基于PLC的港口貨物搬運控制系統(tǒng)設(shè)計*

馬　帥，秦　濤，馬幸福

(湖北文理學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北　襄陽　441053)

0　引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)實力的提升，對外貿(mào)易量也在不斷增加，為了提高港口貨物搬運的可靠性和安全性并保證搬運效率，實現(xiàn)貨物的自動化搬運逐漸成為人們關(guān)注的熱點?，F(xiàn)階段，起重機(jī)搬運和叉車搬運是港口貨物搬運過程中常采用的方式[1]，起重過程中存在的鋼絲繩繩卡斷裂和脫落問題[2]使得貨物的安全性難以保證，因此起重機(jī)的搬運方式并不能很好地滿足當(dāng)下港口貨物的搬運需求。叉車搬運使得貨物的安全性得到了保證，而對于大型或超大型貨物，叉車的負(fù)載能力限制了其搬運能力，且叉車不能實現(xiàn)自動化搬運，導(dǎo)致貨物的搬運效率不高。PLC可編程邏輯控制器由于具有高可靠性、易于編程、方便控制的特點而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[3]，本文設(shè)計了一種基于PLC控制的港口貨物搬運系統(tǒng)，可以減輕人力成本、實現(xiàn)貨物搬運的精確定位，能夠較好地滿足港口貨物搬運的安全可靠及操控方便等控制要求。

1　港口貨物搬運系統(tǒng)總體方案

港口貨物搬運系統(tǒng)的控制模型如圖1所示，通過搬運機(jī)械手將貨物從存放點A搬運至存放點B，整個系統(tǒng)由PLC控制，可采用手動操作和自動控制的方式，機(jī)械手在移動過程中的位置狀態(tài)通過觸發(fā)限位開關(guān)進(jìn)行控制。

通過對搬運系統(tǒng)控制過程和功能要求的分析，明確系統(tǒng)的控制要求。自動控制環(huán)境下，要求系統(tǒng)能夠連續(xù)運行，按下自動/手動轉(zhuǎn)換按鈕后，機(jī)械手按圖1所示的控制路線能夠連續(xù)工作一個周期。一個周期的工作過程如下：原點位機(jī)械夾爪觸發(fā)器失電處于夾緊位，按下系統(tǒng)的自動按鈕，機(jī)械夾爪得電松開并保持2 s，2 s計時結(jié)束后機(jī)械夾爪夾緊；隨后升降電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)械手從原點位置下降至存放點A，觸發(fā)下限位開關(guān)后停止移動，機(jī)械夾爪松開并保持2 s，2 s計時結(jié)束后機(jī)械夾爪失電夾緊，機(jī)械手上移直至觸發(fā)上限位開關(guān)，PLC接收機(jī)械手狀態(tài)信息，使平移電機(jī)正轉(zhuǎn)觸發(fā)器接通，平移電機(jī)驅(qū)動機(jī)械手右移。右移觸發(fā)右限位開關(guān)后下降直至機(jī)械手停止移動，機(jī)械夾爪松開貨物并保持2 s，將貨物放至存放點B;2 s計時結(jié)束后機(jī)械夾爪失電夾緊，機(jī)械手開始上移依次觸發(fā)上限位開關(guān)完成上移指令，觸發(fā)左限位開關(guān)完成左移指令后回到原點。一個周期內(nèi)，完成所有指令實現(xiàn)貨物從存放點A搬運至存放點B的功能。

圖1　港口貨物搬運機(jī)械手控制系統(tǒng)模型

手動操作環(huán)境下，機(jī)械手搬運貨物的過程中每個動作均能單獨操作，可以控制機(jī)械手回到原點位置。在自動控制狀態(tài)下按下系統(tǒng)的停止按鈕，機(jī)械手搬運系統(tǒng)停止運轉(zhuǎn)，若再按下自動控制按鈕，由于PLC控制具有斷電保持的記憶特點，可以在系統(tǒng)恢復(fù)電力時繼續(xù)斷電之前的動作以保證系統(tǒng)動作的完整性。港口貨物機(jī)械手搬運系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

2　軟件控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1　I/O點的估算

通過對PLC控制系統(tǒng)分析可知，搬運系統(tǒng)具有自動控制和手動操作兩套方案，共有12個輸入點，6個輸出點。根據(jù)控制系統(tǒng)需要具備的功能分析，可以確定編程元件編號并完成PLC的選型。

2.2　PLC的選擇

FX2N系列PLC是FX系列中最高檔次的程序裝置模塊，擁有高速度、高性能、邏輯選件以及定位控制等特點。除了輸入輸出16點～25點的獨立用途外，還可以擴(kuò)大控制點數(shù)，以適用于在多個基本組件間的連接、定位控制、模擬控制等特殊用途，是一套可滿足多樣化廣泛需求的PLC裝置[4]。

圖2　港口貨物搬運系統(tǒng)的工作流程

通過對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能要求的詳細(xì)分析以及I/O點的估算，本文選用三菱FX2N-48MR PLC，具有24個輸入點和24個輸出點，可滿足外部接線需留有10%～20%余量的要求。

2.3　I/O分配表設(shè)計

通過對PLC系統(tǒng)外部接線圖的分析，可以確定所需編程元件編號。港口貨物機(jī)械手搬運PLC控制系統(tǒng)的I/O分配表如表1所示。

2.4　外部接線圖設(shè)計

通過對港口貨物機(jī)械手搬運控制系統(tǒng)的功能及技術(shù)要求的分析，設(shè)計出的PLC外部接線圖如圖3所示。

2.5　SFC圖和梯形圖設(shè)計

自動控制程序的設(shè)計基于三菱GX developer軟件,采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖(SFC)的編程方式，系統(tǒng)的SFC圖如圖4所示。搬運系統(tǒng)的自動控制方案如下：按下自動/手動轉(zhuǎn)換SB按鈕后，自動控制主程序通電，M8000在PLC工作中一直保持閉合狀態(tài)，此時程序處于初始化狀態(tài)S0，當(dāng)機(jī)械手處在原點且按下自動啟動按鈕SB2后，進(jìn)入狀態(tài)S20，此時機(jī)械夾爪得電保持松開狀態(tài)2 s，這一狀態(tài)下工作人員可以檢查機(jī)械夾爪是否完好；2 s計時結(jié)束后機(jī)械夾爪失電夾緊，升降電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)械手下降直至觸發(fā)下限位開關(guān)ST2，隨后升降電機(jī)停止工作，機(jī)械夾爪得電松開并維持2 s，2 s計時結(jié)束后機(jī)械夾爪失電夾緊，同時升降電機(jī)反轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)械手上升直至觸發(fā)上限位開關(guān)ST1；PLC接收狀態(tài)信息，控制平移電機(jī)正轉(zhuǎn)觸發(fā)器進(jìn)而驅(qū)動機(jī)械手右移直至觸發(fā)右限位開關(guān)ST4，此時升降電機(jī)正轉(zhuǎn)觸發(fā)器得電驅(qū)動機(jī)械手下降，待觸發(fā)下限位開關(guān)ST2后升降電機(jī)停止運轉(zhuǎn)并進(jìn)入下一狀態(tài)，此時機(jī)械夾爪電磁閥得電，夾爪松開并保持2 s，貨物下放至存放點B，2 s計時結(jié)束后機(jī)械夾爪電磁閥失電夾緊，升降電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動機(jī)械手上升直到觸發(fā)上限位開關(guān)ST1，緊接著機(jī)械手左移觸發(fā)左限位開關(guān)ST3，平移電機(jī)停止工作，機(jī)械手復(fù)位，完成一次搬運工作。

表1　機(jī)械手搬運PLC控制系統(tǒng)I/O點分配表

圖3　PLC控制系統(tǒng)外部接線圖

手動操作程序的設(shè)計基于三菱FX-TRN-BEG-C軟件，采用梯形圖編程的方式，系統(tǒng)的梯形圖如圖5所示。手動操作環(huán)境下按下停止按鈕SB1，將S20到S28區(qū)間內(nèi)的所有狀態(tài)繼電器全部復(fù)位，按下自動/手動轉(zhuǎn)換按鈕SB，復(fù)位機(jī)械夾爪，此時可以檢查機(jī)械夾爪是否完好。手動按下左限位和上限位開關(guān)可使機(jī)械手復(fù)位到原點位置。若此時按下自動/手動轉(zhuǎn)換按鈕SB，手動操作程序跳轉(zhuǎn)至自動控制程序，實現(xiàn)手動操作和自動控制的切換。若依舊采用手動操作的方式，按下手動上升按鈕SB3，X4置1，機(jī)械手到達(dá)上限位開關(guān)位置；按下手動下降按鈕SB4,X10置1，機(jī)械手到達(dá)下限位開關(guān)位置。隨后松開手動下降按鈕，按下機(jī)械夾爪手動放松按鈕，夾爪打開，松開按鈕，夾爪電磁觸發(fā)器失電，貨物被夾緊。依次按下手動上升、手動右移、手動下降按鈕后，機(jī)械手夾緊貨物從存放點A移動到存放點B上方位置。按下機(jī)械夾爪手動放松按鈕，夾爪打開，貨物放至存放點B。將按鈕按下的先后順序顛倒可實現(xiàn)機(jī)械手從存放點B歸位至原點的功能。

圖4　自動控制系統(tǒng)的SFC圖設(shè)計

一次完整的貨物搬運可分別通過自動控制或手動操作的方式實現(xiàn)。同時，為了在某些特殊場合能夠人機(jī)交替控制貨物搬運，本文的PLC控制程序在設(shè)計過程中將兩套控制程序相互嵌套，可以自由切換，靈活使用。

3　結(jié)論

本文所設(shè)計的港口貨物搬運系統(tǒng)采用PLC控制，結(jié)合對外貿(mào)易需求以及搬運過程中的技術(shù)規(guī)范，對貨物搬運路線以及PLC控制程序進(jìn)行設(shè)計，可實現(xiàn)貨物的自動搬運和手動操作控制。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，貨物搬運機(jī)械手可靠性高，PLC控制程序修改方便易于擴(kuò)充，在節(jié)約勞動力、保證貨物安全的同時大大提高了港口貨物的搬運效率，可以用于出海港口貨物搬運現(xiàn)場。

圖5　手動操作系統(tǒng)的梯形圖

參考文獻(xiàn)：

[1]楊建國.國際競爭視角下港口物流業(yè)的發(fā)展機(jī)遇與科技創(chuàng)新[J].港口經(jīng)濟(jì),2015(11):45-47.

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[3]陳潔.新技術(shù)形勢下PLC的發(fā)展前景[J].機(jī)械工程與自動化,2004(4):84-85.

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