基于M340 PLC的流水線程控系統設計

申鐵權

（南京南自科林系統工程有限公司，江蘇 南京 210000）

在生產、灌裝、檢測等行業均要涉及到自動化流水線的應用。流水線系統通常包含傳送皮帶、位置檢測、操作機械手及行走定位等控制單元。本文以奶樣檢測系統為例，介紹其上下料流水線的設計。在該流水線設計中以施耐德M340 PLC為控制核心，實現了奶樣的自動上料、分配檢測、自動下料及清洗回收等。系統綜合運用了M340的伺服控制技術、氣動控制技術、光電定位技術等，整個系統穩定可靠、經濟實用，體現了M340 PLC高效靈活和經濟性的特點。

1 M340 PLC及Unity軟件平臺簡介

M340是施耐德繼Unity控制平臺后投入最大的一個項目，其開發平臺基于Unity Pro 3.0及更高版本。Modicon M340可編程控制器集各種強勁功能和創新設計于一身，完美無缺地滿足復雜設備制造和中小型項目的要求，提供各種自動化功能的最佳技術和高效、靈活、經濟性的解決方案。

工作輕松強大的Unity軟件平臺，使Modicon M340更如虎添翼。Unity Pro中文版的編程軟件，不僅提供5種IEC編程語言，圖形化的編程工具，高級診斷工具等，還支持中文變量名，使用戶從設計到維護各個環節都受益匪淺。

2 上下料流水線的系統設計

圖1 奶樣檢測上下料流水線

2.1 系統控制流程

上料系統由上料滑臺、抓取機械手、傳送皮帶等組成。50（或100）份瓶裝奶樣以5×10(或10×10)的排列方式人工放置在上料滑臺上。操作員點按啟動按鈕后，抓取機械手根據當前檢測儀的空閑情況依次從1-5號 (或1-10號)位置一次性抓取10個奶瓶放置到空的奶樣托架上。奶樣平推到上料皮帶機后，3臺檢測儀對應的上料推桿根據當前奶樣是否由本檢測儀檢測決定是否進行阻擋上料或放行。

檢測完畢后，奶樣托架被帶到每臺檢測儀的小皮帶機上，由小皮帶機過渡到下料皮帶機，并最終由下料機械手依次抓取放置到空托盤上。取走奶樣后的空托架進入空托架自循環系統，最終回到上料平臺實現自循環。

2.2 行走定位要求

上下料系統的機械手在各自的滑臺上行走必須精確定位。上料滑臺上至少有10排奶樣的位置點、奶樣搖勻開蓋位置點及奶瓶上架位置點等。下料滑臺上至少也有10排奶樣位置點、奶瓶下架位置點及機械手空閑等待位置點等。這些位置必須精確定位，否則對系統的穩定運行有相當大的影響，甚至導致系統完全不可用。

2.3 機械手要求

上料機械手上下運動時需要有三個制動位置：在最下端位置處抓取、在中間位置處停留和搖勻奶樣、在最高位置處開蓋。搖勻奶樣的旋轉動作角度和速度要求可調。下料機械手上下運動時需要有兩個制動位置：在最下端位置處抓取和釋放奶瓶、在最高位置處空閑等待和行走。

2.4 奶樣的自動分配

三臺檢測儀的檢測速度和投運/檢修情況時有不同，給每臺檢測儀上料時必須考慮檢測儀上是否有空余上料位置，并挑選等待時間長且綜合檢測速度最快的那條檢測流水線。

2.5 故障控制

上下料系統出現故障時需要能停止上下料系統皮帶和所有機械手的動作，并保證奶樣安全無灑落。每臺檢測儀應根據各自工況手動投入和退出。

3 程控系統設計

針對流水線系統設計的要求，對所有執行機構除滑臺和皮帶外均采用氣動的原理，使用Festo氣動元件，包括推桿氣缸、平行氣爪、擺動氣缸等。使用氣動的原理實現機械手的上下行走、夾取、旋轉以及上下料夾具對奶樣托架的推入和拉出等功能，非電動執行機構的使用使整體系統安全可靠。另外使用邦納光電開關對奶瓶和奶架進行到位判斷，光電開關檢測距離長短可調，精確可靠。程控系統采用M340 PLC加上位機工程師站的方式，結構如圖2所示。所使用的PLC模塊包括：CPS2000電源模塊、P342020控制器模塊、DDO3202K開關量輸出模塊、DDI3202K開關量輸入模塊和MSP0200 PTO脈沖發生模塊等。上位機的工藝流程畫面如圖3所示。

圖2 程控系統結構圖

圖3 工藝流程畫面

4 控制功能實現分析

4.1 伺服電機驅動

系統使用松下A5系列伺服馬達和配套的驅動器。伺服電機的使用能保證滑臺的精確定位。為了保證系統長時間運行后或者由于各種原因停機后人工挪動導致重啟后定位不準確，在每次啟動系統的時候都要重新找原點?；_重新找原點使用脈沖觸發的方式，每次回原點前先做清除伺服電機故障的操作，沒有任何錯誤或故障的情況下向伺服控制器發送回歸原點的指令。

滑臺在導軌上的移動采用絕對定位的方式。首先根據滑臺在導軌上?？康木_位置，計算出各個位置距離原點的脈沖數。設置一個表示位置的數組用來存放這些脈沖數數據，每次觸發滑臺移動時只要預先指定好位置索引即可。

圖4 滑臺找原點程序

圖5 滑臺移動到指定位置程序

滑臺找原點和移動到指定位置的程序片段如圖4和圖5所示。運行速度是指每秒鐘PTO模塊發出的脈沖數，可以作為變量根據需要在程序中進行賦值。實際工程中，伺服電機每轉一圈的行走長度是30mm，需要的脈沖數為10000。假定滑臺速度值設定為40K脈沖/秒，則滑臺的運行速度為30×40000/10000=120mm/秒。為提高效率而盡可能提高滑臺運行速度的同時，應考慮過快的速度不至于引起滑臺上機械手的振動。

圖6 機械手上下行走、奶瓶搖勻操作

圖7 D1_Move功能塊中的程序片段

圖8 ShakeUp功能塊中的程序

4.2 機械手動作的實現

機械手動作包括上下行走、抓取釋放、旋轉搖勻等。所有動作均通過雙作用氣缸實現。控制機械手上下運動的氣缸連接的是一只三位五通閥。與其他所有兩位五通閥不同的是，三位五通閥有個中間位置。PLC程序中編寫了一個控制三位五通閥行走的功能塊D1_Move，該功能塊的作用是根據當前上到位(UpPos)、中間到位(MidPos)、下到位(DownPos)的狀態以及目標位置(Destination)的不同控制氣缸的上下進氣時序，以使機械手停在目標位置上。

機械手上下行走的功能塊使用如圖6所示。圖7中顯示了功能塊中的程序片段。

奶瓶在裝上空奶架之前需要進行搖勻操作，該操作由擺動氣缸實現。PLC程序中編寫了一個控制氣缸擺動次數及指定每次擺動之間的時間間隔的功能塊ShakeUp。該功能塊的使用及其功能實現的程序段見圖6和圖8。

4.3 奶樣自動分配的實現

經過搖勻上架后的奶樣最終分配到哪臺檢測儀上進行檢測，程序中創建了一個功能塊MaxWaitIndex進行選擇判斷，其依據有：檢測儀是否可用、檢測儀進入等待狀態的時間、三臺檢測儀各自檢測完一托架奶樣需要的時間(Ta1、Tb1、Tc1)及奶樣從放入空托架到傳送至檢測儀所需要的時間(Ta2、Tb2、Tc2)等。后兩者是固定參數，功能塊中未作為參數體現。

功能塊及其程序實現如圖9、圖10所示。程序中，Ta1-Ta2、Tb1-Tb2、Tc1-Tc2分別表示成功上料后到下次上料之間至少所需要的等待時間。TmpA、TmpB、TmpC則表示各自已等待時間與所需等待時間的差值。若該值為正且最大，對應的檢測儀使能，則選中該檢測儀為下一個上料對象，實現了奶樣的自動按需分配。

圖9 MaxWaitIndex功能塊及等待計時程序片段

圖10 MaxWaitIndex功能塊中的程序

4.4 故障控制

每臺檢測儀區域配有一個急停按鈕，當該區域內發生意外故障時，用戶按下急停按鈕，該檢測儀不再參與排隊等待上料。待檢測儀區域內的故障恢復時，復位該按鈕則檢測儀重新進入上料等待隊列。

上下料系統的人工操作區域配有一個總系統的急停按鈕?；_、機械手、傳送皮帶等發生故障時，點按該急停按鈕。急停后，滑臺停在發生故障的位置，機械手保持發生故障時的狀態位，傳送皮帶停止運行。人工處理完故障后，急停按鈕恢復，系統重新投入運行，滑臺重新找原點并走到等待區域，機械手回復初始位置，上下料皮帶恢復運行。待系統就緒指示燈亮起后按下運行按鈕，系統再次投入工作。

5 結束語

本套自控系統利用M340 PLC的強大功能實現了對自動化流水線的集中控制。與傳統運行方式相比，自動化程度高，功能完善，可以大量節省了人力成本。與國外同類系統相比，性價比高，通用性強，且易于維護升級。

［1］施耐德電氣公司.Modicon M340 編程手冊[Z].2008，03.

［2］珠海松下馬達有限公司.松下Minas A5系列交流伺服馬達驅動器使用說明書[Z].2009，04.

［3］陳鈞，劉陽春.基于M340 PLC的余熱鍋爐控制系統[J].