基于PLC的特殊容器自動裝卸裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范志恒，楊大志，黃仁杰，柳忠彬，段林

(1.四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川宜賓 644000；2.中核建中燃料元件有限公司，四川宜賓 645154)

0 前言

隨著社會進(jìn)步和科技發(fā)展，作為提高人類生活質(zhì)量的特種設(shè)備——特殊壓力容器的使用量日益增加。目前使用最多的是具有分離、儲存、反應(yīng)等功能的容器。此設(shè)計(jì)主要針對用于危險(xiǎn)品儲存的移動式壓力容器。

移動式壓力容器在全球貿(mào)易中扮演著重要作用，它可以用于運(yùn)輸維持人類生存和科技發(fā)展必需的生活原料、工業(yè)原料、化學(xué)原料，如液化氣、有機(jī)化學(xué)合成原料、放射性原料等[1]。移動式壓力容器的使用與危險(xiǎn)品息息相關(guān)，若操作不當(dāng)會造成環(huán)境污染甚至人員傷亡。目前該種容器大多還是由人工進(jìn)行裝配和拆卸。為了減小這種危險(xiǎn)，使這種容器的封裝、拆卸更加標(biāo)準(zhǔn)化；也為了解放勞動力，降低人工成本，本文作者提出由PLC與觸摸屏構(gòu)成控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)容器的自動化裝配。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

特殊容器自動裝卸裝置結(jié)構(gòu)主要有部件抓取模塊、光纖定位模塊、工位回轉(zhuǎn)臺、螺栓就位機(jī)械手、螺栓擰緊平臺、防脫落安全聯(lián)鎖模塊等[2-3]。部件抓取模塊主要包含了絲桿模組、真空抓盤、伸縮電缸、驅(qū)動電機(jī)、光纖傳感器、物位開關(guān)等。系統(tǒng)各模塊主要功能為：

(1)部件抓取模塊。氣爪開合由電磁閥控制，抓取部件時(shí)由水平絲桿模組與垂直電缸模組定位部件坐標(biāo)，抓取時(shí)開啟真空負(fù)壓將物體表面牢牢吸附。由光纖傳感器判斷部件夾取位置是否合理，以及運(yùn)動過程中部件是否脫落。

(2)光纖定位模塊。系統(tǒng)每次啟動時(shí)，均要對各部件進(jìn)行定位，判斷位置是否合理，不合理則配合工位回轉(zhuǎn)臺進(jìn)行位置調(diào)整。

(3)螺栓就位機(jī)械手。采用氣缸控制引導(dǎo)絲迫使螺栓沿引導(dǎo)絲軌跡運(yùn)動，從而改變螺栓當(dāng)前狀態(tài)。例如將螺栓扶正準(zhǔn)備擰緊，或?qū)⒙菟〒芟聹?zhǔn)備拆卸部件。

(4)螺栓擰緊模塊。由4個(gè)對稱測力矩套筒對螺栓定量擰緊或旋松。套筒內(nèi)部配備扭矩傳感器，用于監(jiān)測實(shí)時(shí)扭矩值。4個(gè)套筒固定于1個(gè)平面，通過氣缸和導(dǎo)向桿實(shí)現(xiàn)整個(gè)平臺的穩(wěn)定運(yùn)動。

(5)安全聯(lián)鎖模塊。氣爪上配備光纖傳感器，用于判斷抓取位置是否合理和監(jiān)測抓取部件是否脫落，若發(fā)生脫落則系統(tǒng)停止并報(bào)警；擰緊平臺下方也具有光纖傳感器，若部件在擰緊過程脫落，則系統(tǒng)報(bào)警；最后水平模組與垂直電缸模組均在合適位置配備接近開關(guān)，當(dāng)模組移動位置抵達(dá)接近開關(guān)時(shí)裝置自動停止，防止機(jī)構(gòu)損壞甚至人員損傷。

圖1 特殊容器自動裝卸裝置結(jié)構(gòu)簡圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

此系統(tǒng)采用2臺西門子S7-1214C+HMI的控制模式。PLC與HMI之間采用Enthernet通信，三者通過工業(yè)交換機(jī)構(gòu)成小型局域網(wǎng)，并結(jié)合多種傳感器、電機(jī)及電磁閥等執(zhí)行元件，使其具有數(shù)據(jù)采集、運(yùn)動控制、故障報(bào)警等功能[4]。

驅(qū)動器采用雷賽CL86H型，其運(yùn)用32位DSP電機(jī)控制芯片和閉環(huán)控制技術(shù)，徹底克服了開環(huán)步進(jìn)電機(jī)丟步的問題，電機(jī)性能顯著提升，并且電機(jī)發(fā)熱狀況進(jìn)一步降低。采用8臺步進(jìn)電機(jī)及1臺伺服電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動控制，并額外為交流伺服外加繼電器抱閘，防止裝置意外失電時(shí)抓取物掉落產(chǎn)生事故。根據(jù)PLC各I/O狀態(tài)及邏輯關(guān)系，系統(tǒng)可持續(xù)刷新各機(jī)構(gòu)狀態(tài)并實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上。另外系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會為氣動管路施加0.6 MPa氣壓，并利用PLC控制兩位五通電磁閥使機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動，至此完成整個(gè)控制系統(tǒng)架構(gòu)[5-6]。

圖2 控制系統(tǒng)配置

2.2 控制系統(tǒng)I/O分配

控制分為兩部分：一部分為1214C DC/DC/DC外加2個(gè)1223 16 DI/16 DQ模塊，該部分使用35路輸入點(diǎn)，31路輸出點(diǎn)；另一部分為1214C DC/DC/RLY外加SM1222 16DQ與SM1231 4AI，這部分使用10路輸入點(diǎn)，20路輸出點(diǎn)，4路模擬量輸入。系統(tǒng)主要I/O分配見表1。

表1 PLC1輸入輸出點(diǎn)定義

表2 PLC2輸入輸出點(diǎn)定義

表3 扭矩傳感器主要參數(shù)

第二部分PLC主要是控制擰緊機(jī)構(gòu)，并對扭矩傳感器采集到的模擬量信號進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化，同時(shí)對機(jī)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，最終將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)至觸摸屏[7]?；蛲ㄟ^觸摸屏改變數(shù)值來操控螺栓擰緊機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度、運(yùn)作方式、操作閾值等。

2.3 旋轉(zhuǎn)定位裝置設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)定位裝置主要由2臺24 V光纖信號放大器組成，放大器收發(fā)信號端搭配2 m光纖探頭，其有效距離為200 mm。當(dāng)光源經(jīng)過入射光纖送入調(diào)制區(qū)，然后編程被調(diào)制的信號光，最后經(jīng)過解調(diào)器獲得各被測參數(shù)呈現(xiàn)到顯示屏上。

該裝置中設(shè)定螺栓連接處為定位位置，PLC采集到信號放大器輸出信號時(shí)，經(jīng)過程序處理做出相應(yīng)位置調(diào)整[8]。相關(guān)計(jì)算過程如下：

螺栓連接處弧長為L，代入公式(1)可得對應(yīng)圓心角度數(shù)n1(°)為

L=n1πR

(1)

回轉(zhuǎn)臺以角速度ω旋轉(zhuǎn)時(shí)間t，走過的路程l為

l=ωRt

(2)

將式(2)代入式(1)可得此時(shí)圓周角為n2(°)，然后補(bǔ)償角度N為

N=n2-n1

(3)

將計(jì)算得到的補(bǔ)償角度N發(fā)送給軸工藝對象，若N為正值，則回轉(zhuǎn)工作臺逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)N；若N為負(fù)值，回轉(zhuǎn)工作臺順時(shí)針旋轉(zhuǎn)N。

旋轉(zhuǎn)過程中通過固定旋轉(zhuǎn)靠模與氣缸伸縮式定位輪實(shí)現(xiàn)外桶定心，防止運(yùn)動過程中容器偏移中心位置。螺栓旋轉(zhuǎn)定位裝置如圖3所示。

圖3 螺栓旋轉(zhuǎn)定位傳感器

2.4 擰緊平臺的設(shè)計(jì)

升降平臺主體為位于同一平面的4個(gè)套筒扳手，其驅(qū)動力由4臺步進(jìn)電機(jī)提供，并配備減速比為1∶20的減速器[9]。擰緊平臺是裝置核心部件，故電機(jī)選型尤為重要。若電機(jī)功率過小，很容易出現(xiàn)“小馬拉大車”的現(xiàn)象，使電機(jī)長期過載過熱從而損壞；若電機(jī)功率過大，則功率因數(shù)和效率都較低，加重供電系統(tǒng)負(fù)荷，浪費(fèi)電能[10-11]。

此裝置針對的螺栓公稱直徑8 mm，強(qiáng)度等級為6.8，屈服強(qiáng)度480 N/mm2，根據(jù)普通螺栓擰緊力矩國家標(biāo)準(zhǔn)可知螺栓擰緊力矩范圍為17～23 N·m，根據(jù)此項(xiàng)計(jì)算電機(jī)需求最低扭矩：

(4)

其中：T為扭矩；P為電機(jī)功率；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。結(jié)合電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速，與需求擰緊力范圍比較，即可選出合適的電機(jī)型號[12]。

套筒與螺栓的結(jié)合、分離由氣缸與4根導(dǎo)向柱配合完成，升降平臺較重且內(nèi)部空間有限，故需要根據(jù)氣缸輸出拉力選擇合適的型號。

(5)

由式(5)得知：可根據(jù)平臺拉力F與氣缸工作氣壓選擇合適缸徑D的氣缸[13]。

螺栓擰緊(拆卸)控制模式由程序進(jìn)行預(yù)定，采用對稱均衡作業(yè)方式，按力矩梯度分2次擰緊。擰緊套筒內(nèi)部連接扭矩傳感器，用于實(shí)時(shí)扭矩監(jiān)測。此裝置選用上海隆旅LONGLV-NJL101系列扭矩傳感器，其綜合精度為0.5%FS(線性+重復(fù)性+滯后)，即0.25 N·m，輸出靈敏度1.0～2.0 mV/V，響應(yīng)時(shí)間不大于100 μs，在0～50 N·m內(nèi)有效，滿足控制需求。搭配LONGLV-62C扭矩信號放大器，可在18～30 V DC激勵電壓下，實(shí)現(xiàn)0～10 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號的變送輸出，供PLC讀取扭矩值。

擰緊過程中，通過比較設(shè)定扭矩與實(shí)時(shí)扭矩值控制扳手啟停。PLC2讀取扭矩傳感器數(shù)值并進(jìn)行模擬量處理，模擬量轉(zhuǎn)換使用子程序標(biāo)準(zhǔn)化NORM_X和縮放 SCALE_X，轉(zhuǎn)換公式為

(6)

式中：Xout為實(shí)際測量值；X1value為信號輸入模擬量；X1max為傳感器模擬量上限；X1min為傳感器模擬量下限；X2max為傳感器量程上限；X2min為傳感器量程下限。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制主體流程

工人將部件放置于指定工位后啟動裝置，啟動設(shè)備時(shí)定位機(jī)構(gòu)與鎖緊氣缸將部件限制在正確位置。然后水平與垂直模組電機(jī)驅(qū)動機(jī)械爪抓取部件并組裝。再利用引導(dǎo)絲配合旋轉(zhuǎn)平臺迫使螺栓狀態(tài)改變，最后由扭力扳手進(jìn)行定量擰緊后將成品送出。

程序執(zhí)行時(shí)，首先會對各部件進(jìn)行位置糾正，直到感應(yīng)開關(guān)感應(yīng)到正確位置。定位模塊系統(tǒng)流程如圖4所示。然后機(jī)械手對各部件進(jìn)行組裝，將組裝后的容器送入擰緊工位，扶正機(jī)構(gòu)會將螺栓全部扶正。最后擰緊平臺對螺栓進(jìn)行擰緊，第一次是對各螺栓預(yù)擰緊，一組螺栓擰緊后，外桶回轉(zhuǎn)切換另一組螺栓，直至每顆螺栓預(yù)擰緊完成。預(yù)擰緊完成后進(jìn)行正式擰緊，擰緊力矩達(dá)到設(shè)定值后完成整個(gè)工藝，最終將容器送回初始工位?？刂葡到y(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖4 光纖定位模塊流程

圖5 控制系統(tǒng)流程

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用MCGS昆侖通態(tài)觸摸屏，該觸摸屏自帶組態(tài)與仿真開發(fā)工具。組態(tài)界面分為五大功能塊：自動裝配、自動拆卸、參數(shù)設(shè)置、手動控制、工藝組合[14]。

通過交換機(jī)連接觸摸屏HMI與PLC，三者之間只需將PLC與HMI觸摸屏IP地址設(shè)置到同一網(wǎng)段即可進(jìn)行信息交互。如圖6所示，調(diào)試界面下可以實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)。調(diào)試界面包含了各回轉(zhuǎn)臺調(diào)試、螺栓擰緊平臺內(nèi)部調(diào)試、氣動系統(tǒng)調(diào)試等，可對整個(gè)工藝流程進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)控以及實(shí)現(xiàn)參數(shù)的可視化呈現(xiàn)[15]。

圖6 HMI觸摸屏界面

為了優(yōu)化操作人員對設(shè)備的控制，通過HMI參數(shù)設(shè)定界面可以實(shí)時(shí)查詢設(shè)備預(yù)設(shè)的各參數(shù)，并對運(yùn)動參數(shù)等進(jìn)行快速修改，從而確保設(shè)備運(yùn)行時(shí)的高效及準(zhǔn)確性。不僅如此，此套設(shè)備還具備報(bào)警功能，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，綠燈閃爍；設(shè)備運(yùn)行故障時(shí)，紅燈閃爍，并在HMI觸摸屏界面輸出故障代碼，便于工人查看故障原因，從而有效進(jìn)行快速檢修，降低損失。

4 結(jié)語

此系統(tǒng)充分發(fā)揮了PLC的控制優(yōu)勢，降低了裝配失誤率，提高了裝配精度和裝配效率。根據(jù)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確完成用戶預(yù)設(shè)功能，上位機(jī)監(jiān)控軟件也能直觀反映裝置狀態(tài)。搭載此控制系統(tǒng)的設(shè)備目前已投入使用，運(yùn)行情況良好，基本滿足需求。下階段的研究會著力于提升裝配速度以及控制系統(tǒng)的集中控制能力。