基于PLC的生產(chǎn)線供料搬運(yùn)單元控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉　燕，黃莎莎，邱賽賽，閔美如

（常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟215500）

基于PLC的生產(chǎn)線供料搬運(yùn)單元控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉燕，黃莎莎，邱賽賽，閔美如

（常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟215500）

摘要：根據(jù)生產(chǎn)線中供料搬運(yùn)單元的控制要求，設(shè)計(jì)了基于PLC實(shí)現(xiàn)的供料搬運(yùn)過(guò)程的控制系統(tǒng).該系統(tǒng)以西門子S7-200PLC控制器為核心，結(jié)合異步電機(jī)、高分辨率伺服電機(jī)、位置傳感器以及材質(zhì)檢測(cè)傳感器等元件，實(shí)現(xiàn)了供料搬運(yùn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)傳送、分揀、抓取以及定位等功能.實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)具有機(jī)械手抓取工件牢固，分揀工件準(zhǔn)確，搬運(yùn)定位精確等優(yōu)勢(shì)，滿足了生產(chǎn)線供料搬運(yùn)單元高精度的控制要求.

關(guān)鍵詞：供料搬運(yùn)；伺服驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)；MAP應(yīng)用庫(kù)

供料搬運(yùn)單元是機(jī)械加工生產(chǎn)線的主要組成部分，它是利用機(jī)械手將放置在料筒中的工件夾取并送到傳送帶上進(jìn)行傳送、分揀及搬運(yùn)的工作單元.隨著自動(dòng)化生產(chǎn)線在機(jī)械加工行業(yè)的廣泛應(yīng)用，對(duì)供料搬運(yùn)單元運(yùn)行控制的要求不斷提高，準(zhǔn)確的定位、牢固的抓取，正確的分揀已成為供料搬運(yùn)單元運(yùn)行性能的基本要求，也成為生產(chǎn)線降低作業(yè)成本、提高作業(yè)能力和效率的重要保證.本文以S7-200 PLC為控制核心，設(shè)計(jì)了供料搬運(yùn)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng).通過(guò)PLC控制機(jī)械手夾取料筒中的物料，通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)傳送帶速度的合理調(diào)節(jié)，通過(guò)傳感器檢測(cè)不同材質(zhì)的工件，實(shí)現(xiàn)工件的有效分揀；通過(guò)伺服電機(jī)的準(zhǔn)確定位，實(shí)現(xiàn)工件搬運(yùn)過(guò)程的可靠運(yùn)行.實(shí)際運(yùn)行表明，該設(shè)計(jì)方案滿足了生產(chǎn)線供料搬運(yùn)單元高精度的控制要求.

1　供料搬運(yùn)單元的結(jié)構(gòu)及控制要求

1.1供料搬運(yùn)單元的結(jié)構(gòu)

供料搬運(yùn)組合單元從結(jié)構(gòu)上分為5部分，分別為料筒檢測(cè)、機(jī)械手、主傳送帶、副傳送帶和移動(dòng)式機(jī)械手，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

（1）料筒檢測(cè)結(jié)構(gòu)

料筒檢測(cè)結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，其擁有兩個(gè)圓柱形料筒，分別用來(lái)放置兩種不同材質(zhì)的工件.在兩個(gè)料筒下面分別安裝兩個(gè)傳感器，分別檢測(cè)物料筒內(nèi)有無(wú)工件.

（2）機(jī)械手結(jié)構(gòu)

圖1　供料搬運(yùn)單元結(jié)構(gòu)

機(jī)械手主要完成工件的位移、伸縮、夾取以及放置等工作，由5個(gè)氣缸控制機(jī)械手的全部動(dòng)作，如圖1（d）所示.圖中YV1是左右氣缸，YV2是旋轉(zhuǎn)氣缸，YV3是升降氣缸，YV4是伸縮氣缸，YV5是氣動(dòng)手爪.用光電傳感器做限位開(kāi)關(guān)判斷機(jī)械手在動(dòng)作過(guò)程中的位置. 1B1代表機(jī)械手的左限位；1B2代表機(jī)械手的右限位；2B1代表機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)左限位；2B2代表機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)右限位；3B1代表機(jī)械手的下限位；3B2代表機(jī)械手的上限位；4B1代表機(jī)械手的后限位；4B2代表機(jī)械手的前限位.

（3）主傳送帶結(jié)構(gòu)

主傳送帶主要起傳送工件的作用，由三相電機(jī)拖動(dòng)主傳送帶，通過(guò)變頻器控制其啟動(dòng)及轉(zhuǎn)速大小，如圖1（e）所示.傳送帶邊裝有兩個(gè)檢測(cè)傳感器，用于檢測(cè)不同材質(zhì)的工件，通過(guò)阻擋缸的動(dòng)作將工件分揀至副傳送帶上.圖中M3為三相電機(jī)；PX1為電感檢測(cè)傳感器；PX2為電容檢測(cè)傳感器；PH3為傳送末端檢測(cè)傳感器；YV6為阻擋缸1；YV7為阻擋缸2；6B1和6B2分別為阻擋缸1的上、下限位；7B1和7B2分別為阻擋缸2的上、下限位.

（4）副傳送帶結(jié)構(gòu)

副傳送帶完成不同材質(zhì)物料的縱向傳送.兩個(gè)副傳送帶分別由兩個(gè)直流電機(jī)帶動(dòng).每個(gè)副傳送帶末端都裝有一個(gè)傳感器，當(dāng)物料到達(dá)傳送帶末端時(shí)，通過(guò)傳感器得到感應(yīng)信號(hào)，如圖1（b）所示. M1、M2是直流電機(jī)；PH4、PH5是料到檢測(cè)傳感器，

（5）移動(dòng)式機(jī)械手結(jié)構(gòu)

移動(dòng)式機(jī)械手主要完成工件抓取及水平移動(dòng).移動(dòng)式機(jī)械手由伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)水平移動(dòng)，其上的吸盤完成工件的抓取.通過(guò)控制氣缸實(shí)現(xiàn)吸盤的升降和吸放，如圖1（c）所示. PH6是移動(dòng)式機(jī)械手左限位；PH7是移動(dòng)式機(jī)械手零點(diǎn)位；PH8是移動(dòng)式機(jī)械手右限位；8B1是吸盤上限位；8B2是吸盤下限位；YV8是吸盤升降氣缸；YV9是真空吸盤.

1.2供料搬運(yùn)單元的控制工藝

將圓形工件放入立式落料筒1和2中，機(jī)械手在兩個(gè)料筒之間來(lái)回移動(dòng)，并自由取出料筒1或2當(dāng)中的工件，機(jī)械手將抓取到的工件放置到主傳輸帶上，工件將隨著主傳輸帶移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中通過(guò)電容、電感傳感器檢測(cè)工件材質(zhì)，通過(guò)阻擋缸的動(dòng)作將不同材質(zhì)的工件進(jìn)行分流，分流后的工件在副傳送帶傳輸，到達(dá)副傳輸帶的末端后由移動(dòng)式機(jī)械手的吸盤抓取工件并重新放回到料筒1或2當(dāng)中，未被分流的工件沿著傳送帶移動(dòng)到下一個(gè)單元.

2　供料搬運(yùn)單元控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

2.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

供料搬運(yùn)單元控制系統(tǒng)以PLC為主控制器，輔以執(zhí)行機(jī)構(gòu)變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)模塊（其中包括伺服電機(jī)、直流電機(jī)、三相電機(jī)）等. PLC的輸入部分接供料搬運(yùn)組合單元上的各類傳感器和限位開(kāi)關(guān)，并和控制柜面板上的各控制按鈕相連. PLC輸出則與要控制的相關(guān)驅(qū)動(dòng)器件相連，通過(guò)PLC控制供料搬運(yùn)各部分的運(yùn)行.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示.

圖2　供料搬運(yùn)單元的控制方案

（1）上位機(jī)：使用觸摸屏MCGS作為人機(jī)界面，通過(guò)TCP/PPI與PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的雙向控制，并對(duì)供料搬運(yùn)單元實(shí)時(shí)監(jiān)控.

（2）PLC控制器：根據(jù)控制所需I/O點(diǎn)數(shù)，PLC選用S7-200系列224XP，外加兩個(gè)EM 223擴(kuò)展模塊.

（3）變頻器模塊：選用MM440控制主傳送帶的速度. PLC控制變頻器的啟停運(yùn)行，并通過(guò)外置電位器來(lái)改變變頻器的速度，實(shí)現(xiàn)主傳送帶速度的無(wú)極調(diào)節(jié).

（4）直流電機(jī)模塊：PLC控制中間繼電器，由中間繼電器控制直流電機(jī)，直流電機(jī)帶動(dòng)副傳送帶將物料送到指定的檢測(cè)位置.

（5）伺服電機(jī)模塊：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收PLC控制器輸出的脈沖及方向信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)式機(jī)械手水平運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)工件的水平移動(dòng)及準(zhǔn)確定位［1］.

（6）傳感器：供料搬運(yùn)單元使用了大量傳感器，其中用光電傳感器作為限位元件對(duì)工件到達(dá)的位置進(jìn)行檢測(cè)；使用電容、電感傳感器對(duì)工件的材質(zhì)進(jìn)行檢測(cè).

（7）電磁閥：電磁閥主要控制機(jī)械手左右氣缸、伸縮氣缸、升降氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、手爪的抓取、阻擋缸的分揀、吸盤抓取的工件等工作.

2.2伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制

供料搬運(yùn)單元水平移動(dòng)及位置檢測(cè)精度要求較高，用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)定位控制［2］.圖3為伺服驅(qū)動(dòng)器接線圖.選用合信伺服驅(qū)動(dòng)器E10匹配伺服電機(jī)CTSD M16-B2012-M100.伺服驅(qū)動(dòng)器E10的DI數(shù)字輸入信號(hào)有伺服使能、解除報(bào)警、順/逆時(shí)針行程限位、齒輪比切換、脈沖輸入禁止、零速鎖定、位置偏差清除等；DO輸出有伺服準(zhǔn)備好、報(bào)警輸出、定位完成、零速檢測(cè)輸出等.

本設(shè)計(jì)通過(guò)編碼器線將伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)進(jìn)行連接.伺服電機(jī)接收來(lái)自驅(qū)動(dòng)器的電壓信號(hào)并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩量和轉(zhuǎn)速值驅(qū)動(dòng)移動(dòng)式機(jī)械手水平移動(dòng)［3］.旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)出伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，并將角位移轉(zhuǎn)換成脈沖值，通過(guò)內(nèi)置的高數(shù)計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)，從而判斷移動(dòng)式機(jī)械手在水平運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所處的位置.通過(guò)改變控制脈沖數(shù)的大小，就可控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移，從而控制移動(dòng)機(jī)械手在水平方向的移動(dòng)距離，實(shí)現(xiàn)水平方向的精確定位.

圖3　伺服控制系統(tǒng)接線圖

3　軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)供料搬運(yùn)單元控制要求及工藝流程，控制流程如圖4所示.程序按以下基本過(guò)程編寫：

（1）開(kāi)機(jī)后PLC進(jìn)入RUN狀態(tài)后，初始化系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)使能上電，移動(dòng)式機(jī)械手尋找參考點(diǎn)，所有電機(jī)及氣缸復(fù)位；

（2）當(dāng)給出啟動(dòng)信號(hào)后，主傳送帶、副傳送帶啟動(dòng)運(yùn)行；

（3）當(dāng)料筒中有工件時(shí)機(jī)械手按動(dòng)作程序抓取工件并送至主傳送帶上；

（4）工件在主傳送帶傳輸，到合適的位置后被分揀；

（5）移動(dòng)式機(jī)械手吸盤抓取工件，并水平移動(dòng)至料筒1或2的位置.

程序設(shè)計(jì)中采用S7-200本體PTO提供的應(yīng)用庫(kù)MAP SERV Q0.0輸出脈沖串來(lái)控制伺服電機(jī)的運(yùn)行，應(yīng)用庫(kù)MAP如圖5所示.編程設(shè)計(jì)中應(yīng)用了MAP庫(kù)中的參數(shù)定義功能塊Q0_0-CTRL，用于判斷伺服電機(jī)的當(dāng)前位置是否超出所設(shè)定的范圍［4］；尋找參考點(diǎn)位置功能塊Q0_0_Home，用于供料搬運(yùn)單元在啟動(dòng)、運(yùn)行結(jié)束后尋找參考點(diǎn)；停止運(yùn)動(dòng)功能塊Q0_x_STOP，用于使移動(dòng)式機(jī)械手減速直至停止；采用絕對(duì)位置移動(dòng)功能塊Q0_0_Move Absolute確定移動(dòng)式機(jī)械手在水平方向的不同位置.

移動(dòng)式機(jī)械手在料筒1、2、副傳送帶位置1、2等4個(gè)位置需要準(zhǔn)確定位以便抓取、放置工件.編程中MAP庫(kù)中絕對(duì)位置移動(dòng)功能塊Q0_0_Move Absolute實(shí)現(xiàn)這4個(gè)位置的定位.編程應(yīng)用如圖6所示，EXECUTE端是該功能塊的執(zhí)行位，當(dāng)該端接收到脈沖信號(hào)時(shí)，伺服電機(jī)以Velocity的速度運(yùn)行到Position指定的絕對(duì)位置，Done用于判斷伺服電機(jī)是否到達(dá)指定的絕對(duì)位置.在編程時(shí)只要對(duì)VD100賦4個(gè)定位距離對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)就可，當(dāng)定位不準(zhǔn)確時(shí)調(diào)整VD100對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù).采用功能塊編寫程序只需直接調(diào)用所需的功能塊，修改對(duì)應(yīng)的參數(shù)即可，這種編程方法避免了大量繁瑣的計(jì)算，既節(jié)省時(shí)間又能達(dá)到很好的效果.

圖4　控制流程圖

圖5　應(yīng)用庫(kù)MAP

圖6　功能塊Q0_0_Move Absolute的應(yīng)用

4　結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)供料搬運(yùn)單元的要求，設(shè)計(jì)基于PLC的控制系統(tǒng).該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)工件傳輸、分揀、抓取和移動(dòng)定位等自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn).在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，該系統(tǒng)具有機(jī)械手抓取工件牢固，分揀工件準(zhǔn)確，搬運(yùn)定位精確等優(yōu)勢(shì)，能夠滿足生產(chǎn)線供料搬運(yùn)單元控制精度的要求，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

參考文獻(xiàn)：

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A Design of Control System for Feed Handling Unit in Production Line Based on PLC

LIU Yan, HUANG Shasha, QIU Saisai, MIN Meiru
（School of Electrical and Automotive Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China）

Abstract：According to the control requirements of feeding handling unit in the production line, and the design of the control system for handling process based on PLC, the system with Siemens S7-200 PLC controller as the core, combined with asynchronous motor, high resolution servo motor, position sensor and material detection sensors element, realizes the function of the automatic transmission, sorting, grab and the location of feed handling the production process. Actual operation shows that the system has many advantages such as the firm grasping of the workpiece by the manipulator, the correct sorting of the workpiece and the accurate handling positioning so as to meet the requirements of high precision control of production line feeding handling unit.

Key words：feed handling unit；servo motor；control system；the MAP application library

中圖分類號(hào)：TH181；TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-2794（2016）02-0042-05

收稿日期：2015-06-06

通信作者：劉燕，教授，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化，E-mail：lyan@cslg.cn.