基于M340 PLC的流水線程控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

申鐵權(quán)

（南京南自科林系統(tǒng)工程有限公司，江蘇 南京 210000）

在生產(chǎn)、灌裝、檢測(cè)等行業(yè)均要涉及到自動(dòng)化流水線的應(yīng)用。流水線系統(tǒng)通常包含傳送皮帶、位置檢測(cè)、操作機(jī)械手及行走定位等控制單元。本文以奶樣檢測(cè)系統(tǒng)為例，介紹其上下料流水線的設(shè)計(jì)。在該流水線設(shè)計(jì)中以施耐德M340 PLC為控制核心，實(shí)現(xiàn)了奶樣的自動(dòng)上料、分配檢測(cè)、自動(dòng)下料及清洗回收等。系統(tǒng)綜合運(yùn)用了M340的伺服控制技術(shù)、氣動(dòng)控制技術(shù)、光電定位技術(shù)等，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，體現(xiàn)了M340 PLC高效靈活和經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)。

1 M340 PLC及Unity軟件平臺(tái)簡(jiǎn)介

M340是施耐德繼Unity控制平臺(tái)后投入最大的一個(gè)項(xiàng)目，其開發(fā)平臺(tái)基于Unity Pro 3.0及更高版本。Modicon M340可編程控制器集各種強(qiáng)勁功能和創(chuàng)新設(shè)計(jì)于一身，完美無缺地滿足復(fù)雜設(shè)備制造和中小型項(xiàng)目的要求，提供各種自動(dòng)化功能的最佳技術(shù)和高效、靈活、經(jīng)濟(jì)性的解決方案。

工作輕松強(qiáng)大的Unity軟件平臺(tái)，使Modicon M340更如虎添翼。Unity Pro中文版的編程軟件，不僅提供5種IEC編程語言，圖形化的編程工具，高級(jí)診斷工具等，還支持中文變量名，使用戶從設(shè)計(jì)到維護(hù)各個(gè)環(huán)節(jié)都受益匪淺。

2 上下料流水線的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 奶樣檢測(cè)上下料流水線

2.1 系統(tǒng)控制流程

上料系統(tǒng)由上料滑臺(tái)、抓取機(jī)械手、傳送皮帶等組成。50（或100）份瓶裝奶樣以5×10(或10×10)的排列方式人工放置在上料滑臺(tái)上。操作員點(diǎn)按啟動(dòng)按鈕后，抓取機(jī)械手根據(jù)當(dāng)前檢測(cè)儀的空閑情況依次從1-5號(hào) (或1-10號(hào))位置一次性抓取10個(gè)奶瓶放置到空的奶樣托架上。奶樣平推到上料皮帶機(jī)后，3臺(tái)檢測(cè)儀對(duì)應(yīng)的上料推桿根據(jù)當(dāng)前奶樣是否由本檢測(cè)儀檢測(cè)決定是否進(jìn)行阻擋上料或放行。

檢測(cè)完畢后，奶樣托架被帶到每臺(tái)檢測(cè)儀的小皮帶機(jī)上，由小皮帶機(jī)過渡到下料皮帶機(jī)，并最終由下料機(jī)械手依次抓取放置到空托盤上。取走奶樣后的空托架進(jìn)入空托架自循環(huán)系統(tǒng)，最終回到上料平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自循環(huán)。

2.2 行走定位要求

上下料系統(tǒng)的機(jī)械手在各自的滑臺(tái)上行走必須精確定位。上料滑臺(tái)上至少有10排奶樣的位置點(diǎn)、奶樣搖勻開蓋位置點(diǎn)及奶瓶上架位置點(diǎn)等。下料滑臺(tái)上至少也有10排奶樣位置點(diǎn)、奶瓶下架位置點(diǎn)及機(jī)械手空閑等待位置點(diǎn)等。這些位置必須精確定位，否則對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有相當(dāng)大的影響，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)完全不可用。

2.3 機(jī)械手要求

上料機(jī)械手上下運(yùn)動(dòng)時(shí)需要有三個(gè)制動(dòng)位置：在最下端位置處抓取、在中間位置處停留和搖勻奶樣、在最高位置處開蓋。搖勻奶樣的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作角度和速度要求可調(diào)。下料機(jī)械手上下運(yùn)動(dòng)時(shí)需要有兩個(gè)制動(dòng)位置：在最下端位置處抓取和釋放奶瓶、在最高位置處空閑等待和行走。

2.4 奶樣的自動(dòng)分配

三臺(tái)檢測(cè)儀的檢測(cè)速度和投運(yùn)/檢修情況時(shí)有不同，給每臺(tái)檢測(cè)儀上料時(shí)必須考慮檢測(cè)儀上是否有空余上料位置，并挑選等待時(shí)間長(zhǎng)且綜合檢測(cè)速度最快的那條檢測(cè)流水線。

2.5 故障控制

上下料系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)需要能停止上下料系統(tǒng)皮帶和所有機(jī)械手的動(dòng)作，并保證奶樣安全無灑落。每臺(tái)檢測(cè)儀應(yīng)根據(jù)各自工況手動(dòng)投入和退出。

3 程控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)流水線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，對(duì)所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)除滑臺(tái)和皮帶外均采用氣動(dòng)的原理，使用Festo氣動(dòng)元件，包括推桿氣缸、平行氣爪、擺動(dòng)氣缸等。使用氣動(dòng)的原理實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上下行走、夾取、旋轉(zhuǎn)以及上下料夾具對(duì)奶樣托架的推入和拉出等功能，非電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用使整體系統(tǒng)安全可靠。另外使用邦納光電開關(guān)對(duì)奶瓶和奶架進(jìn)行到位判斷，光電開關(guān)檢測(cè)距離長(zhǎng)短可調(diào)，精確可靠。程控系統(tǒng)采用M340 PLC加上位機(jī)工程師站的方式，結(jié)構(gòu)如圖2所示。所使用的PLC模塊包括：CPS2000電源模塊、P342020控制器模塊、DDO3202K開關(guān)量輸出模塊、DDI3202K開關(guān)量輸入模塊和MSP0200 PTO脈沖發(fā)生模塊等。上位機(jī)的工藝流程畫面如圖3所示。

圖2 程控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 工藝流程畫面

4 控制功能實(shí)現(xiàn)分析

4.1 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)

系統(tǒng)使用松下A5系列伺服馬達(dá)和配套的驅(qū)動(dòng)器。伺服電機(jī)的使用能保證滑臺(tái)的精確定位。為了保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后或者由于各種原因停機(jī)后人工挪動(dòng)導(dǎo)致重啟后定位不準(zhǔn)確，在每次啟動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)候都要重新找原點(diǎn)?；_(tái)重新找原點(diǎn)使用脈沖觸發(fā)的方式，每次回原點(diǎn)前先做清除伺服電機(jī)故障的操作，沒有任何錯(cuò)誤或故障的情況下向伺服控制器發(fā)送回歸原點(diǎn)的指令。

滑臺(tái)在導(dǎo)軌上的移動(dòng)采用絕對(duì)定位的方式。首先根據(jù)滑臺(tái)在導(dǎo)軌上停靠的精確位置，計(jì)算出各個(gè)位置距離原點(diǎn)的脈沖數(shù)。設(shè)置一個(gè)表示位置的數(shù)組用來存放這些脈沖數(shù)數(shù)據(jù)，每次觸發(fā)滑臺(tái)移動(dòng)時(shí)只要預(yù)先指定好位置索引即可。

圖4 滑臺(tái)找原點(diǎn)程序

圖5 滑臺(tái)移動(dòng)到指定位置程序

滑臺(tái)找原點(diǎn)和移動(dòng)到指定位置的程序片段如圖4和圖5所示。運(yùn)行速度是指每秒鐘PTO模塊發(fā)出的脈沖數(shù)，可以作為變量根據(jù)需要在程序中進(jìn)行賦值。實(shí)際工程中，伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈的行走長(zhǎng)度是30mm，需要的脈沖數(shù)為10000。假定滑臺(tái)速度值設(shè)定為40K脈沖/秒，則滑臺(tái)的運(yùn)行速度為30×40000/10000=120mm/秒。為提高效率而盡可能提高滑臺(tái)運(yùn)行速度的同時(shí)，應(yīng)考慮過快的速度不至于引起滑臺(tái)上機(jī)械手的振動(dòng)。

圖6 機(jī)械手上下行走、奶瓶搖勻操作

圖7 D1_Move功能塊中的程序片段

圖8 ShakeUp功能塊中的程序

4.2 機(jī)械手動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)

機(jī)械手動(dòng)作包括上下行走、抓取釋放、旋轉(zhuǎn)搖勻等。所有動(dòng)作均通過雙作用氣缸實(shí)現(xiàn)?？刂茩C(jī)械手上下運(yùn)動(dòng)的氣缸連接的是一只三位五通閥。與其他所有兩位五通閥不同的是，三位五通閥有個(gè)中間位置。PLC程序中編寫了一個(gè)控制三位五通閥行走的功能塊D1_Move，該功能塊的作用是根據(jù)當(dāng)前上到位(UpPos)、中間到位(MidPos)、下到位(DownPos)的狀態(tài)以及目標(biāo)位置(Destination)的不同控制氣缸的上下進(jìn)氣時(shí)序，以使機(jī)械手停在目標(biāo)位置上。

機(jī)械手上下行走的功能塊使用如圖6所示。圖7中顯示了功能塊中的程序片段。

奶瓶在裝上空奶架之前需要進(jìn)行搖勻操作，該操作由擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)。PLC程序中編寫了一個(gè)控制氣缸擺動(dòng)次數(shù)及指定每次擺動(dòng)之間的時(shí)間間隔的功能塊ShakeUp。該功能塊的使用及其功能實(shí)現(xiàn)的程序段見圖6和圖8。

4.3 奶樣自動(dòng)分配的實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過搖勻上架后的奶樣最終分配到哪臺(tái)檢測(cè)儀上進(jìn)行檢測(cè)，程序中創(chuàng)建了一個(gè)功能塊MaxWaitIndex進(jìn)行選擇判斷，其依據(jù)有：檢測(cè)儀是否可用、檢測(cè)儀進(jìn)入等待狀態(tài)的時(shí)間、三臺(tái)檢測(cè)儀各自檢測(cè)完一托架奶樣需要的時(shí)間(Ta1、Tb1、Tc1)及奶樣從放入空托架到傳送至檢測(cè)儀所需要的時(shí)間(Ta2、Tb2、Tc2)等。后兩者是固定參數(shù)，功能塊中未作為參數(shù)體現(xiàn)。

功能塊及其程序?qū)崿F(xiàn)如圖9、圖10所示。程序中，Ta1-Ta2、Tb1-Tb2、Tc1-Tc2分別表示成功上料后到下次上料之間至少所需要的等待時(shí)間。TmpA、TmpB、TmpC則表示各自已等待時(shí)間與所需等待時(shí)間的差值。若該值為正且最大，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)儀使能，則選中該檢測(cè)儀為下一個(gè)上料對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了奶樣的自動(dòng)按需分配。

圖9 MaxWaitIndex功能塊及等待計(jì)時(shí)程序片段

圖10 MaxWaitIndex功能塊中的程序

4.4 故障控制

每臺(tái)檢測(cè)儀區(qū)域配有一個(gè)急停按鈕，當(dāng)該區(qū)域內(nèi)發(fā)生意外故障時(shí)，用戶按下急停按鈕，該檢測(cè)儀不再參與排隊(duì)等待上料。待檢測(cè)儀區(qū)域內(nèi)的故障恢復(fù)時(shí)，復(fù)位該按鈕則檢測(cè)儀重新進(jìn)入上料等待隊(duì)列。

上下料系統(tǒng)的人工操作區(qū)域配有一個(gè)總系統(tǒng)的急停按鈕。滑臺(tái)、機(jī)械手、傳送皮帶等發(fā)生故障時(shí)，點(diǎn)按該急停按鈕。急停后，滑臺(tái)停在發(fā)生故障的位置，機(jī)械手保持發(fā)生故障時(shí)的狀態(tài)位，傳送皮帶停止運(yùn)行。人工處理完故障后，急停按鈕恢復(fù)，系統(tǒng)重新投入運(yùn)行，滑臺(tái)重新找原點(diǎn)并走到等待區(qū)域，機(jī)械手回復(fù)初始位置，上下料皮帶恢復(fù)運(yùn)行。待系統(tǒng)就緒指示燈亮起后按下運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)再次投入工作。

5 結(jié)束語

本套自控系統(tǒng)利用M340 PLC的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)自動(dòng)化流水線的集中控制。與傳統(tǒng)運(yùn)行方式相比，自動(dòng)化程度高，功能完善，可以大量節(jié)省了人力成本。與國(guó)外同類系統(tǒng)相比，性價(jià)比高，通用性強(qiáng)，且易于維護(hù)升級(jí)。

［1］施耐德電氣公司.Modicon M340 編程手冊(cè)[Z].2008，03.

［2］珠海松下馬達(dá)有限公司.松下Minas A5系列交流伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器使用說明書[Z].2009，04.

［3］陳鈞，劉陽春.基于M340 PLC的余熱鍋爐控制系統(tǒng)[J].