一種無人值守自動送料機的設計

馬 群，黃 輝 ，鄒耀偉

（江西冶金職業(yè)技術(shù)學院，江西 新余338015）

0 前言

負極活性材料—石墨烯在電子通訊、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域應用廣泛，具有巨大的經(jīng)濟效益和發(fā)展前景。某企業(yè)在生產(chǎn)該材料時，所得產(chǎn)品的輸送過程仍采用人工操作，物料經(jīng)常堵塞，生產(chǎn)效率低，且存在一定的安全隱患。針對以上問題，企業(yè)提出技改方案，要求設計一套由PLC控制的全程自動送料裝置，并希望通過GSM控制器實現(xiàn)無人值守功能，達到降低生產(chǎn)成本的目的。為此，本文首先對設備的各零件模型進行了虛擬裝配，確定了自動送料機的機械結(jié)構(gòu)；電氣動控制采用了PLC、電磁閥、GSM手機監(jiān)控系統(tǒng)等，實現(xiàn)了送料機裝料、行走、出料等過程的自動化及在線監(jiān)控，最終設計了一臺無人值守自動送料機，應用于生產(chǎn)后，成功解決了企業(yè)生產(chǎn)中存在的一個難題。

1 機械結(jié)構(gòu)部分設計

無人值守送料機的機械傳動機構(gòu)如圖1所示，主要由螺旋輸送結(jié)構(gòu)和送料小車兩大部分構(gòu)成。螺旋輸送結(jié)構(gòu)由減速電機、鏈輪、螺旋葉片、鏈條等零件組成。它的工作過程是下面的減速電機先啟動，帶動鏈輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動螺旋葉片軸旋轉(zhuǎn)，螺旋葉片推動料往上揚升，到達一定高度落入副螺旋機構(gòu)料的進料口，主螺旋輸送出料口與副螺旋輸送進料口用法蘭盤相對用螺栓連接。副螺旋機構(gòu)通過螺旋葉片二次傳送把料送入到加熱爐腔體內(nèi)，垂直落料從而避免堵塞現(xiàn)象。

圖1 產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)圖

送料小車在鋼軌道上來回移動，主要由固定板、料斗、固定桁架、驅(qū)動電機、渦輪蝸桿減速器及滑輪等零部件組成。驅(qū)動電機啟動后，通過渦輪蝸桿副帶動滑輪滾動；送料小車桁架上裝有兩個光電接近開關(guān)，當小車行程到達出料口和進料口兩個極限位時停止移動。送料小車裝料斗內(nèi)有光電傳感器，可以判斷料斗內(nèi)是否有料，從而控制螺旋送料機的電機開啟。料斗下部的出料口上還裝有電磁閥控制開關(guān)，出料時電磁閥開啟，進料時電磁閥關(guān)閉，內(nèi)部采用渦輪蝸桿機構(gòu)傳動改變出料開口的大小，偏轉(zhuǎn)角度為0～100°.從而利用PLC編程可實現(xiàn)對送料小車裝料、移動和落料過程進行自動控制，實現(xiàn)了無人值守功能。

無人值守送料機邏輯運動過程如下：

送料小車在遠端限位開關(guān)處停止，料斗裝入料，到達一定時間后停止裝料，料斗驅(qū)動電機啟動，帶動料斗移動到這個螺旋輸送機構(gòu)進料口正上方，接觸到極限開關(guān)后，小車停止運動，料斗最下方的出料閥門開啟，料落入到螺旋輸送機送料口。此時，螺旋輸送機主、副電機啟動，出料閥門打開進行傳料過程。當落料完畢后，出料閥門逐漸關(guān)閉，停一段時間，螺旋輸送機主、副電機關(guān)閉，完成一次送料過程。料斗小車電機再啟動，帶動料斗車回到原位。

2 電氣動控制部分設計

2.1 電氣動控制系統(tǒng)組成

實現(xiàn)自動送料的電氣控制系統(tǒng)包括可編程控制器（PLC）、GSM手機監(jiān)控系統(tǒng)、控制面板、光電傳感器、電磁閥、驅(qū)動電機、變頻器、繼電器等。

PLC輸入端主要采集氣缸到位信號、步進電機縱橫向限位信號、啟停按鈕等信號，輸出端采用脈沖加方向的方式控制步進電機的位移及方向，通過周期性的采集現(xiàn)場信號并進行數(shù)據(jù)處理，發(fā)出控制指令。考慮到PLC在故障判斷、人機對話等方面存在一定缺陷[1]，故在系統(tǒng)中還專門配置了GSM手機監(jiān)控系統(tǒng)以實現(xiàn)送料過程的在線監(jiān)控。該系統(tǒng)控制的思路為：用戶首先利用手機發(fā)出相關(guān)命令短信息，GSM模塊將控制指令傳輸?shù)絾纹瑱C；單片機分析處理后繼續(xù)把結(jié)果傳輸?shù)嚼^電器模塊對應的I/O口，并控制I/O口狀態(tài)以及改變輸入端數(shù)據(jù)。監(jiān)控部分控制思路為：首先，利用光電傳感器檢測判斷料斗內(nèi)是否有料，并將信號傳輸給單片機，單片機進行相應處理后將警戒信號發(fā)送至使用者手機[2]。

2.2 電機選型

對螺旋送料機進行虛擬裝配后，確定了螺旋送料機的安裝方式，再利用螺旋輸送機所需軸功率計算公式（P=KQ（ω0L+H）/367）可確定螺旋輸送機功率，從而根據(jù)計算結(jié)果對電機進行選型[3]。經(jīng)計算，主螺旋輸送機電機選定為BWY型腳板式臥裝專用電動機直聯(lián)型，即單級擺線針輪減速器，型號BWYB3-35-2.2；副螺旋輸送機電機選定為BWY型腳板式臥裝專用電動機直聯(lián)型，型號BWY-B2-59-1.1；送料小車選定驅(qū)動電機型號為NMRV075，功率為750 W，驅(qū)動電機接線圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動電機接線圖

2.3 PLC選型

根據(jù)生產(chǎn)實際情況需要，應選擇具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強、維修方便、編程簡單等優(yōu)勢可編程控制器（PLC）[4-6]，為此，綜合考慮，選擇西門子的S7-200系列：CPU226（6ES7 216-2AD26-0XB0）；CPU226用戶程序存儲器有4096字、用戶數(shù)據(jù)存儲器2560字，數(shù)字輸入點32個，數(shù)字輸出點16個；內(nèi)部電路具有光隔離功能，能保護模塊。響應時間最大延遲4.5 ms，16點固態(tài)（MOSFET）輸出，輸出電壓20.4～28.8 VDC，輸出電流0.75 A.此外，該型號PLC結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢明顯，在相對惡劣的運行條件下，仍可以保持長期運行穩(wěn)定，從而保證送料過程運行的參數(shù)維持在合適的范圍值內(nèi)[7]。

2.4 PLC I/O口及其軟元件分配

根據(jù)本控制系統(tǒng)的產(chǎn)品動作要求，對系統(tǒng)的數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入進行端口分配，制定了PLC的I/O地址分配表，結(jié)果如表1所示。

表1 PLC的I/O地址分配表

根據(jù)I/O地址分配表對部分設備與PLC進行連線，由于送料等運行裝置所需要的電流較大，而PLC輸出或輸入的電流相比很小，為了在能夠正常驅(qū)動相關(guān)設備的基礎(chǔ)上，同時保護PLC的輸出或輸入觸點，使用中間繼電器和PLC的輸出端子相連，對輸出的信號進行轉(zhuǎn)換，對PLC起到保護作用，減少因觸點接觸不良造成的故障，確保PLC具有可靠穩(wěn)定工作的狀態(tài)[8]。所設計控制系統(tǒng)的PLC電氣接線圖，結(jié)果如圖3所示。

圖3 PLC電氣接線圖

2.5 PLC控制程序設計

首先需要對PLC控制系統(tǒng)運行的程序進行編寫，PLC控制系通電后，再利用編寫的程序設定基本控制參數(shù)，使送料裝置按照設計的工藝流程進行工作。設定的控制程序如圖4所示。

圖4 PLC控制程序

2.6 控制面板顯示設計

控制面板可用于實現(xiàn)對整個螺旋輸送結(jié)構(gòu)和送料小車的啟動、停止、急停等基本控制功能。送料小車裝料斗內(nèi)有光電傳感器，可以判斷料斗內(nèi)是否有料，從而控制螺旋送料機的電機開啟。料斗下部的出料口上還裝有電磁閥控制開關(guān)，電磁閥開關(guān)控制送料下車進料或出料。為方便用戶的使用和操作，確保送料機實現(xiàn)參數(shù)的實時顯示與遠程監(jiān)控功能，設計了如圖5所示的控制面板，而產(chǎn)品運行過程信號燈情況如表2所示。

圖5 控制面板

表2 產(chǎn)品運行過程信號燈情況

3 實際應用情況

該自動送料裝置產(chǎn)品實體造型如圖6所示，其實際生產(chǎn)應用表明：設計的主、副兩個螺旋傳動機構(gòu)成功解決了解決物料的堵塞問題，同時由于分別采用了PLC和GSM手機監(jiān)控系統(tǒng)的全程控制，實現(xiàn)無人值守自動送料及遠程控制的功能，該裝置完全取代了傳統(tǒng)的人工送料，崗位工人的數(shù)量及工作強度都大幅降低，僅人工成本就每年可為企業(yè)節(jié)省30萬元，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的輸送量由每小時1～2 t增加到3 t左右，效率明顯增高。該自動送料裝置投入使用半年多時間，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，界面操作方便，生產(chǎn)自動化程度得到有效提升。

圖6 產(chǎn)品實體造型圖

4 結(jié)束語

具有主、副兩個螺旋傳動機構(gòu)螺旋輸送機，利用垂直落料的方式解決物料的堵塞問題；電氣動控制采用了PLC、光電傳感器、電磁閥、GSM手機監(jiān)控系統(tǒng)等，確保實現(xiàn)送料機的裝料、行走、出料等過程自動化及在線監(jiān)控的功能。該產(chǎn)品在企業(yè)試車成功后，一直運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)任何問題，大幅提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低了企業(yè)員工勞動強度，節(jié)約了工人成本，滿足了企業(yè)的需求。