基于PLC和伺服的砌塊碼垛機控制系統設計
2020-2-25 來源：- 作者：程永強
摘 要：該文設計了一種用于砌塊行業的碼垛機控制系統.該系統使用西門子PLC對伺服電動缸進行夾緊控制，對升降、橫移及旋轉電機進行變頻控制，并采用編碼器對升降、橫移及旋轉位置進行精確測量，實現碼垛各個動作的平滑調速，使設備運行更平穩.觸摸屏畫面的設計，實時監控設備的運行狀態和位置，使得人機交互更加友好.該碼垛機投入使用后，控制系統性能穩定、碼垛周期短，極大地提高了混凝土砌塊成型生產線的自動化水平和生產效率.
關鍵詞：PLC；伺服；碼垛機；控制系統
自動碼垛機是機、電、液一體化高新技術產品，中、低位碼垛機可以滿足中低產量的生產需要，可按照要求的編組方式和層數，完成對箱體、砌塊等各種產品的碼垛.隨著人口紅利的消失，混凝土砌塊的生產，逐步從單機走向全自動化生產線［1］，其中干產品砌塊的碼垛是砌塊生產線中的一道重要工序，一臺碼垛機至少可以代替兩個工人.當前在全自動混凝土砌塊生產線常用四爪碼垛機，因其經濟實用被歐洲及國內許多廠商采用［2］.碼垛機的核心單元是執行機構，目前常用的有液壓式、機械式、機械液壓相結合三種.本文選用機械式的執行機構，設計一種基于PLC的碼垛機控制系統，見圖1，其控制系統采用PLC和觸摸屏技術，結合伺服驅動和變頻調速，并采用編碼器進行位置檢測，減少限位開關的使用，布線簡單，速度控制靈活、響應快，位置控制精度高，大大縮短了碼垛周期。
圖1 碼垛機實物圖
1、 碼垛機機械結構及工作原理
碼垛機主要由龍門支架、旋轉總成、橫移小車、升降總成、夾頭總成、成品輸送機和降板節距機等組成，見圖 2.其中升降、橫移和旋轉都是采用電機驅動，變頻控制.夾頭總成由四個夾爪組成，圖中左右方向為一對夾爪，稱為主夾，前后方向為一對夾爪，稱為副夾，兩對夾爪均采用機械同步，由兩個伺服電動缸實現夾緊與釋放.碼垛機橫移行程為 2400mm，升降行程為 1335mm，伺服電動缸的行程為500mm，額定推力15kN，額定速度 166mm/s，重復定位精度 0.02mm.碼垛機的具體工作原理如下。
圖2 碼垛機機械示意圖
（1）機械手初始位置在左邊，高度離地面1.1m的位置，也就是抓取工作位置上方，等待送磚到位信號，磚到位后，機械手下降到下限位，主夾夾緊，副夾夾緊，夾緊后上升。
（2）上升到位后橫移小車右移，同時旋轉電機順時針旋轉90°，由于旋轉行程較短，旋轉位置先到達。
（3）橫向移動到右限位到達托盤正上方后，升降電機驅動機械手下降，下降的高度由不同磚的高度和目標層數決定，使用編碼器對升降高度進行精確檢測，到位后主夾釋放，副夾釋放。
（4）釋放到位后升降電機驅動機械手上升，上升到位后橫移小車左移，同時逆時針旋轉90°，移動到左限位，然后下降，機械手回到初始位置，等待下次抓取。
（5）夾爪的行程（最大張開范圍）可以根據砌塊的尺寸進行調節，以提高碼垛效率。
2、 碼垛機控制系統設計
本文中的碼垛機控制系統由PLC控制器、觸摸屏、傳感檢測元件、驅動執行機構等部分組成，如圖3所示.
圖3 碼垛機控制系統組成框圖
圖3中，夾緊電動缸實現四個方向的夾緊與釋放，采用伺服電機進行驅動，便于實現精確快速抓取和釋放；升降、橫移及旋轉均采用三相異步電機驅動，使用變頻器進行調速.傳感檢測元件包括編碼器和開關量傳感器，升降方向的編碼器與變頻器配合，實現多層碼垛以及位置的精確控制；橫移和旋轉動作，實現高低速的靈活切換，使各個動作速度更加順暢，同時節省許多減速傳感器，使布線更方便.開關量傳感器包括限位開關、電感式接近開關和光電開關，其中行程開關、電感式接近開關分別用于檢測橫移極限位置、旋轉極限位置，起到雙重保護作用；光電開關則是用來檢測磚是否到位；傳感檢測元件將采集到的現場信息反饋給PLC，PLC發出指令控制伺服和變頻執行相應的動作.觸摸屏選用西門子 Smart1000 IE，通過 RS485 與 PLC 進行通信，接受操作人員的指令，并可以實時監控碼垛機的運行狀態，若現場發生故障時，工作人員可以通過觸摸屏給PLC發送命令進行處理。
2.1 PLC選型及I/O地址分配
根據系統控制要求和控制功能分析，選德國西門子的 S7-200 系列 CPU224 XP CN 作為核心控制單元，另外擴展一個 EM223 CN（16 點輸入/16 點輸出）模塊、一個 EM221 CN（16 點輸入）模塊和一個 EM232（2 入模擬量輸出）模塊.CPU224XP 集成 14 輸入/10 輸出共 24 個數字量 I/O 點，2輸入/1輸出共3個模擬量I/O點，6個獨立的高速計數器（100kHz），2個100kHz的高速脈沖輸出。
該型號PLC結構緊湊、處理速度快、價格適中，且具有一定的擴展能力，主要用于控制變頻器、伺服驅動器、接收編碼器的高速脈沖及其他外部I/O 數字量的處理等任務.控制系統的輸入輸出地址分配表如表1、表2所示。
表1 控制系統輸入地址分配表
表2 控制系統輸出分配表
2.2 伺服控制器參數設置及接線
伺服電動缸的伺服電機采用的是北京和利時3kW/3000轉帶剎車伺服電機，配HS系列驅動器.采用位置模式接線方式，如圖 4 所示.HS 系列伺服驅動器的脈沖輸入端口電平為標準 TTL 電平，脈沖和方向信號必須配置合適的限流電阻值，否則會造成端口損壞.當VCC=24V±5%時，R=2kΩ/0.25W.圖 4 中 4 和 20 端子為扭矩到達（AT?TRQ）信號，當扭矩達到 Fn 049 設定時，4 和 20 導通，表示夾緊到位.6 和 22 端子為報警信號.參數配置如下：控制模式 Fn 000 設為 1，通常的控制端口硬線連接工作模式；Fn 001設為2，外部脈沖位置模式；外部脈沖指令方式的旋轉Fn 038設為1，單脈沖正邏輯；電子齒輪比 Fn 050（分子）設為5，Fn 054（分母）設為 2，當 PLC 產生 200kHz 脈沖時，伺服電機達到最大轉速3000r/min，電動缸的速度達到 166mm/s，實際使用時，在觸摸屏上輸入電動缸需要的最大運行速度。
圖4 伺服驅動器及電機接線圖
2.3 變頻器設置及接線
三個變頻器采用的是施耐德 ATV312 系列，以橫移電機為例，接線如圖5所示.為了能快速平穩地減速及停車，需要配置制動電阻，消耗剎車是電機產生的能量，來達到保護變頻器的逆變模塊，圖中3kW變頻器選用阻值150Ω功率為300W的鋁殼電阻.參數設置如下：控制方式采用2線控制，加速時間 ACC 設為 0.5s，減速時間 DEC 設為0.3s，給定 1 通道設為模擬輸入 AI1，通過 PLC 發送 0~10V 的模擬量控制頻率，正反轉命令則由PLC 的數字輸出點控制。
圖5 變頻器及電機接線圖
3 、軟件設計
3.1 PLC程序設計
PLC 程序采用模塊化設計方案［4］，共有 6 個子程序：初始化子程序、編碼器數據處理子程序、手動運行子程序、自動運行子程序、報警及處理子程序、脈沖輸出子程序等.工作模式分手動模式和自動模式，以自動模式的運行流程為例，其流程圖如圖6所示。
圖6 自動模式程序流程圖
編程過程中有兩個關鍵的地方需要注意.電動缸的伺服控制，采用 V4.0 STEP 7 Mi?croWIN SP9 軟件自帶的 PTO/PWM 發生器，配置Q0.0 和 Q0.1 作為方波脈沖發生器.以 Q0.0 為例進行說明，配置SMB67為16#81，方波，周期單位為 1us，單段連續脈沖輸出，周期 SMW68 從觸摸屏輸入。
三個編碼器的脈沖計數，采用高速計數器HC0~HC2，三個計數器均采用工作模式 10，即兩路脈沖輸入的雙相正交計數，A相脈沖超前B相脈沖，加計數；A相脈沖滯后B相脈沖，減計數。
3.2 觸摸屏界面設計
觸摸屏畫面主要包括目錄畫面、參數設定畫面、監控畫面、報警畫面等.監控界面如圖7所示，界面友好，可以直觀地看出碼垛機當前狀態，根據要碼垛的不同砌塊產品輸入相應的高度和碼垛層數，操作簡單，可顯著提高控制系統操作的智能化和可視化水平 。
4 、結論
基于 PLC 和伺服控制的砌塊碼垛機控制系統，通過對夾爪電動缸的伺服控制和升降、橫移、旋轉電機的變頻控制，實現了各個動作的精確位置控制和靈活的速度控制，使碼垛機運行平穩可靠.設計的觸摸屏界面友好，可以實時監控碼垛機的工作狀態，使碼垛機操作簡單，故障診斷容易，同時方便了檢修和維護.本系統的開發使碼垛機可在25s內完成一板砌塊的碼垛，效率較之前提高了約12%，對提高混凝土砌塊生產線自動化程度，以及減輕工人的體力勞動等方面有著重要作用，可以在實際生產中推廣應用。
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