係統
自動碼垛（duǒ）機是機（jī）、電、液一（yī）體化高新技術產品，中、低位碼垛（duǒ）機可以滿足（zú）中低產量的生產需要，可按照要（yào）求的編組（zǔ）方式和層數，完成對箱體、砌塊等各種產品的碼垛.隨著人口紅利（lì）的消失，混凝（níng）土砌塊的生產，逐步從單機走向全自（zì）動化生產線［1］，其中幹產品砌塊的碼垛是（shì）砌塊生產線中的一道重要工序，一台碼垛機至少可以代替兩個工人.當前（qián）在全自動混（hún）凝土砌塊生產線常用四爪碼垛機，因其經濟實用被歐洲及（jí）國內許多廠商采用［2］.碼垛機的核（hé）心單元是執行機構，目前常用的有液壓式、機械式、機械液壓（yā）相結合三種.本文選用機（jī）械式的執行機構，設計一種基於PLC的碼垛機（jī）控製係統，見圖1，其（qí）控製係統采用PLC和觸摸（mō）屏技術，結合伺服驅動和變頻（pín）調速，並采用編碼器進行位（wèi）置檢測，減少限位開關（guān）的使用，布（bù）線簡單，速度控製靈活、響應快，位置控製精度（dù）高，大大縮短了碼垛（duǒ）周期。
圖1 碼垛機實物圖
1、 碼垛機機械結構及工作原理
碼垛機主要由龍門支架、旋轉總成、橫移（yí）小（xiǎo）車（chē）、升降總成、夾頭總成、成品（pǐn）輸（shū）送機（jī）和降板節距（jù）機等組成，見圖 2.其中升降、橫移和旋轉都是采用電機驅動，變頻控製.夾頭（tóu）總（zǒng）成由四（sì）個夾爪組（zǔ）成，圖（tú）中左右方向為一對夾爪，稱（chēng）為主夾，前後方向為一對夾（jiá）爪，稱為副夾，兩對夾爪均采（cǎi）用機械同步，由兩個伺服電動缸實現夾緊與釋放.碼垛機橫移行程為 2400mm，升降行程為 1335mm，伺服電動缸的行程為500mm，額定推力15kN，額（é）定速度 166mm/s，重複定位精度 0.02mm.碼垛機的具體工作原理（lǐ）如下。
圖2 碼垛機機械示意圖
（1）機械手初始位置在左邊，高度離地麵1.1m的位置（zhì），也就是抓取工作位置上方，等待送磚到（dào）位信號，磚到位後，機械手下降（jiàng）到下限位，主夾夾緊，副夾夾（jiá）緊，夾緊後上（shàng）升。
（2）上升到位後（hòu）橫移小車右移，同時旋轉電機順時針旋轉90°，由於旋轉行程較短，旋轉位置先到達。
（3）橫向移動到右限位到達（dá）托盤（pán）正上方後，升降電（diàn）機驅動機械手（shǒu）下降，下降的高度由不同磚的高度和目標層數決定，使用編碼器對（duì）升降高度進行精確檢測（cè），到位後主（zhǔ）夾釋放，副夾釋放（fàng）。
（4）釋放到位後升降電機驅動機（jī）械手上升，上（shàng）升到位後橫移小車左移，同時逆時針旋轉90°，移動到左限位，然後下降，機械（xiè）手回到初始位置，等（děng）待下次抓取。
（5）夾爪的行程（最大張開範（fàn）圍）可以根據砌塊的尺寸進行調節（jiē），以提高碼垛效率。
2、 碼垛機控製係統設計
本文中的碼（mǎ）垛機控製係統由PLC控製器、觸摸（mō）屏（píng）、傳感檢測元件、驅動執行機構等部分組成，如圖3所示.
圖3 碼垛（duǒ）機控製係統（tǒng）組成（chéng）框圖
圖3中，夾（jiá）緊電動缸實現（xiàn）四個方向的夾緊與釋（shì）放，采用伺服電機進行驅動，便於實現精確快速（sù）抓取和釋放；升降、橫移及旋轉均采用三相異（yì）步電機驅（qū）動，使用變頻器（qì）進行（háng）調速.傳感檢測元件包括編（biān）碼器和開關（guān）量傳感器，升降（jiàng）方向的編碼器與變頻器配合，實現多（duō）層碼垛以及位置的精確控製；橫移和旋轉動（dòng）作，實（shí）現高低速的靈活切換，使各個動作速度（dù）更加順暢，同時節省許多減速傳感器，使布線更方便.開關量傳感器包括限位開關、電感式接近開關和（hé）光電開關，其中行程開關（guān）、電感式接近（jìn）開關分別用於檢測橫移極限位置、旋轉極限位置，起到雙重保護作用；光電開關則（zé）是用來檢測（cè）磚（zhuān）是否到位；傳感（gǎn）檢（jiǎn）測元件（jiàn）將采（cǎi）集（jí）到（dào）的現場信（xìn）息反饋給PLC，PLC發出（chū）指令控製（zhì）伺服和變頻執行（háng）相應的動作.觸摸屏選用西（xī）門子 Smart1000 IE，通過 RS485 與 PLC 進行通信（xìn），接受操作人員的（de）指令，並可以實（shí）時（shí）監控碼垛機的運行狀態，若現場發生故障時，工作人員可以通過觸摸（mō）屏給PLC發送命令進行處理（lǐ）。
2.1 PLC選型及I/O地址分配
根據係統（tǒng）控製要求和控製功能分析，選德國西門子的 S7-200 係列 CPU224 XP CN 作為（wéi）核心控製單（dān）元，另（lìng）外（wài）擴展一個（gè） EM223 CN（16 點輸入/16 點輸出（chū））模塊、一個 EM221 CN（16 點輸入）模塊和一個 EM232（2 入模擬量輸出（chū））模塊.CPU224XP 集成 14 輸入（rù）/10 輸出共 24 個數字（zì）量 I/O 點，2輸入（rù）/1輸出共3個模擬量（liàng）I/O點，6個（gè）獨立（lì）的高速計數器（100kHz），2個100kHz的高（gāo）速脈（mò）衝（chōng）輸出。
該型號PLC結構緊湊（còu）、處理速度快、價格適中，且具有（yǒu）一定的擴展能力，主要用於（yú）控製變頻器、伺服驅動器、接收編碼器的高速脈衝（chōng）及其他外部I/O 數字量的（de）處理等任務.控製係統的輸入輸出地址分配表如表1、表2所示。
表1 控（kòng）製係統（tǒng）輸入地址分配表
表2 控製係統輸出分配表（biǎo）
2.2 伺服控製器參數設置及接線
伺服電動缸的伺服電機采用的是北（běi）京（jīng）和利時3kW/3000轉帶刹車伺服電機，配HS係列驅動器.采（cǎi）用位置模式接線方（fāng）式，如圖 4 所示.HS 係列伺服驅動器的（de）脈衝輸入端口電平為標準 TTL 電（diàn）平（píng），脈衝（chōng）和方向信號必須配置合適的限流電阻值，否則會造成端口損壞.當VCC=24V±5%時，R=2kΩ/0.25W.圖 4 中 4 和 20 端子為扭矩到達（AT?TRQ）信號，當扭矩達到 Fn 049 設（shè）定時，4 和 20 導通，表（biǎo）示夾緊到位.6 和 22 端子為報警信號.參數配置（zhì）如下：控製模式 Fn 000 設為（wéi） 1，通常的控製端（duān）口硬線連接工作模式；Fn 001設為2，外部脈衝位置模式；外部脈衝指令方（fāng）式的旋轉Fn 038設為1，單脈衝正邏（luó）輯；電子齒輪比 Fn 050（分子）設為5，Fn 054（分母）設為（wéi） 2，當（dāng） PLC 產生 200kHz 脈衝時，伺服電機達到最（zuì）大轉速3000r/min，電動缸的速（sù）度達到（dào） 166mm/s，實際使用時，在觸摸屏上輸入電動缸需要的最大運行速度。
圖4 伺服驅動器及電機接線圖
2.3 變頻器設置及接線
三個變頻器采用的是（shì）施（shī）耐德 ATV312 係列（liè），以橫移（yí）電機為例，接線如圖5所示.為了能（néng）快速平穩地減速及停車，需要配置製動電阻（zǔ），消耗刹車是電機產生（shēng）的能量，來達到保護（hù）變頻器的逆變模塊，圖中3kW變（biàn）頻器選用阻（zǔ）值150Ω功率為300W的（de）鋁殼（ké）電阻.參數設置如（rú）下：控（kòng）製方式采用2線控製，加速時間 ACC 設為 0.5s，減速時間 DEC 設為0.3s，給定 1 通道設為模擬輸入 AI1，通過 PLC 發送 0~10V 的（de）模擬量控製頻率，正反轉命令則由PLC 的數字輸出點控（kòng）製。
圖（tú）5 變頻器及電（diàn）機接線圖
3 、軟件設計
3.1 PLC程序（xù）設計
PLC 程序采用模塊化設計方案［4］，共有 6 個子程序（xù）：初始（shǐ）化子（zǐ）程序、編碼器數據處理子程序、手動運行子程序、自動運行子程（chéng）序、報警及處理（lǐ）子程序、脈衝輸出子程序等.工作模式分（fèn）手動模式（shì）和自動模（mó）式，以（yǐ）自（zì）動模式的運行流（liú）程為例，其流程圖如圖6所示。
圖6 自動模式程序流（liú）程圖（tú）
編程過程中有兩個關鍵的地方需要注意.電動缸的伺服控製（zhì），采用 V4.0 STEP 7 Mi?croWIN SP9 軟件自帶的 PTO/PWM 發生器，配置Q0.0 和 Q0.1 作為方波脈衝發生器.以（yǐ） Q0.0 為例進行說明，配置SMB67為16#81，方波，周期單位為 1us，單段連續脈衝輸出，周（zhōu）期 SMW68 從觸摸屏輸入（rù）。
三個編碼器的脈衝計數，采用高速計數器HC0~HC2，三個計數（shù）器均采（cǎi）用工作模式 10，即兩路脈衝輸入的雙相正交計數，A相（xiàng）脈衝超（chāo）前B相脈衝，加計數；A相（xiàng）脈衝滯後B相脈衝，減計數。
3.2 觸摸屏界麵設計（jì）
觸摸屏畫麵主要（yào）包括目錄畫麵、參數設定畫麵、監控畫麵、報警畫麵等.監控界麵如（rú）圖7所示，界麵友好，可以直觀地看出碼垛機當（dāng）前狀態，根據要碼垛的（de）不同砌塊產（chǎn）品輸入相應的高度和碼垛（duǒ）層數，操作簡單（dān），可顯著提高控製係統操作的智能化和可視化水平 。
4 、結論
基於 PLC 和伺服控製的砌塊碼（mǎ）垛（duǒ）機控製係統，通過對（duì）夾爪電動缸的（de）伺服控（kòng）製和升降、橫移（yí）、旋轉電機的變頻控製（zhì），實現了各個動作的精確位置控製和靈活的速（sù）度控製，使碼垛機運行平穩可靠.設計的觸摸屏界麵友好，可以實時監控碼垛機的工（gōng）作（zuò）狀態，使碼垛機操（cāo）作簡單，故障診斷容易，同時方便了檢修和（hé）維護.本係統的（de）開發使碼垛機（jī）可在25s內完（wán）成一板砌塊的碼垛，效率較之前（qián）提高了約12%，對提高混凝土砌塊生產線自動化程度，以及減輕工人的體力勞動等方麵有著重要作用，可以在實際生產中推廣應用（yòng）。
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