基于PLC控制的伺服定位高速瓷磚自動貼膜設備

胡國緯

摘 要：本文著重從系統(tǒng)組成、程序編寫及調試三方面詳細介紹了利用可編程控制器（PLC）和伺服驅動系統(tǒng)實現(xiàn)瓷磚高速自動貼膜的自動化控制設備，并指出了調試的注意事項，以期能對同行有借鑒作用。該設備對減少人工、縮短工作時間、提高產(chǎn)品質量以及增強陶瓷行業(yè)現(xiàn)代化管理水平具有廣泛意義。

關鍵詞：PLC；伺服驅動系統(tǒng)；高速貼膜；自動貼膜

1 引言

貼膜，是保護全拋磚在堆放、包裝、運輸過程中，磚面不受損傷的有效措施，也是保證產(chǎn)品品質的需要。因此，在生產(chǎn)全拋磚過程中，貼膜作為一道單獨工序，被廣泛采用。圖1為正在自動貼膜的瓷磚。

以前的貼膜機，步進定位部分多使用剎車電機，甚至普通電機。每一片磚貼完膜后，停止要定位精確，才能保證自動切斷膜的準確性。這就需要定位的電機要能夠快速啟動，精確停止。然而，普通電機或剎車電機在產(chǎn)量要求低時，尚能滿足要求。但產(chǎn)量稍高時，例如800 mm×800 mm規(guī)格磚，當產(chǎn)量在25片/min，甚至達30片/min以上時，普通電機或剎車電機就完全不能滿足要求。

目前，陶瓷廠需要高產(chǎn)量的貼膜機，原因大致有以下兩個方面：

（1）人力資源不足

重體力勞動的工人日益難招，在這種人力資源嚴重不足的情況下，陶瓷廠通常只能把三個班輪流工作，改為兩個班。這樣做的好處是減少了用工量，但這就需要提高生產(chǎn)效率來保證產(chǎn)量、減少工作時間。

（2） 錯峰用電的需要

由于高峰限電及階梯電價等因素，那些高耗電量的設備，可以安排錯峰生產(chǎn)。全拋線耗電量大，通常安排在錯峰生產(chǎn)，把窯爐全天燒出的磚，在錯峰時間內全部拋光完成。

在這種要求高產(chǎn)量貼膜的情況下，只有伺服驅動系統(tǒng)才能滿足要求，當800 mm×800 mm磚產(chǎn)量在30片/min以上時，對電氣及機械穩(wěn)定性的要求相當高。稍有不慎，就會造成碰磚、對位不準、切不了膜等問題，由于入磚不能停頓，如果故障停機，就會形成大堵磚，短時間內造成大量成品瓷磚損壞。

為了解決這些難題，本文應用PLC、伺服驅動系統(tǒng)和變頻器等自動化控制技術，結合實際生產(chǎn)。不斷優(yōu)化方案，成功摸索總結出了解決方案。本文就PLC控制的伺服定位高速瓷磚自動貼膜機的系統(tǒng)組成和控制方面進行闡述，并指出了一些調試注意事項，希望能給同行以探討和借鑒。

2 瓷磚自動貼膜的技術指標

2.1 入口夾磚系統(tǒng)

為了確保每次來磚都能垂直平順地進入步進定位系統(tǒng)，設計了入口夾磚系統(tǒng)。此套入口夾磚系統(tǒng)主要由兩個氣缸、四個導輪及其它組件組成。它們分別位于來磚方向的左右兩邊，每邊一個氣缸，兩個導輪。

兩個氣缸同時動作，調機時，中間放一片800 mm×800 mm磚，使兩個氣缸同時伸出時，四個導輪剛好壓穩(wěn)瓷磚的左右兩邊為好。在入磚方向上，壓穩(wěn)的瓷磚中心線應該剛好和入磚的兩條皮帶的中心線重合，如果中心線不重合，就要調整左右氣缸的行程，使之重合。

2.2 伺服步進定位系統(tǒng)

伺服步進定位系統(tǒng)是此套設備的核心系統(tǒng)，該系統(tǒng)由啟動伺服驅動系統(tǒng)運行的光電開關、伺服電機及驅動器、壓膜輥、氣缸及壓磚組件等組成。

貼膜段皮帶入口的光電開關有信號時，則啟動伺服電機定位運行，每來一片磚，定位運行一段預定的距離。直到入口的光電開關無信號。下一片磚來時，可再次啟動伺服電機定位運行。定位運行完成后，以來磚的后邊緣剛好脫離入磚皮帶為好。因為貼膜段的定位皮帶是間歇運行，在下一片磚來之前，是停止運行的，而入磚皮帶是常轉的，所以貼膜段在定位運行后，如果來磚的后邊緣未脫離入磚皮帶，則會造成入磚皮帶的磨損；但如果來磚的后邊緣脫離入磚皮帶太多，則會造成再來磚時，兩片磚的間隙過大，影響貼膜質量。

切膜段皮帶入口的光電開關的位置、入口段皮帶的速度、貼膜段定位運行的距離及貼膜段定位運行的速度，這四者之間互相影響、相輔相成，是這套設備調試的關鍵，調試時，需要細致觀察，循序漸進。

2.3 自動切膜系統(tǒng)

自動切膜系統(tǒng)由切膜氣缸、發(fā)熱絲、AC380V轉AC10V、AC12V、AC14V的250 W變壓器及其它附件組成。

其中發(fā)熱絲有三個電壓等級可選接，分別為AC10V、AC12V、AC14V，以使發(fā)熱絲有不同的溫度，更好地適應切斷不同的膜，且這三個可選電壓均為安全電壓。

當切膜段伺服電機步進定位運行完成，馬上會啟動切膜氣缸動作，完成一次切膜動作，切膜氣缸動作的時間可在人機介面設定。

2.4 手動控制

對每臺電機的運行與停止，每個氣缸的動作與復位，都可進行手動操作，以便對每個裝置單獨調整、檢修或排除故障使用。

其中對切膜段伺服電機，每手動運行一次，伺服電機按照人機介面的設定距離及速度，進行一次定位運行，以方便調試時對位及調整參數(shù)使用。

2.5 自動控制

自動運行時，可按照上述2.1～2.3的要求完成循環(huán)運行。

2.6 自動過磚

當不需要貼膜，只是過磚時，可啟動自動過磚模式。在該模式下，入口夾磚系統(tǒng)照常工作，步進定位系統(tǒng)及自動切膜系統(tǒng)都不工作，只是伺服電機按人機介面設定的速度常轉即可。

3 PLC控制系統(tǒng)設計

3.1 PLC選型

根據(jù)以上技術指標和控制要求，該套設備共有三個系統(tǒng)和三個工作模式，三個系統(tǒng)分別是：入口夾磚系統(tǒng)、步進定位系統(tǒng)、自動切膜系統(tǒng)。每個系統(tǒng)需要的輸入點數(shù)量如下：

（1）入口夾磚系統(tǒng)

輸入點（4個）：①一個啟動夾磚的光電開關；②兩個兩位旋鈕：入口傳動電機M1手動運行、停止；夾磚氣缸的手動夾磚、松開；③入口傳動電機M1的報警輸入。

輸出點（3個）：①入口傳動電機M1正、反轉；②夾磚氣缸的動作。

（2）伺服步進定位系統(tǒng)

輸入點（4個）：其中有1個伺服電機啟動光電開關；兩個兩位旋鈕，分別是：伺服手動運行、手動壓輥；一個伺服電機報警輸入。

輸出點（5個）：其中伺服電機M2需要四個輸出點，分別是：伺服驅動器脈沖輸入、方向輸入、伺服使能和伺服報警清除。另外，還有一個壓輥氣缸。

（3）自動切膜系統(tǒng)

輸入點（2個）：一個手動切膜兩位旋鈕、一個聯(lián)鎖輸入信號。

輸出點（2個）：切膜氣缸的動作；一個聯(lián)鎖輸出，故障或停機時，給上位機信號。

（4）其它

輸入點（4個）：其中有一個急停；一個三位旋鈕，手動、停止、自動；一個帶燈按扭，啟動；

輸出點（2個）：復位指示燈；報警指示。

（5）綜上所述，該系統(tǒng)共需要：

輸入點：4+4+2+4=14（個）；

輸出點：3+5+2+2=12（個）；

由于控制伺服系統(tǒng)需要用高速脈沖輸出，所以必須選用晶體管輸出的PLC。因此本文選用的PLC是OMRON的CP1H-X40DT-D，這是一個DC24V供電的24個輸入點，16個晶體管輸出點的PLC。還有一些點多出，作為備用。

（6）系統(tǒng)資源分配

1）數(shù)字量輸入部分

輸入地址分配如表1所示。

2）數(shù)字量輸出部分

輸出地址分配如表2所示。

4 各技術指標的實現(xiàn)

4.1 入口夾磚系統(tǒng)的設計

該技術指標已在2.1中做了初步的介紹，在實際生產(chǎn)調試的過程中，可在人機介面上增加設定入口夾磚光電1.05點ON狀態(tài)的時間長短及左右夾磚動作保持時間。這樣設計的好處是：不同規(guī)格的磚，可以通過調整參數(shù)，使動作達到剛好合適、流暢。夾到瓷磚時，四個導轉對角線交叉點剛好與瓷磚中心重合為好，且夾的時間不宜過長，夾到位，馬上松開即可，以免影響后續(xù)入磚。

如圖2所示，當1.05點ON時，運行介面設定的入口夾磚延時時間，接著入口夾磚氣缸101.04點ON，該點ON后，運行介面設定的夾磚氣缸ON延時時間，之后101.04點OFF，夾磚氣缸復位。該系統(tǒng)的部分程序如表3所示（指令表格式）。

4.2 伺服步進定位系統(tǒng)的設計

該系統(tǒng)已在2.2中做了初步的介紹，伺服步進定位系統(tǒng)，是該設備的核心系統(tǒng)，效率的高低以及性能的好壞主要由該系統(tǒng)決定。圖3為伺服步進定位系統(tǒng)及自動切膜系統(tǒng)。下文將對該系統(tǒng)的程序控制做進一步介紹，并列出部分程序，供大家參考。

如圖3所示，當步進啟動光電開關1.03點ON時，伺服開始定位運行一段距離，伺服定位運行距離和速度均可在介面上設定。壓膜輥的位置以瓷磚重心運行到伺服定位皮帶上時再壓比較好，壓膜位置如果太靠近入口位，易造成貼完膜后，兩磚之間縫隙變大，膜被拉伸，切膜后，膜邊沿回縮、翹起，影響貼膜的平整性。該系統(tǒng)的部分程序如表4所示（指令表格式）。

4.3 自動切膜系統(tǒng)的設計

該系統(tǒng)在2.3中做了初步的介紹，下文將對該系統(tǒng)的程序控制做進一步介紹，限于篇幅，這里不再列出程序。

如圖3所示，啟動自動運行后，M1傳動，當步進啟動光電開關1.03點ON時，伺服完成一次定位步進運行，定位運行完成后，馬上啟動切膜氣缸。其中切膜時間可在介面設定，通常是0.2 s左右，若設定的時間太長，會影響效率。因為在切膜未完成時，入口再來磚，會造成碰磚，進而引起入口堵磚。完成切膜后，可再次入磚，如此循環(huán)運行。

5 結語

該設備自去年設計成功以來，已在國內外實現(xiàn)多次銷售，同時對暴露出來的問題，也進行了不斷的改進。目前，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、效果良好，是瓷磚高速貼膜較理想的解決方案。本文從瓷磚自動貼膜的技術指標、PLC系統(tǒng)的設計以及技術指標的實現(xiàn)三個方面對該設備進行了詳細介紹，希望能對同行起到啟發(fā)和借鑒作用。

參考文獻

[1] 王兆義.可編程控制器使用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2] 李明河.可編程控制器原理與應用[M].合肥：合肥工業(yè)大學出版社，2010.