基于PLC控制的瓷磚分級打包機

胡國緯

摘 要：本文著重從系統組成、系統設計及程序編寫三方面，介紹利用可編程控制器（PLC）和變頻器驅動系統，實現瓷磚分級堆垛打包的自動化控制，對減少人工及工作強度、提高產品質量、增強陶瓷行業現代化管理水平具有廣泛意義。

關健詞：PLC；變頻驅動系統；分級堆垛打包

1 前言

在瓷磚生產線中，包裝好的成品瓷磚需要工人從生產線上取下，堆放在托架上。常規的瓷磚尺寸為600×600 mm，甚至達到1000×1000 mm，每箱瓷磚一般都在100 kg左右，堆垛工人的勞動強度非常大，而且在當今人力資源匱缺的大背景下，重體力生產工人日益難招。瓷磚分級堆垛機的就是在這樣的背景下應運而生，它的推出既減輕工人的勞動強度，又可提高經濟效益。

以下就基于PLC控制的瓷磚分級堆垛機解決方案的系統組成和控制方面進行闡述，并說明了系統的工作流程，希望能給同行們以探討、借鑒，來共同為提高我國陶瓷業的現代化水平而努力。

2 多規格分級打包機的技術指標

這套設備是可以生產二個規格的瓷磚，分別是： 800×800；600×600，因此，設計時，整線要考慮調節轉產功能。可同時生產兩個級別的瓷磚，分開堆放。

首先，我對瓷磚分級打包機的全貌做個描述，讓大家對該設備有個整體的認識。這是一個整條瓷磚包裝線的系統工程，由于該整線系統工程，設備較多，各個設備的功能也各不相同。限于篇幅，這里只對該整線工程的最后一套設備--瓷磚分級打包機，做詳細的介紹。如下圖所示，虛線中的部分，就是瓷磚分級打包機。

瓷磚分級打包機位于整條生產線的最后端，負責把生產線上出來的A、B兩個級別的整包瓷磚分開堆垛成“回”字磚垛，然后再由工人整垛捆綁，再傳動到最尾端，翻轉，最后由叉車叉走。

2.1 分級打包機系統組成概述：

為了便于把復雜的問題分解開來，變成一個個相對獨立的小系統。我把瓷磚分級打包機分為六大系統組成，分別是：1、直角調頭系統；2、瓷磚分級檢測系統；3、翻轉系統；4、推磚及左、中、右定位系統；5、夾磚升降及平移系統；6、整垛傳動及翻轉系統。這六大系統組成是通過對整套設備分析總結后，把功能關聯緊密或者該系統可完成一個相對獨立的工作，把這些塊分成一個系統，在編程時，做為一個相對獨立的程序段來設計。

3 各系統的設計過程論述

3.1 直角調頭系統

捆扎好的整包瓷磚，從捆扎機出來就進入了分級打包機，在現場做實地測量時，發現如果不經直角調頭，瓷磚分級打包機不夠位置放。

直角轉彎系統如下圖所示：

由于場地限制，不得不設計這直角調頭系統。故進入了分級打包機后的第一個系統就是直角調頭系統，打包機的直角調頭系統上邊連接捆扎機，下邊連接打包機的翻轉系統，該系統由調頭氣缸和托起氣缸組成動力系統，其工作過程如下所述：

當調頭電眼7.00無信號1.5秒，調頭復位感應開關6.11無信號，調頭氣缸就復位，調頭氣缸復位完成，再充許捆扎機來磚；當調頭電眼有信號1.5秒，入口調頭氣缸105.01開始調頭，當調頭到位感應開關6.10有信號，完成調頭；當瓷磚分級檢測系統、翻轉系統、推磚及左、中、右定位系統全都無信號，入口托起氣缸105.00托起，當托起氣缸到位6.08有信號2秒，入口托起氣缸105.00復位，同時入口調頭氣缸105.01也復位，當入口托起、調頭氣缸都復位完成后，充許捆扎機來磚，完成循環運行。

3.2 瓷磚分級檢測系統

由于前面生產線上的來磚有兩個級別，分別是A級和B級。要分辨出這兩個級別，才能分開堆放，通過現場觀察，分析比對，綜合考慮，最終采用了用顏色傳感器來分辨出這兩個級別。

瓷磚分級檢測系統要區分的A級和B級瓷磚如圖5所示，通過下圖，我們可看出A級瓷磚的包裝箱以紅色為主，B級瓷磚的包裝箱以綠色為主，因些，我們要分清是A級還是B級，只要分清紅色和綠色即可。

通過多方面了解、調查和實際實驗，最終，我們選擇了德國勞易測公司的顏色傳感器，如圖6所示。

顏色傳感器是通過將物體顏色同前面已經示教過的參考顏色進行比較來檢測顏色，當兩個顏色在一定的誤差范圍內相吻合時，輸出檢測結果。該款顏色傳感器有三個可獨立示教的顏色通道，可以用來檢測三種不同的顏色。具體的示教、設置方法等，這里就不再贅述。

顏色傳感器具體的電氣安裝圖如圖4所示，因為顏色傳感器只能檢測所示教的顏色，所以要和普通光電開關配合使用。普通光電開關用來檢測物體，顏色傳感器用來檢測顏色，當普通光電開關有信號的過程中，顏色傳感器有瞬間信號，即可確定通過的是哪一種包裝顏色的瓷磚，進而判斷出通過的瓷磚是A級的，還是B級的。

3.3 翻轉系統

剛進入打包機的包好的整包瓷磚是翻過來的，如下圖7所示，而在最終，打包機需要把瓷磚堆垛成“回”字形，如圖8所示，這就需要有一半的瓷磚需要翻轉，而另一半的瓷磚不需要翻轉，故翻轉系統需要根據來磚的級別、該包瓷磚將要放的位置來判斷是否需要翻轉，還是不翻轉直接通過。

如圖8所示，打包機工作時，堆垛的順序如圖中的1、2、3、4所示，四個狀態工位分別是：1、底層豎放（簡稱：豎1）；2、底層平放（簡稱：平1）；3、第二層平放（簡稱：平2）；4、第二層豎放（簡稱：豎2）。結合圖7所示，我們可以分析出：平1和豎2需要翻轉，因為四個狀態工位的放磚數量是可以在人機介面按需設定的，所以，當瓷磚分級檢測系統區分出來磚是A級或B級后，就要馬上計算出該包磚將要放到哪邊的哪個狀態工位，進而根據要放的那個狀態工位來判斷是否要翻轉。

翻轉系統的電氣安裝正視圖如圖10所示，當翻轉到位電眼有信號0.2秒，翻轉內傳動停止，此時，如果機構處于左翻轉到位，并且根據上述條件判斷需要翻轉，就向右翻轉，翻轉到右到位，停止翻轉；如果機構處于右翻轉到位，并且根據上述條件判斷需要翻轉，就向左翻轉，翻轉到左到位，停止翻轉。因為，無論是左轉180度，還是右轉180度，對磚的翻轉效果是相同的。所以，翻轉180度后，不需要復位，可繼續進磚。

翻轉系統的左右翻轉是要注意保護功能的，除了必要的機械保護以外，還要注意電氣運行方面的保護。翻轉系統的安裝圖右視圖如圖9所示，如果是左翻磚，當系統左翻到左翻磚減速電眼7.03有信號時，左翻轉速度開始由高速變為低速，當左翻到左翻磚到位電眼7.04有信號時，左翻轉停止；如是右翻磚，當系統右翻到左翻磚減速電眼7.05有信號時，右翻轉速度開始由高速變為低速，當右翻到右翻磚到位電眼7.06有信號時，右翻轉停止；翻磚的高速可通過觸摸屏設定，翻磚的低速直接在變頻器設定。這樣，通過高低速的分段設計，既可保證翻磚的效率，又可保證翻磚系統的平移性。

翻轉完成后，要根據該包磚將要放到哪邊的哪個狀態工位，進而判斷推磚及左、中、右定位系統是否準備就緒，如沒就緒，就停止，等待推磚及左、中、右定位系統準備就緒后，再傳動出磚。

3.4 推磚及左、中、右定位系統

推磚及左、中、右定位系統，包括兩部分：推磚定位部分、左右翻磚部分。該系統的作用可概述為：先把進來的整包瓷磚推整齊，然后，再根據系統的整體需求來確定是否左翻磚、右翻磚或不翻磚。下面，針對該系統的這兩個部分的詳細介紹如下：

3.4.1 推磚定位部分

推磚定位部分的作用是把進來的整包瓷磚推整齊，為夾磚升降及平移系統夾磚運行或本系統的左右翻磚做準備。該部分的安裝圖如圖11所示。

推磚條件分為兩種情況，情況一：當推磚電眼2.00出現一個下降沿時，認為有磚進入了推磚機構，此時，推磚氣缸102.00動作，開始推磚，推磚2秒后，認為已把磚推好，推磚氣缸102.00結束動作復位；情況二：當該套設備一開自動，入磚到位電眼2.01就有信號，說明該系統內已停有一包磚，此時也要進行一次情況一中的推磚動作，以確保在接下來的動作中，該包磚是整齊的。

3.4.2 左右翻磚部分

要搞清楚該部分的工作流程，要從打包機最終堆垛好的瓷磚的狀態來分析，打包機最終堆垛好的瓷磚如圖8所示，從圖中我們可以看出，要先放下層，再放上層；下層又分為兩部分，要先放豎的部分，再放平的部分；上層也分為兩部分，但是上層要先放平的部分，再放豎的部分。從瓷磚分級打包機全貌俯視圖（圖2）中，我們可以看到左右兩個不同級別的瓷磚堆放工位是對稱的，因此，每來一包瓷磚，我們首先要判斷這包瓷磚的級別，確定了級別后，就知道了該包瓷磚要放左邊工位，還是右邊工位。確定了左右工位后，要再判斷是放該工位的上層還是下層。確定了放該工位的上層還是下層后，還要再判斷是該層的平放部分還是豎放部分。最后就可以確定來的該包瓷磚是應該左翻磚，不翻磚或者是右翻磚。左右翻磚部分的安裝圖如圖12所示。

3.5 夾磚升降及平移系統

夾磚升降及平移系統是該套設備中控制難度最高、最復雜的系統。該系統的左右工位的上層和下層都有一個水平放磚的位置，這個位置要通過人機介面來設定；而左右工位上層和下層的豎放位置是分別通過碰壓對應的小氣缸，對應的小氣缸上的感應開關沒信號，來實現左平移到位或右平移到位的，這樣做的目的是使豎放的磚排列緊密。但有一個缺點就是每次有一個平移壓到磚的動作，如果對應的小氣缸壓力太大，就會使壓磚力度較大，造成機架晃動，使機臺振動較大；如果對應的小氣缸壓力太小，就會使抓手在拿磚完平移的過程中，磚的一些晃動，就有可能觸發平移到位信號，造成在平移未到位的過程中，就下降放磚，產生故障。所以，升降和平移都需用編碼器來實現每次到位前的減速，PLC計算出減速位置，減速距離可分別通過人機介面設定。

如果在瓷磚分級檢測系統中檢測到來磚是A級的，系統就會自動分配到左工位，然后，再根據左工位現已堆放的狀態來判斷，該來磚是該平放還是豎放，如需平放，抓手就去中間位置等待；如需左豎放，抓手就去左豎放拿磚位等待。當推磚及左、中、右定位系統把來磚處理好平放還是豎放的位置后，抓手先高速下降，當快要接近磚時，變為低速，低速接近，直到到位信號觸發，停止下降。至此，抓手完成下降動作。

當抓手完成下降動作后，抓手氣缸動作，抓手夾緊磚，氣缸動作1.6秒后，認為已夾緊了磚。開始設計時，是安裝有夾磚到位感應開關的，當夾磚到位感應開關有信號，認為夾緊了磚，但是，在實際的使用過程中發現，有時磚已夾緊，但是還是不能觸發夾磚到位感應開關。造成無夾磚完成信號，不能進行下面的動作。

當抓手完成夾磚后，抓手開始上升，如果放下層，則抓手只上升到下層平移位，無需上升的升降原點，下層平移位這個參數可以在人機介面設定；如果要放上層，則抓手要上升到升降原點。這樣的設計可以減少放下層時，每次升降的距離，節能且可明顯提高效率。

當抓手完成上升后，開始平移，當快要接近豎放的磚時，要邊平移邊稍做下降，這個開始稍做下降的平移位置及下降多少的下降值，都可以通過人機介面進行設定。這個設計的目的是為了使豎放的磚在貼近已放好的豎放磚時，盡可能的低，以提高豎放磚時的可靠性。而平放磚時，則無需在平移過程中進行垂直方向的下降。

當平移完成后，抓手下降到降到位信號有，下降停止。抓手松開，抓手上升，如果是下層，則抓手只上升到下層平移位，無需上升的升降原點，下層平移位這個參數可以在人機介面設定；如果要是上層，則抓手要上升到升降原點。為了提高效率，在上升一段距離后，確保抓手脫離了磚后，可進行同時進平移，這樣設計可明顯提高回位的效率。

在回位的過程中，如果在瓷磚分級檢測系統中沒有檢測到來磚，則回位到平移的原點；如果有檢測到來磚的級別，則要根據來磚的級別，確定將要放到左工位還是右工位，再根據左工位或右工位的堆放情況，來確定是去到左豎放位、平移原點或右豎放位等待。等待推磚及左、中、右定位系統把來磚處理好平放、左豎放或右豎放的位置后，再開始下降拿磚。如果兩邊托磚都已滿磚，則抓手回到平移原點等待。

3.6 整垛傳動及翻轉系統

整垛傳動及翻轉系統負責把空托架傳動進放磚位，把堆垛好的整垛磚傳動出放磚位，來到穿帶捆扎位，手動進行整垛磚的捆綁，再傳動到翻磚位，手動進行翻磚，最終由叉車叉走的整個過程。下面，我們對左整垛傳動及翻轉系統進行詳細的介紹。左整垛傳動及翻轉系統電氣安裝圖如圖14所示。

在自動運行的過程中，如果左檢測磚架光電沒有信號超過4秒，聲光報警燈就會響起，提醒工人放磚架上去。放上去的空磚架經過左工位傳動1的傳動，到左磚架定位光電處，當左磚架定位光電有信號1.5秒后，左工位傳動1停止傳動，這樣設計的原因是，為了使左磚架定位光電能夠完全照到磚架，達到位穩定檢測，以免在放磚的過程中，磚架晃動，使磚架定位光電開無信號，造成誤動作。

當左磚架定位完成后，夾磚升降及平移系統就可以向左磚架上放磚了。當左磚架上放滿磚后，M8左工位傳動1以及M9左工位傳動2同時啟動，將放好的整托架磚傳動到M9左工位傳動2上的左穿帶位置處，當左穿帶位置光電有信號1.5秒后，M9左工位傳動2停止傳動，在這里等待工人將整托磚捆扎好。

當將整托磚捆扎好后，如果最后的工位托架翻轉處于復位狀態，那么就可以通過旋動出磚旋鈕，M9左工位傳動2和M10左工位傳動3同時傳動，將整托磚傳動到M10左工位傳動3的輥臺上，當左停止位置有信號時，M9左工位傳動2和M10左工位傳動3同時停止傳動。此時，工人可以在托架的側面塞入木制磚架，如圖8所示中打包機最終堆垛好的瓷磚的狀態那樣。

當工人在整托磚的側面塞入木制磚架后，就可以通過旋轉旋鈕來實現整個托架的翻轉了，左整垛翻轉系統電氣安裝圖如圖15所示。旋鈕可實現點動式翻轉，這樣設計主要是從安全方面考慮，因為整托磚非常重，翻轉要比較慢，如發現異常，可隨時停止。當沒復位時，如果誤操作了出磚旋鈕，，M9左工位傳動2和M10左工位傳動3不會傳動。只有在翻轉系統復位后，且左停止位置光電開關沒有信號，這樣出磚旋鈕才有效。

當整托磚翻轉到翻磚到位光電開關有信號時，停止正向翻轉，此時，即使旋轉翻磚操作旋鈕也不會再向正向翻轉，這樣設計的目的是為了防止工人誤操作，確保安全。翻磚到位和復位都是雙重保護的，即使翻磚到位或復位的光電開關損壞，還有極限位的行程開關做為最終的安全保護。

整垛傳動及翻轉系統分為左、右兩個部分，這兩個部分的工作原理及流程都是相同的。對于右整垛傳動及翻轉系統，在這里就不再贅述。

4 結語

該套瓷磚分級打包機已在國外某陶瓷廠順利投產兩年多，經過了長時間的實際生產考驗，達到了預期設計目標。該套設備各個系統之間配合良好，運行穩定。由于采用了PLC和變頻器控制，后期故障率低，且便于檢修，維護方便，得到了客戶的一致認可和贊同。

如果說到不足，主要是從效率方面考慮，由于國外陶瓷廠的生產速度，通常比國內陶瓷廠要低好多，比如該套設備在國外陶瓷廠要求的產量是每分鐘4包瓷磚，可國內像這樣的生產線通常要求產量要達到每分鐘7至8包瓷磚。而現在該套瓷磚分級打包機的設計產量是每分鐘4至5包瓷磚。要適合國內市場，就要考慮改變機構，改變流程，來提高產量。

由于本套設備的程序接近4000行，限于篇幅，在這里就不列出程序了。由此造成的不便，還請大家多多包涵。最后，希望通過本文的闡述，能給同行們以啟發、借見。

參考文獻

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[2] 謝克明， 夏路易. 可編程控制器原理與程序設計[M]. 電子工業出版社， 2010.