全自動(dòng)產(chǎn)品磁性能檢測(cè)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙文銳 仲躋峰

（1.北京現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，北京 101300;2.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司，天津 300451）

0 引言

某公司某一規(guī)格產(chǎn)品的磁性能檢測(cè)工作原來(lái)都是依靠手工進(jìn)行。由于產(chǎn)品具有強(qiáng)磁性，都吸合在一起，檢測(cè)時(shí)由一個(gè)工人負(fù)責(zé)將產(chǎn)品逐一分開(kāi)，另一個(gè)工人用儀器檢測(cè)磁性，再經(jīng)一個(gè)工人將檢測(cè)的合格品收集碼放。由于該產(chǎn)品的規(guī)格極小，是直徑為3mm，高2mm的圓柱體，依靠人工逐一檢測(cè)不但耗時(shí)、費(fèi)力、生產(chǎn)效率低、成本高，有時(shí)還會(huì)因?yàn)槿藶榈囊蛩貙?dǎo)致漏檢、錯(cuò)揀，讓不合格品蒙混過(guò)關(guān)。更為嚴(yán)重的是，因?yàn)樵摦a(chǎn)品極脆，在碼放合格品時(shí)稍不留神，會(huì)導(dǎo)致整排已經(jīng)碼放好的合格品全部因損傷而報(bào)廢。為了保證檢測(cè)質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，需要一臺(tái)全自動(dòng)產(chǎn)品磁性能檢測(cè)裝置。

在國(guó)外，只有瑞典的一家公司生產(chǎn)此類檢測(cè)設(shè)備，并且是按訂單生產(chǎn)，設(shè)備價(jià)格特別昂貴;在國(guó)內(nèi)，還沒(méi)有廠家生產(chǎn)此類專用檢測(cè)設(shè)備。所以，公司自主開(kāi)發(fā)研制一臺(tái)全自動(dòng)產(chǎn)品磁性能檢測(cè)裝置。300mm的圓柱體，筒上有二十個(gè)圓柱孔，每個(gè)圓柱孔中可放70個(gè)待檢測(cè)品。儲(chǔ)料筒由步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)取料筒的一個(gè)圓柱孔中沒(méi)有產(chǎn)品時(shí)，電機(jī)會(huì)帶動(dòng)取料筒轉(zhuǎn)動(dòng)到下一個(gè)圓柱孔，如下一個(gè)圓柱孔還為空時(shí)，電機(jī)繼續(xù)帶動(dòng)取料筒轉(zhuǎn)動(dòng)，直到找到有料的圓柱孔為止，如二十個(gè)圓柱孔內(nèi)均無(wú)產(chǎn)品，人機(jī)界面則給出取料筒內(nèi)無(wú)料的提示信息。當(dāng)收料筒的一個(gè)圓柱孔放滿產(chǎn)品后，電機(jī)會(huì)帶動(dòng)收料筒轉(zhuǎn)動(dòng)到下一個(gè)圓柱孔，如下一個(gè)圓柱孔也已滿，電機(jī)繼續(xù)帶動(dòng)收料筒轉(zhuǎn)動(dòng)，直到找到無(wú)產(chǎn)品的圓柱孔為止，如二十個(gè)圓柱孔均已放滿產(chǎn)品，人機(jī)界面則給出收料筒內(nèi)產(chǎn)品已滿的提示信息。

轉(zhuǎn)盤由四個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)臂組成。四個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)臂在一個(gè)水平面上，各成90度角，四個(gè)轉(zhuǎn)臂同時(shí)動(dòng)作。轉(zhuǎn)臂末端用真空吸盤做抓取機(jī)構(gòu)，利用吸盤內(nèi)形成的負(fù)壓吸取產(chǎn)品。用氣缸控制轉(zhuǎn)臂的上升/下降運(yùn)動(dòng)，用直流電機(jī)控制機(jī)械手臂在水平面上逆時(shí)針轉(zhuǎn)90度。

磁性能檢測(cè)儀用來(lái)檢測(cè)產(chǎn)品磁性能是否合格。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1 全自動(dòng)產(chǎn)品磁性能檢測(cè)裝置工藝要求及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

本檢測(cè)裝置要完成的工藝要求為:（1）提取待檢測(cè)產(chǎn)品;（2）產(chǎn)品磁性能檢測(cè);（3）如檢測(cè)產(chǎn)品為不合格品則放入廢品收集處;（4）如檢測(cè)產(chǎn)品為合格品則放入合格品儲(chǔ)料筒中。

根據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)的全自動(dòng)產(chǎn)品磁性能檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。此裝置主要儲(chǔ)料筒、轉(zhuǎn)盤、磁性能檢測(cè)儀等組成。

儲(chǔ)料筒分為待檢測(cè)品儲(chǔ)料筒（后面簡(jiǎn)稱為取料筒）和合格品收集儲(chǔ)料筒（后面簡(jiǎn)稱為收料筒）。儲(chǔ)料筒為高200mm，直徑為

2 檢測(cè)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)裝置的操作方式

本檢測(cè)裝置分為手動(dòng)操作方式和自動(dòng)運(yùn)行操作方式。自動(dòng)操作方式又分為單步、單周期和連續(xù)操作方式。

自動(dòng)運(yùn)行操作方式是PLC控制系統(tǒng)的主要運(yùn)行方式，只要運(yùn)行條件具備，PLC發(fā)出啟動(dòng)預(yù)告，由操作人員確認(rèn)并按下“啟動(dòng)”按鈕后，PLC自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)。裝置從初始狀態(tài)開(kāi)始，裝置的動(dòng)作將自動(dòng)地、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。在工作中，如按下“停止”按鈕，裝置則動(dòng)作停止。重新起動(dòng)時(shí)，須用手動(dòng)操作方式將裝置移回初始狀態(tài)，然后按下“啟動(dòng)”按鈕，裝置又重新開(kāi)始連續(xù)工作。在工作中，如按下“復(fù)位”按鈕，則裝置將繼續(xù)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后，回到初始狀態(tài)后自動(dòng)停止［1］。

在運(yùn)行方式設(shè)計(jì)的同時(shí)，還必須考慮到停止方式設(shè)計(jì)。本裝置的停止方式有正常停止、暫時(shí)停止和緊急停止三種。

2.2 工作過(guò)程

本檢測(cè)裝置的工作過(guò)程

在自動(dòng)運(yùn)行方式下的工作過(guò)程從初始狀態(tài)開(kāi)始，按下“啟動(dòng)”按鈕后，機(jī)器就連續(xù)重復(fù)工作，分以下幾步

（1）步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)取料筒轉(zhuǎn)動(dòng)，如果檢測(cè)到有產(chǎn)品的圓柱孔，步進(jìn)電機(jī)會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng);（2）取料滑塊動(dòng)作，將取料筒中的產(chǎn)品取入到取料孔中;（3）轉(zhuǎn)臂下降，轉(zhuǎn)臂末端的吸盤吸走取料孔內(nèi)的產(chǎn)品;（4）轉(zhuǎn)臂上升，直流電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤使轉(zhuǎn)臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)90度后停止;（5）轉(zhuǎn)臂下降，轉(zhuǎn)臂末端的吸盤吸住的產(chǎn)品放入到一臺(tái)磁性檢測(cè)儀的檢測(cè)環(huán)中，檢測(cè)產(chǎn)品的磁性能是否合格;（6）轉(zhuǎn)臂上升，轉(zhuǎn)臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)90度后停止;（7）轉(zhuǎn)臂下降，如檢測(cè)的產(chǎn)品不合格，則吸盤松氣，將不合格品放入廢品收集處;如檢測(cè)的產(chǎn)品合格，則吸盤不松氣;（8）轉(zhuǎn)臂上升，轉(zhuǎn)臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)90度;（9）轉(zhuǎn)臂下降，同時(shí)吸盤松氣，將檢測(cè)合格的產(chǎn)品放入送料滑塊的送料孔中;（10）送料滑塊將產(chǎn)品送入收料筒內(nèi)。至此，此檢測(cè)裝置完成一個(gè)周期動(dòng)作。

本檢測(cè)裝置的動(dòng)作條件是必須完成前一步動(dòng)作才能進(jìn)行下一步的動(dòng)作，并且只有所有前提條件均滿足時(shí)，才能執(zhí)行下一步的動(dòng)作［2］。

在正式抽水試驗(yàn)前進(jìn)行試抽水試驗(yàn)，第一次試抽持續(xù)14 h，水量、動(dòng)水位、水溫已處于穩(wěn)定狀態(tài)。后下油管探底，采用泵沖洗循環(huán)，提油管至上部再次氣舉洗井。熱水變清后進(jìn)行了第二次試抽水試驗(yàn)，試抽延續(xù)時(shí)間18 h，水量、動(dòng)水位、水溫也已處于穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過(guò)對(duì)兩次試抽試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，兩次試抽水溫相同，水位與水量的變化規(guī)律符合設(shè)計(jì)中試抽水試驗(yàn)的要求，同時(shí)證明洗井工作達(dá)到了要求。

2.3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)本檢測(cè)裝置的工藝流程，實(shí)際控制需求以及輸入/輸出變量特點(diǎn)，確定系統(tǒng)主要為開(kāi)關(guān)量控制，根據(jù)輸入輸出變量數(shù)量、類型、控制要求，同時(shí)按I/O點(diǎn)數(shù)20% ～30%的備用量原則，系統(tǒng)選用西門子公司的 S7—200PLC為核心控制器件。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 全自動(dòng)子程序流程圖

為了使取料筒中的產(chǎn)品能準(zhǔn)確地落到取料滑塊的取料孔中，同時(shí)送料滑塊中的產(chǎn)品能準(zhǔn)確地送入到收料筒中，需精確的控制儲(chǔ)料筒轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，才能滿足控制要求。綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，在本裝置中，采用三相混合式步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)儲(chǔ)料筒轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足設(shè)計(jì)要求。

為了精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，采用西門子公司EM253位置定位控制模塊來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。EM253位控模塊是S7200的特殊功能模塊，能夠產(chǎn)生脈沖串用于步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的速度和位置的開(kāi)環(huán)控制。EM253位控模塊能產(chǎn)生移動(dòng)控制所需的脈沖串，其組態(tài)信息存儲(chǔ)在S7200的V存儲(chǔ)區(qū)中。使用STEP7－Micro/WIN32可生成位控模塊所使用的全部組態(tài)和移動(dòng)包絡(luò)信息，通過(guò)軟件編程的方法任意設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)和控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

利用傳感器來(lái)檢測(cè)機(jī)械轉(zhuǎn)臂、取料滑塊，送料滑塊是否到位。

2.4 控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)全自動(dòng)磁性檢測(cè)裝置的工藝要求，確定了各個(gè)動(dòng)作的順序和相互關(guān)系，畫出工藝流程圖?？刂葡到y(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)引入了模塊化思想進(jìn)行編程，結(jié)構(gòu)清晰，調(diào)試方便。根據(jù)功能、控制對(duì)象的不同，系統(tǒng)分為自檢模塊、運(yùn)行模塊、故障模塊、停車模塊，由一個(gè)主程序和若干子程序構(gòu)成。主程序的功能是檢測(cè)各按鈕及故障報(bào)警狀態(tài)，在需要的時(shí)候調(diào)用各個(gè)子程序，以完成相應(yīng)的控制功能［5］。

自檢模塊主要完成PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等狀態(tài)檢測(cè)及其初始化，確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)正常后，PLC才會(huì)按指令繼續(xù)運(yùn)行。運(yùn)行模塊是控制系統(tǒng)軟件的核心，運(yùn)行模塊根據(jù)工作方式又分為自動(dòng)運(yùn)行模式子模塊、手動(dòng)運(yùn)行子模塊、單周期運(yùn)行子模塊。自動(dòng)運(yùn)行模式程序流程圖如圖3所示。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，錯(cuò)誤信息會(huì)傳送至故障模塊，由故障模塊將其錯(cuò)誤的性質(zhì)、類型、嚴(yán)重性做出判斷。一般故障時(shí)，僅向人機(jī)界面發(fā)出錯(cuò)誤提示信息;嚴(yán)重時(shí)，調(diào)用停車模塊，中止生產(chǎn)并發(fā)出警報(bào)。根據(jù)程序流程圖，再由PLC輸入輸出的邏輯關(guān)系編寫出梯形圖［6］。

將編制好的程序先用西門子S7－200的仿真軟件進(jìn)行仿真，用于驗(yàn)證程序是否正確。仿真正確通過(guò)后，再將程序輸入到PLC進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用PLC控制的全自動(dòng)磁性檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過(guò)安裝調(diào)試已投入到實(shí)際生產(chǎn)，通過(guò)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用表明，它具有結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定可靠，操作方便的特點(diǎn)?？蓾M足工藝要求，節(jié)約人手，大大提高檢測(cè)效率，保證檢測(cè)質(zhì)量，降低成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］趙文銳，劉晉浩，沈嶸楓，朱晨.基于PLC的沙漠苗條載植機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（04）:105－107.

［2］趙文銳，全自動(dòng)磁性檢測(cè)裝置的開(kāi)發(fā)研制［D］.江蘇:南京林業(yè)大學(xué)碩士論文.2005.8－10.

［3］賈德勝.PLC應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)用子程序［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

［4］西門子公司.深入淺出西門子S7－200PLC［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.3 －5.

［5］遲君平，王斌，李業(yè)友.模塊化編程方法在PLC程序開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2005（6）:26－27.

［6］趙志旭，王叢嶺，吳魚榕.基于 PLC糖果包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.食品與機(jī)械，2008（2）:77－79.