物流搬運(yùn)站控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)研究

摘要：工程機(jī)械操作過(guò)程中重復(fù)控制較多，在搬動(dòng)或裝卸零件的系統(tǒng)中，機(jī)械手起著重要作用。它是一種能模擬人的手臂的部分動(dòng)作，按預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具的自動(dòng)化裝置。

關(guān)鍵詞：可編程控制器 物流 程序設(shè)計(jì)

1 可編程控制器

可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制、定時(shí)、計(jì)算和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn)。

2 物流發(fā)展概況

1996年國(guó)家經(jīng)貿(mào)委將“自動(dòng)化物流系統(tǒng)”任務(wù)列入國(guó)家“九五”重點(diǎn)技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃，2000年又將“企業(yè)綜合物流系統(tǒng)”列入國(guó)家重點(diǎn)創(chuàng)新計(jì)劃，國(guó)家計(jì)委又批準(zhǔn)了“企業(yè)集成自動(dòng)化”的立項(xiàng)。物流的價(jià)值主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面降低企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)、搬卸成本，降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，提高顧客服務(wù)價(jià)值以及提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力等。社會(huì)物流總值大幅增長(zhǎng)。2003年，全國(guó)社會(huì)物流總值達(dá)295437億元，同比增長(zhǎng)27％(按現(xiàn)價(jià)計(jì)算)，明顯高于同期GDP的增長(zhǎng)速度。其中：工業(yè)品物流總值為249570億元，同比增長(zhǎng)26.8％；農(nóng)產(chǎn)品物流總值為11261億元，同比增長(zhǎng)2.5％：進(jìn)口貨物物流總值為34193億元，同比增長(zhǎng)40％，再生資源物流總值為278億元，同比增長(zhǎng)18.3％；郵政物流總值為136億元，同比增長(zhǎng)3.2％，社會(huì)物流總成本占GDP比例繼續(xù)下降，但比重仍然偏高。2003年，全國(guó)社會(huì)物流總成本為24974億元，同比增長(zhǎng)13.6％，較同期物流總值27.5％的增長(zhǎng)速度低13.9％個(gè)百分點(diǎn)。其中：運(yùn)輸成本為14028億元，同比增長(zhǎng)15.1％：倉(cāng)儲(chǔ)成本為7376億元，同比增長(zhǎng)15.1％；管理成本為3570億元，同比增長(zhǎng)7.3％。2003年社會(huì)物流總成本占社會(huì)物流總值的比重為84％，比2002年又下降了1.1個(gè)百分點(diǎn)。這說(shuō)明我國(guó)社會(huì)物流總效益在不斷提高。從社會(huì)物流總成本與GDP的比例關(guān)系看，1991年社會(huì)物流總成本相當(dāng)于GDP的24％，2003年縮小到21.4％，這一比例比美國(guó)、日本等物流發(fā)達(dá)國(guó)家高出1倍多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)一般工業(yè)品，從出廠經(jīng)裝卸、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)物流環(huán)節(jié)，最終到消費(fèi)者手中的流通費(fèi)用，約占商品價(jià)格的50％，這些費(fèi)用上的消耗以及大量存在的庫(kù)存為物流的發(fā)展留下了巨大的空間。

3 物流生產(chǎn)線程序設(shè)計(jì)

物流生產(chǎn)線由6個(gè)工作站構(gòu)成，分別是上料檢測(cè)站(第一站)、搬運(yùn)站(第二站)、加工檢測(cè)站(第三站)、安裝站(第四站)、安裝搬運(yùn)站(第五站)、和分類(lèi)站(第六站)。這六站連接成生產(chǎn)線后，可完成工件類(lèi)別的檢測(cè)、加工、搬運(yùn)、安裝和分類(lèi)。其中，上料檢測(cè)站回轉(zhuǎn)上料臺(tái)，將大工件按順序排好，依次送到檢測(cè)工位，并由提升裝置將工件提升和檢測(cè)工件的黑白顏色，把黑白識(shí)別信號(hào)傳送到搬運(yùn)站；搬運(yùn)站將大工件從上站搬運(yùn)至加工站：加工站由回轉(zhuǎn)臺(tái)將大工件在4個(gè)工件間轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)空，并將檢測(cè)的成品和廢品信息通知下站；安裝站將成品傳送到安裝工位，再?gòu)牧蟼}(cāng)中推出小工件，并將小工件裝入大工件中，安裝搬運(yùn)站將上站正品工件拿起放入安裝工位，并將安裝好工件搬運(yùn)到分類(lèi)站，如果加工站有廢品產(chǎn)品，則安裝搬運(yùn)站將廢品直接送入廢品收料站；分類(lèi)站用與按工件類(lèi)型分類(lèi)，然后將工件推入相應(yīng)的庫(kù)房，并統(tǒng)計(jì)各總工件的數(shù)量和總量。

各站連成生產(chǎn)線后，相互之間要進(jìn)行通信，把加工過(guò)程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)如工件顏色、裝配信息、廢品信息等，送至下站，使系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行。系統(tǒng)中各站開(kāi)始工作的運(yùn)行信號(hào)，是由前站給出的。只有上料檢測(cè)站是通過(guò)“開(kāi)始”按鈕來(lái)起動(dòng)工作的。各站通過(guò)四跟I／O線與前后各站進(jìn)行通信相互交換信息，向前倆根通信線，一輸出一出入，向后倆根通信線，一輸出一輸入。加工站有一個(gè)成品／廢品信號(hào)線，將信號(hào)向后傳送。

4 搬運(yùn)站的程序設(shè)計(jì)

搬運(yùn)站的動(dòng)作流程第二站功能用于實(shí)現(xiàn)將第一站(上料檢測(cè)站)的工件(附帶顏色信號(hào))搬運(yùn)第三站(加工站)。在起始狀態(tài)下，當(dāng)?shù)诙臼盏降谝徽?上料檢測(cè)站)的信號(hào)后(工件到位信號(hào)為12.3，工件顏色信號(hào)為12.2)，則第二站的機(jī)械手開(kāi)始動(dòng)作，完成以下動(dòng)作：機(jī)械手前伸－氣爪下降—夾緊工件—夾著工件上升(同時(shí)給第一站一個(gè)工作信號(hào)為Q1.3)—接攜手縮進(jìn)—機(jī)械手臂右轉(zhuǎn)；到位時(shí)，機(jī)械手前伸—?dú)庾ο陆怠砷_(kāi)工件—?dú)庾ι仙?上升到位給第三站輸出一個(gè)動(dòng)作信號(hào)為Q1.4)——機(jī)械手回縮一機(jī)械手臂左轉(zhuǎn)，回到起始(原)位置，等待第一站的信號(hào)。

5 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)本設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線搬運(yùn)站的控制要求，選用西門(mén)子公司的S7-200型PLC，CPU226其基本I／O點(diǎn)數(shù)為：輸入24點(diǎn)，輸出16點(diǎn)。它具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、故障率低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、精度高、實(shí)時(shí)可靠，故障診斷、壽命長(zhǎng)、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

PLC是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。

可編程控制器的結(jié)構(gòu)多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心的結(jié)構(gòu)。通常由中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)器(RAM、ROM)、輸入輸出單元(I／O)、電源和編程器等幾個(gè)部分組成。

第二站功能用于實(shí)現(xiàn)將第一站(上料檢測(cè)站)的工件(附帶顏色信號(hào))搬運(yùn)第三站(加工站)，在起始狀態(tài)下，當(dāng)?shù)诙臼盏降谝徽?上料檢測(cè)站)的信號(hào)后(工件到位信號(hào)為12.3，工件顏色信號(hào)為12.2)，則第二站的機(jī)械手開(kāi)始動(dòng)作，完成以下動(dòng)作：機(jī)械手前伸—?dú)庾ο陆怠獖A緊工件—夾著工件上升(同時(shí)給第一站一個(gè)工作信號(hào)為Q1.3)—機(jī)械手縮進(jìn)—機(jī)械手臂右轉(zhuǎn)；到位時(shí)，機(jī)械手前伸—?dú)庾ο陆怠砷_(kāi)工件—?dú)庾ι仙?上升到位給第三站輸出一個(gè)動(dòng)作信號(hào)為Q1.4)—機(jī)械手回縮—機(jī)械手臂左轉(zhuǎn)，回到起始(原)位置，等待第一站的信號(hào)。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用中，因現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境及各種不利因素的影響，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)失靈，因而需采取有效的抗干擾措施。

5.1采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾。在PLC控制系統(tǒng)中，電源占有極重要的地位。對(duì)于變送器和共用信號(hào)儀表供電應(yīng)選擇分布電容小、抑制帶大(如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術(shù))的配電器，以減少PLC系統(tǒng)的干擾。

此外，位保證電網(wǎng)饋點(diǎn)不中斷，可采用在線式不間斷供電電源(uPS)供電，提高供電的安全可靠性。并且UPS還具有較強(qiáng)的干擾隔離性能，是一種PLC控制系統(tǒng)的理想電源。

5.2電纜選擇的敖設(shè)。為了減少動(dòng)力電纜輻射電磁干擾，尤其是變頻裝置饋電電纜。采用了銅帶鎧裝屏蔽電力電纜，降低了動(dòng)力線生產(chǎn)的電磁干擾。不同類(lèi)型的信號(hào)分別由不同電纜傳輸，信號(hào)電纜應(yīng)按傳輸信號(hào)種類(lèi)分層敖設(shè)，嚴(yán)禁用同一電纜的不同導(dǎo)線同時(shí)傳送動(dòng)力電源和信號(hào)，避免信號(hào)線與動(dòng)力電纜靠近平行敖設(shè)，以減少電磁干擾。

5.3硬件濾波及軟件抗干擾措施。信號(hào)在接入計(jì)算機(jī)前，在信號(hào)線與地間并接電容，以減少共模干擾；在信號(hào)兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。

5.4正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)。接地的目的通常有兩個(gè)，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。