基于富士SPF的盤類料倉控制系統(tǒng)設(shè)計

田騰飛， 黃東

（寶雞機床集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞721000）

0 引 言

隨著社會進(jìn)步和基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展，在“中國制造2025”以及國際“工業(yè)4.0”的背景下，人們對自動化生產(chǎn)線的需求逐漸增多，要求也越來越高。自動料倉作為自動生產(chǎn)線中的物流設(shè)備，在工業(yè)自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用越來越多，對于料倉的搬運、提升性能和穩(wěn)定性的要求也越來越高，它的性能直接影響整條自動線的可靠性。

本系統(tǒng)所采用的伺服電動機轉(zhuǎn)矩范圍大、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快，量產(chǎn)化的伺服電動機成本反而低于特殊定制的大轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電動機。在速度控制模式下，通過伺服放大器的軟元件進(jìn)行I/O通信，配合外部傳感器實現(xiàn)電動機的啟?？刂?，用PLC邏輯控制分段速度的切換，可根據(jù)需求改變速度，操作便捷。

1 料倉的結(jié)構(gòu)組成

料倉由工位旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、毛坯上料提升機構(gòu)、成品下料提升機構(gòu)組成，如圖1所示。

旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)主要由變頻電動機、減速機和鏈條組成；提升運動機構(gòu)主要由伺服電動機、皮帶輪傳動機構(gòu)、絲桿組成。

2 控制系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)采用富士最新推出的綜合控制器MICREXSX可編程控制器SPF，該控制器支持機械控制所需的序列命令運算功能或高速數(shù)據(jù)處理，最大支持60點基本輸入輸出硬線接口，內(nèi)存容量支持程序20Kstep和數(shù)據(jù)40Kword，可支持RS-232C、RS-485、Ethernet通信，輸出類型有繼電器輸出和晶體管輸出，晶體管輸出支持漏級輸出和源級輸出選型。

ALPHA5 Smart系列伺服放大器是富士電動機新推出的高性價比伺服放大器，集成ALPHA5 的核心功能，其便捷的設(shè)計可適用于各種各樣的用途，支持位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制3種控制模式，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)型定位功能。可通過Modbus-RTU、DI/DO信號、脈沖串/模擬量輸入進(jìn)行控制運行。

圖1 料倉結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了滿足不同尺寸、不同質(zhì)量盤類毛坯的提升托舉定位，采用速度控制的方式，結(jié)合外部傳感器，通過DI/DO指令輸出序列的硬接線控制伺服放大器的運行，實現(xiàn)毛坯托盤的上升和下降，達(dá)到滿負(fù)載可靠自動運行的目的。

3.1 硬件配置

PLC主機選擇漏型輸出，直接與放大器的DI/DO接口通信，伺服電動機選擇增量式編碼器，旋轉(zhuǎn)移動控制電動機選擇變頻電動機即可滿足使用要求，硬件配置清單如表1所示。

3.2 硬件連接原理

表1 硬件配置清單

在伺服放大器的指令輸入輸出序列軟元件上分配功能信號，速度控制只需分配正轉(zhuǎn)信號、反轉(zhuǎn)信號、速度選擇信號、使能信號、驅(qū)動報警信號即可滿足料倉的控制需要。外圍傳感器信號接入PLC經(jīng)過邏輯處理輸出至伺服放大器，實現(xiàn)料倉的自動運行。

富士電動機的ALPHA5 Smart系列伺服放大器支持輸入輸出序列軟元件功能分配的接口為CN1插頭，PLC基本單元NAOPA60T和擴展DO模塊NAOE08T-O為晶體管漏型輸出，輸入選擇24 V輸入。因此為了使PLC和伺服放大器DI/DO信號兼容，CN1插頭的COMIN和COMOUT接入系統(tǒng)DC24 V（L+）。CONT1～CONT5端口為輸入信號，OUT1～OUT3為輸出信號。CONT1的設(shè)定參數(shù)PA3_01=1，CONT2 的 設(shè) 定 參 數(shù)PA3_02=2，CONT3 的 設(shè) 定 參 數(shù)PA3_03=3，CONT4的設(shè)定參數(shù)PA3_04=51，CONT5的設(shè)定參數(shù)PA3_05=52。OUT1的設(shè)定參數(shù)PA3_51=1，OUT2的設(shè)定參數(shù)PA3_52=14，OUT3的設(shè)定參數(shù)PA3_53=76。

伺服放大器選擇RYH401F5-VV2，采用單項AC220 V供電可以滿足要求，匹配帶抱閘電動機為GYB401D5-RG2-B，增量式編碼器反饋。伺服控制硬件連接原理圖如圖2所示。

圖2 伺服控制硬件連接原理圖

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在該控制系統(tǒng)中，包括伺服控制的上料位、下料位提升機構(gòu)和變頻控制的托盤工位旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)，利用PLC可編程控制器的步序控制實現(xiàn)邏輯控制。

4.1 邏輯流程設(shè)計

系統(tǒng)初始狀態(tài)→判斷托盤工位是否旋轉(zhuǎn)到位→判斷該工位托盤上的物料是否是毛坯→判斷上料位提升機構(gòu)是否到達(dá)向上方向最高位置，或者下料位提升機構(gòu)是否到達(dá)向下方向最低位置→判斷上料位提升機構(gòu)和下料位提升機構(gòu)是否都在最低位置→料盤工位正轉(zhuǎn)。如有異常情況，執(zhí)行以上所有步序復(fù)位，停止運行。

圖3所示為伺服控制的上料位和下料位提升機構(gòu)，實現(xiàn)了自動判斷、自動定位、自動物料流轉(zhuǎn)傳送功能。

圖4所示為伺服控制的原理，利用伺服的閉環(huán)控制和高分辨率編碼器反饋，對電動機實現(xiàn)了精準(zhǔn)控制，結(jié)合外圍傳感器，使整個系統(tǒng)形成閉環(huán)回路，保證自動料倉的可靠運行。

圖3 伺服提升模塊流程圖

4.2 PLC控制程序設(shè)計

圖4 伺服控制系統(tǒng)原理圖

本控制系統(tǒng)的編程軟件選擇較為直觀的MICREX-SX Standard V3標(biāo)準(zhǔn)版，使用LAD邏輯語言，另外還有專家版的MICREXSX Expert（D300win）可以選擇。主要軟件信號定義如表2所示。

料倉的提升速度不需要實時改變，因此預(yù)先在伺服放大器設(shè)置兩段速度V1和V2分別作為有料慢速和無料快速運行速度，按3.2節(jié)所述內(nèi)容分配伺服放大器CN1輸入輸出序列軟元件，完成參數(shù)配置。

PLC程序首先進(jìn)行初始化處理，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和異常情況處理。狀態(tài)正常時，伺服放大器使能（SON）后返回準(zhǔn)備好（RDY）信號，系統(tǒng)自動打開抱閘，可以通過操作面板對料庫進(jìn)行各種方式控制。初始化主要部分程序如圖5所示。

表2 PLC信號定義

圖5 初始化主要部分程序

富士新推出的SPF系列可編程控制器支持Sn.0-Sn.98步序控制，自動運行的程序采用步序控制的方式進(jìn)行編寫，邏輯層次嚴(yán)謹(jǐn)、簡明易懂，擴展性比較強，可以根據(jù)需求增加其他動作機構(gòu)的步序。步序控制的主要程序如圖6所示。

5 結(jié) 語

自動料倉兩個物料提升工位選擇伺服放大器的速度控制，按照80 kg的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，可以穩(wěn)定實現(xiàn)滿負(fù)載、大轉(zhuǎn)矩提升。工位旋轉(zhuǎn)采用變頻電動機，實現(xiàn)了最佳性價比。實際測試本控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，滿足自動化設(shè)備的自動上下料、物料存儲功能，可作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品配套自動化單元使用。

圖6 步序控制的主要程序