基于PLC的生產(chǎn)線供料搬運單元控制系統(tǒng)的設計

劉　燕，黃莎莎，邱賽賽，閔美如

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟215500）

基于PLC的生產(chǎn)線供料搬運單元控制系統(tǒng)的設計

劉燕，黃莎莎，邱賽賽，閔美如

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟215500）

摘要：根據(jù)生產(chǎn)線中供料搬運單元的控制要求，設計了基于PLC實現(xiàn)的供料搬運過程的控制系統(tǒng).該系統(tǒng)以西門子S7-200PLC控制器為核心，結(jié)合異步電機、高分辨率伺服電機、位置傳感器以及材質(zhì)檢測傳感器等元件，實現(xiàn)了供料搬運生產(chǎn)過程的自動傳送、分揀、抓取以及定位等功能.實際運行表明，該系統(tǒng)具有機械手抓取工件牢固，分揀工件準確，搬運定位精確等優(yōu)勢，滿足了生產(chǎn)線供料搬運單元高精度的控制要求.

關鍵詞：供料搬運；伺服驅(qū)動；控制系統(tǒng)；MAP應用庫

供料搬運單元是機械加工生產(chǎn)線的主要組成部分，它是利用機械手將放置在料筒中的工件夾取并送到傳送帶上進行傳送、分揀及搬運的工作單元.隨著自動化生產(chǎn)線在機械加工行業(yè)的廣泛應用，對供料搬運單元運行控制的要求不斷提高，準確的定位、牢固的抓取，正確的分揀已成為供料搬運單元運行性能的基本要求，也成為生產(chǎn)線降低作業(yè)成本、提高作業(yè)能力和效率的重要保證.本文以S7-200 PLC為控制核心，設計了供料搬運生產(chǎn)線的控制系統(tǒng).通過PLC控制機械手夾取料筒中的物料，通過變頻器實現(xiàn)傳送帶速度的合理調(diào)節(jié)，通過傳感器檢測不同材質(zhì)的工件，實現(xiàn)工件的有效分揀；通過伺服電機的準確定位，實現(xiàn)工件搬運過程的可靠運行.實際運行表明，該設計方案滿足了生產(chǎn)線供料搬運單元高精度的控制要求.

1　供料搬運單元的結(jié)構及控制要求

1.1供料搬運單元的結(jié)構

供料搬運組合單元從結(jié)構上分為5部分，分別為料筒檢測、機械手、主傳送帶、副傳送帶和移動式機械手，結(jié)構圖如圖1所示.

（1）料筒檢測結(jié)構

料筒檢測結(jié)構如圖1（a）所示，其擁有兩個圓柱形料筒，分別用來放置兩種不同材質(zhì)的工件.在兩個料筒下面分別安裝兩個傳感器，分別檢測物料筒內(nèi)有無工件.

（2）機械手結(jié)構

圖1　供料搬運單元結(jié)構

機械手主要完成工件的位移、伸縮、夾取以及放置等工作，由5個氣缸控制機械手的全部動作，如圖1（d）所示.圖中YV1是左右氣缸，YV2是旋轉(zhuǎn)氣缸，YV3是升降氣缸，YV4是伸縮氣缸，YV5是氣動手爪.用光電傳感器做限位開關判斷機械手在動作過程中的位置. 1B1代表機械手的左限位；1B2代表機械手的右限位；2B1代表機械手的旋轉(zhuǎn)左限位；2B2代表機械手的旋轉(zhuǎn)右限位；3B1代表機械手的下限位；3B2代表機械手的上限位；4B1代表機械手的后限位；4B2代表機械手的前限位.

（3）主傳送帶結(jié)構

主傳送帶主要起傳送工件的作用，由三相電機拖動主傳送帶，通過變頻器控制其啟動及轉(zhuǎn)速大小，如圖1（e）所示.傳送帶邊裝有兩個檢測傳感器，用于檢測不同材質(zhì)的工件，通過阻擋缸的動作將工件分揀至副傳送帶上.圖中M3為三相電機；PX1為電感檢測傳感器；PX2為電容檢測傳感器；PH3為傳送末端檢測傳感器；YV6為阻擋缸1；YV7為阻擋缸2；6B1和6B2分別為阻擋缸1的上、下限位；7B1和7B2分別為阻擋缸2的上、下限位.

（4）副傳送帶結(jié)構

副傳送帶完成不同材質(zhì)物料的縱向傳送.兩個副傳送帶分別由兩個直流電機帶動.每個副傳送帶末端都裝有一個傳感器，當物料到達傳送帶末端時，通過傳感器得到感應信號，如圖1（b）所示. M1、M2是直流電機；PH4、PH5是料到檢測傳感器，

（5）移動式機械手結(jié)構

移動式機械手主要完成工件抓取及水平移動.移動式機械手由伺服驅(qū)動器控制伺服電機水平移動，其上的吸盤完成工件的抓取.通過控制氣缸實現(xiàn)吸盤的升降和吸放，如圖1（c）所示. PH6是移動式機械手左限位；PH7是移動式機械手零點位；PH8是移動式機械手右限位；8B1是吸盤上限位；8B2是吸盤下限位；YV8是吸盤升降氣缸；YV9是真空吸盤.

1.2供料搬運單元的控制工藝

將圓形工件放入立式落料筒1和2中，機械手在兩個料筒之間來回移動，并自由取出料筒1或2當中的工件，機械手將抓取到的工件放置到主傳輸帶上，工件將隨著主傳輸帶移動，移動過程中通過電容、電感傳感器檢測工件材質(zhì)，通過阻擋缸的動作將不同材質(zhì)的工件進行分流，分流后的工件在副傳送帶傳輸，到達副傳輸帶的末端后由移動式機械手的吸盤抓取工件并重新放回到料筒1或2當中，未被分流的工件沿著傳送帶移動到下一個單元.

2　供料搬運單元控制系統(tǒng)的設計方案

2.1控制系統(tǒng)的設計方案

供料搬運單元控制系統(tǒng)以PLC為主控制器，輔以執(zhí)行機構變頻器、伺服驅(qū)動器、電機模塊（其中包括伺服電機、直流電機、三相電機）等. PLC的輸入部分接供料搬運組合單元上的各類傳感器和限位開關，并和控制柜面板上的各控制按鈕相連. PLC輸出則與要控制的相關驅(qū)動器件相連，通過PLC控制供料搬運各部分的運行.控制系統(tǒng)設計方案如圖2所示.

圖2　供料搬運單元的控制方案

（1）上位機：使用觸摸屏MCGS作為人機界面，通過TCP/PPI與PLC進行通訊，實現(xiàn)上、下位機的雙向控制，并對供料搬運單元實時監(jiān)控.

（2）PLC控制器：根據(jù)控制所需I/O點數(shù)，PLC選用S7-200系列224XP，外加兩個EM 223擴展模塊.

（3）變頻器模塊：選用MM440控制主傳送帶的速度. PLC控制變頻器的啟停運行，并通過外置電位器來改變變頻器的速度，實現(xiàn)主傳送帶速度的無極調(diào)節(jié).

（4）直流電機模塊：PLC控制中間繼電器，由中間繼電器控制直流電機，直流電機帶動副傳送帶將物料送到指定的檢測位置.

（5）伺服電機模塊：伺服電機驅(qū)動器接收PLC控制器輸出的脈沖及方向信號，驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動，驅(qū)動移動式機械手水平運行，實現(xiàn)工件的水平移動及準確定位［1］.

（6）傳感器：供料搬運單元使用了大量傳感器，其中用光電傳感器作為限位元件對工件到達的位置進行檢測；使用電容、電感傳感器對工件的材質(zhì)進行檢測.

（7）電磁閥：電磁閥主要控制機械手左右氣缸、伸縮氣缸、升降氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、手爪的抓取、阻擋缸的分揀、吸盤抓取的工件等工作.

2.2伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制

供料搬運單元水平移動及位置檢測精度要求較高，用伺服電機實現(xiàn)傳動定位控制［2］.圖3為伺服驅(qū)動器接線圖.選用合信伺服驅(qū)動器E10匹配伺服電機CTSD M16-B2012-M100.伺服驅(qū)動器E10的DI數(shù)字輸入信號有伺服使能、解除報警、順/逆時針行程限位、齒輪比切換、脈沖輸入禁止、零速鎖定、位置偏差清除等；DO輸出有伺服準備好、報警輸出、定位完成、零速檢測輸出等.

本設計通過編碼器線將伺服驅(qū)動器與伺服電機進行連接.伺服電機接收來自驅(qū)動器的電壓信號并轉(zhuǎn)化為相應的轉(zhuǎn)矩量和轉(zhuǎn)速值驅(qū)動移動式機械手水平移動［3］.旋轉(zhuǎn)編碼器檢測出伺服電機的轉(zhuǎn)數(shù)，并將角位移轉(zhuǎn)換成脈沖值，通過內(nèi)置的高數(shù)計數(shù)器統(tǒng)計編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)，從而判斷移動式機械手在水平運動過程中所處的位置.通過改變控制脈沖數(shù)的大小，就可控制伺服電機轉(zhuǎn)動的角位移，從而控制移動機械手在水平方向的移動距離，實現(xiàn)水平方向的精確定位.

圖3　伺服控制系統(tǒng)接線圖

3　軟件程序設計

根據(jù)供料搬運單元控制要求及工藝流程，控制流程如圖4所示.程序按以下基本過程編寫：

（1）開機后PLC進入RUN狀態(tài)后，初始化系統(tǒng)，伺服驅(qū)動使能上電，移動式機械手尋找參考點，所有電機及氣缸復位；

（2）當給出啟動信號后，主傳送帶、副傳送帶啟動運行；

（3）當料筒中有工件時機械手按動作程序抓取工件并送至主傳送帶上；

（4）工件在主傳送帶傳輸，到合適的位置后被分揀；

（5）移動式機械手吸盤抓取工件，并水平移動至料筒1或2的位置.

程序設計中采用S7-200本體PTO提供的應用庫MAP SERV Q0.0輸出脈沖串來控制伺服電機的運行，應用庫MAP如圖5所示.編程設計中應用了MAP庫中的參數(shù)定義功能塊Q0_0-CTRL，用于判斷伺服電機的當前位置是否超出所設定的范圍［4］；尋找參考點位置功能塊Q0_0_Home，用于供料搬運單元在啟動、運行結(jié)束后尋找參考點；停止運動功能塊Q0_x_STOP，用于使移動式機械手減速直至停止；采用絕對位置移動功能塊Q0_0_Move Absolute確定移動式機械手在水平方向的不同位置.

移動式機械手在料筒1、2、副傳送帶位置1、2等4個位置需要準確定位以便抓取、放置工件.編程中MAP庫中絕對位置移動功能塊Q0_0_Move Absolute實現(xiàn)這4個位置的定位.編程應用如圖6所示，EXECUTE端是該功能塊的執(zhí)行位，當該端接收到脈沖信號時，伺服電機以Velocity的速度運行到Position指定的絕對位置，Done用于判斷伺服電機是否到達指定的絕對位置.在編程時只要對VD100賦4個定位距離對應的脈沖數(shù)就可，當定位不準確時調(diào)整VD100對應的脈沖數(shù).采用功能塊編寫程序只需直接調(diào)用所需的功能塊，修改對應的參數(shù)即可，這種編程方法避免了大量繁瑣的計算，既節(jié)省時間又能達到很好的效果.

圖4　控制流程圖

圖5　應用庫MAP

圖6　功能塊Q0_0_Move Absolute的應用

4　結(jié)束語

根據(jù)供料搬運單元的要求，設計基于PLC的控制系統(tǒng).該系統(tǒng)能實現(xiàn)工件傳輸、分揀、抓取和移動定位等自動連續(xù)生產(chǎn).在實際生產(chǎn)過程中，該系統(tǒng)具有機械手抓取工件牢固，分揀工件準確，搬運定位精確等優(yōu)勢，能夠滿足生產(chǎn)線供料搬運單元控制精度的要求，大大降低了勞動強度，提高了工作效率，具有很好的實際應用價值.

參考文獻：

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［3］劉燕.組合機床生產(chǎn)線加工及上下料控制系統(tǒng)的設計［J］.制造業(yè)自動化，2014（12）：101-104.

［4］李庭貴.基于西門子PLC和變頻器的物料分揀系統(tǒng)設計［J］.制造業(yè)自動化，2013（6）：92-94.

A Design of Control System for Feed Handling Unit in Production Line Based on PLC

LIU Yan, HUANG Shasha, QIU Saisai, MIN Meiru
（School of Electrical and Automotive Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China）

Abstract：According to the control requirements of feeding handling unit in the production line, and the design of the control system for handling process based on PLC, the system with Siemens S7-200 PLC controller as the core, combined with asynchronous motor, high resolution servo motor, position sensor and material detection sensors element, realizes the function of the automatic transmission, sorting, grab and the location of feed handling the production process. Actual operation shows that the system has many advantages such as the firm grasping of the workpiece by the manipulator, the correct sorting of the workpiece and the accurate handling positioning so as to meet the requirements of high precision control of production line feeding handling unit.

Key words：feed handling unit；servo motor；control system；the MAP application library

中圖分類號：TH181；TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1008-2794（2016）02-0042-05

收稿日期：2015-06-06

通信作者：劉燕，教授，研究方向：電氣工程及其自動化，E-mail：lyan@cslg.cn.