基于PLC的港口貨物搬運(yùn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

馬　帥，秦　濤，馬幸福

(湖北文理學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，湖北　襄陽(yáng)　441053)

0　引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升，對(duì)外貿(mào)易量也在不斷增加，為了提高港口貨物搬運(yùn)的可靠性和安全性并保證搬運(yùn)效率，實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)化搬運(yùn)逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。現(xiàn)階段，起重機(jī)搬運(yùn)和叉車(chē)搬運(yùn)是港口貨物搬運(yùn)過(guò)程中常采用的方式[1]，起重過(guò)程中存在的鋼絲繩繩卡斷裂和脫落問(wèn)題[2]使得貨物的安全性難以保證，因此起重機(jī)的搬運(yùn)方式并不能很好地滿(mǎn)足當(dāng)下港口貨物的搬運(yùn)需求。叉車(chē)搬運(yùn)使得貨物的安全性得到了保證，而對(duì)于大型或超大型貨物，叉車(chē)的負(fù)載能力限制了其搬運(yùn)能力，且叉車(chē)不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化搬運(yùn)，導(dǎo)致貨物的搬運(yùn)效率不高。PLC可編程邏輯控制器由于具有高可靠性、易于編程、方便控制的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[3]，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的港口貨物搬運(yùn)系統(tǒng)，可以減輕人力成本、實(shí)現(xiàn)貨物搬運(yùn)的精確定位，能夠較好地滿(mǎn)足港口貨物搬運(yùn)的安全可靠及操控方便等控制要求。

1　港口貨物搬運(yùn)系統(tǒng)總體方案

港口貨物搬運(yùn)系統(tǒng)的控制模型如圖1所示，通過(guò)搬運(yùn)機(jī)械手將貨物從存放點(diǎn)A搬運(yùn)至存放點(diǎn)B，整個(gè)系統(tǒng)由PLC控制，可采用手動(dòng)操作和自動(dòng)控制的方式，機(jī)械手在移動(dòng)過(guò)程中的位置狀態(tài)通過(guò)觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。

通過(guò)對(duì)搬運(yùn)系統(tǒng)控制過(guò)程和功能要求的分析，明確系統(tǒng)的控制要求。自動(dòng)控制環(huán)境下，要求系統(tǒng)能夠連續(xù)運(yùn)行，按下自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換按鈕后，機(jī)械手按圖1所示的控制路線(xiàn)能夠連續(xù)工作一個(gè)周期。一個(gè)周期的工作過(guò)程如下：原點(diǎn)位機(jī)械夾爪觸發(fā)器失電處于夾緊位，按下系統(tǒng)的自動(dòng)按鈕，機(jī)械夾爪得電松開(kāi)并保持2 s，2 s計(jì)時(shí)結(jié)束后機(jī)械夾爪夾緊；隨后升降電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手從原點(diǎn)位置下降至存放點(diǎn)A，觸發(fā)下限位開(kāi)關(guān)后停止移動(dòng)，機(jī)械夾爪松開(kāi)并保持2 s，2 s計(jì)時(shí)結(jié)束后機(jī)械夾爪失電夾緊，機(jī)械手上移直至觸發(fā)上限位開(kāi)關(guān)，PLC接收機(jī)械手狀態(tài)信息，使平移電機(jī)正轉(zhuǎn)觸發(fā)器接通，平移電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手右移。右移觸發(fā)右限位開(kāi)關(guān)后下降直至機(jī)械手停止移動(dòng)，機(jī)械夾爪松開(kāi)貨物并保持2 s，將貨物放至存放點(diǎn)B;2 s計(jì)時(shí)結(jié)束后機(jī)械夾爪失電夾緊，機(jī)械手開(kāi)始上移依次觸發(fā)上限位開(kāi)關(guān)完成上移指令，觸發(fā)左限位開(kāi)關(guān)完成左移指令后回到原點(diǎn)。一個(gè)周期內(nèi)，完成所有指令實(shí)現(xiàn)貨物從存放點(diǎn)A搬運(yùn)至存放點(diǎn)B的功能。

圖1　港口貨物搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)模型

手動(dòng)操作環(huán)境下，機(jī)械手搬運(yùn)貨物的過(guò)程中每個(gè)動(dòng)作均能單獨(dú)操作，可以控制機(jī)械手回到原點(diǎn)位置。在自動(dòng)控制狀態(tài)下按下系統(tǒng)的停止按鈕，機(jī)械手搬運(yùn)系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，若再按下自動(dòng)控制按鈕，由于PLC控制具有斷電保持的記憶特點(diǎn)，可以在系統(tǒng)恢復(fù)電力時(shí)繼續(xù)斷電之前的動(dòng)作以保證系統(tǒng)動(dòng)作的完整性。港口貨物機(jī)械手搬運(yùn)系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

2　軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　I/O點(diǎn)的估算

通過(guò)對(duì)PLC控制系統(tǒng)分析可知，搬運(yùn)系統(tǒng)具有自動(dòng)控制和手動(dòng)操作兩套方案，共有12個(gè)輸入點(diǎn)，6個(gè)輸出點(diǎn)。根據(jù)控制系統(tǒng)需要具備的功能分析，可以確定編程元件編號(hào)并完成PLC的選型。

2.2　PLC的選擇

FX2N系列PLC是FX系列中最高檔次的程序裝置模塊，擁有高速度、高性能、邏輯選件以及定位控制等特點(diǎn)。除了輸入輸出16點(diǎn)～25點(diǎn)的獨(dú)立用途外，還可以擴(kuò)大控制點(diǎn)數(shù)，以適用于在多個(gè)基本組件間的連接、定位控制、模擬控制等特殊用途，是一套可滿(mǎn)足多樣化廣泛需求的PLC裝置[4]。

圖2　港口貨物搬運(yùn)系統(tǒng)的工作流程

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能要求的詳細(xì)分析以及I/O點(diǎn)的估算，本文選用三菱FX2N-48MR PLC，具有24個(gè)輸入點(diǎn)和24個(gè)輸出點(diǎn)，可滿(mǎn)足外部接線(xiàn)需留有10%～20%余量的要求。

2.3　I/O分配表設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)PLC系統(tǒng)外部接線(xiàn)圖的分析，可以確定所需編程元件編號(hào)。港口貨物機(jī)械手搬運(yùn)PLC控制系統(tǒng)的I/O分配表如表1所示。

2.4　外部接線(xiàn)圖設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)港口貨物機(jī)械手搬運(yùn)控制系統(tǒng)的功能及技術(shù)要求的分析，設(shè)計(jì)出的PLC外部接線(xiàn)圖如圖3所示。

2.5　SFC圖和梯形圖設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制程序的設(shè)計(jì)基于三菱GX developer軟件,采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖(SFC)的編程方式，系統(tǒng)的SFC圖如圖4所示。搬運(yùn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制方案如下：按下自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換SB按鈕后，自動(dòng)控制主程序通電，M8000在PLC工作中一直保持閉合狀態(tài)，此時(shí)程序處于初始化狀態(tài)S0，當(dāng)機(jī)械手處在原點(diǎn)且按下自動(dòng)啟動(dòng)按鈕SB2后，進(jìn)入狀態(tài)S20，此時(shí)機(jī)械夾爪得電保持松開(kāi)狀態(tài)2 s，這一狀態(tài)下工作人員可以檢查機(jī)械夾爪是否完好；2 s計(jì)時(shí)結(jié)束后機(jī)械夾爪失電夾緊，升降電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手下降直至觸發(fā)下限位開(kāi)關(guān)ST2，隨后升降電機(jī)停止工作，機(jī)械夾爪得電松開(kāi)并維持2 s，2 s計(jì)時(shí)結(jié)束后機(jī)械夾爪失電夾緊，同時(shí)升降電機(jī)反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手上升直至觸發(fā)上限位開(kāi)關(guān)ST1；PLC接收狀態(tài)信息，控制平移電機(jī)正轉(zhuǎn)觸發(fā)器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)械手右移直至觸發(fā)右限位開(kāi)關(guān)ST4，此時(shí)升降電機(jī)正轉(zhuǎn)觸發(fā)器得電驅(qū)動(dòng)機(jī)械手下降，待觸發(fā)下限位開(kāi)關(guān)ST2后升降電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)并進(jìn)入下一狀態(tài)，此時(shí)機(jī)械夾爪電磁閥得電，夾爪松開(kāi)并保持2 s，貨物下放至存放點(diǎn)B，2 s計(jì)時(shí)結(jié)束后機(jī)械夾爪電磁閥失電夾緊，升降電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械手上升直到觸發(fā)上限位開(kāi)關(guān)ST1，緊接著機(jī)械手左移觸發(fā)左限位開(kāi)關(guān)ST3，平移電機(jī)停止工作，機(jī)械手復(fù)位，完成一次搬運(yùn)工作。

表1　機(jī)械手搬運(yùn)PLC控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)分配表

圖3　PLC控制系統(tǒng)外部接線(xiàn)圖

手動(dòng)操作程序的設(shè)計(jì)基于三菱FX-TRN-BEG-C軟件，采用梯形圖編程的方式，系統(tǒng)的梯形圖如圖5所示。手動(dòng)操作環(huán)境下按下停止按鈕SB1，將S20到S28區(qū)間內(nèi)的所有狀態(tài)繼電器全部復(fù)位，按下自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換按鈕SB，復(fù)位機(jī)械夾爪，此時(shí)可以檢查機(jī)械夾爪是否完好。手動(dòng)按下左限位和上限位開(kāi)關(guān)可使機(jī)械手復(fù)位到原點(diǎn)位置。若此時(shí)按下自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換按鈕SB，手動(dòng)操作程序跳轉(zhuǎn)至自動(dòng)控制程序，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)控制的切換。若依舊采用手動(dòng)操作的方式，按下手動(dòng)上升按鈕SB3，X4置1，機(jī)械手到達(dá)上限位開(kāi)關(guān)位置；按下手動(dòng)下降按鈕SB4,X10置1，機(jī)械手到達(dá)下限位開(kāi)關(guān)位置。隨后松開(kāi)手動(dòng)下降按鈕，按下機(jī)械夾爪手動(dòng)放松按鈕，夾爪打開(kāi)，松開(kāi)按鈕，夾爪電磁觸發(fā)器失電，貨物被夾緊。依次按下手動(dòng)上升、手動(dòng)右移、手動(dòng)下降按鈕后，機(jī)械手夾緊貨物從存放點(diǎn)A移動(dòng)到存放點(diǎn)B上方位置。按下機(jī)械夾爪手動(dòng)放松按鈕，夾爪打開(kāi)，貨物放至存放點(diǎn)B。將按鈕按下的先后順序顛倒可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手從存放點(diǎn)B歸位至原點(diǎn)的功能。

圖4　自動(dòng)控制系統(tǒng)的SFC圖設(shè)計(jì)

一次完整的貨物搬運(yùn)可分別通過(guò)自動(dòng)控制或手動(dòng)操作的方式實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，為了在某些特殊場(chǎng)合能夠人機(jī)交替控制貨物搬運(yùn)，本文的PLC控制程序在設(shè)計(jì)過(guò)程中將兩套控制程序相互嵌套，可以自由切換，靈活使用。

3　結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的港口貨物搬運(yùn)系統(tǒng)采用PLC控制，結(jié)合對(duì)外貿(mào)易需求以及搬運(yùn)過(guò)程中的技術(shù)規(guī)范，對(duì)貨物搬運(yùn)路線(xiàn)以及PLC控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)搬運(yùn)和手動(dòng)操作控制。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，貨物搬運(yùn)機(jī)械手可靠性高，PLC控制程序修改方便易于擴(kuò)充，在節(jié)約勞動(dòng)力、保證貨物安全的同時(shí)大大提高了港口貨物的搬運(yùn)效率，可以用于出海港口貨物搬運(yùn)現(xiàn)場(chǎng)。

圖5　手動(dòng)操作系統(tǒng)的梯形圖

參考文獻(xiàn)：

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