基于PLC的自動(dòng)填料機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊智勇，張凱洋，吳 專，王 君，楊 盼

YANG Zhi-yong1 , ZHANG Kai-yang1, WU Zhuan2, WANG Jun1, YANG Pan2

（1.湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院機(jī)器人技術(shù)研究中心，武漢 430068；2.湖北省地質(zhì)勘查裝備中心，武漢 430034）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各種礦產(chǎn)資源需求量急劇增加，為節(jié)約資源，避免對(duì)礦產(chǎn)資源粗放型的開采，因而對(duì)各種地質(zhì)礦物的成分、含量都要有比較清楚地了解。地質(zhì)礦產(chǎn)部門常常采用光譜分析方法勘查地質(zhì)元素成分，該方法步驟為：首先，在野外采集巖土樣品，并在實(shí)驗(yàn)室將樣品粉碎、研磨；其次，將研磨后樣品按批次放入坩堝內(nèi)，并向坩堝中加入粉狀催化劑，利用振動(dòng)攪拌儀器將坩堝內(nèi)混料混合均勻；然后，將混合均勻后的樣品粉料裝填到相應(yīng)結(jié)構(gòu)的石墨電極內(nèi)；最后，將裝有樣品混料的石墨電極進(jìn)行光譜分析，計(jì)算樣品元素成份[1-4]。其中，光譜石墨電極主要應(yīng)用于發(fā)射光譜、原子吸收光譜、氣體分析等領(lǐng)域，是光譜實(shí)驗(yàn)分析中的重要載體。目前，上述四個(gè)步驟是相對(duì)獨(dú)立，且現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室樣品填料工序主要通過(guò)人工作業(yè)，通過(guò)玻璃棒攪拌，使不同物品混合均勻，然后由填料工人將混料填充到碳棒內(nèi)，該方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，混料攪拌均勻度不高，且在整個(gè)過(guò)程中礦樣粉末長(zhǎng)時(shí)間暴露于空氣中，易產(chǎn)生粉塵飄散，污染實(shí)驗(yàn)環(huán)境和其他實(shí)驗(yàn)樣品，甚至對(duì)人體產(chǎn)生危害。

為提高實(shí)驗(yàn)樣品元素成分光譜分析檢測(cè)效率，避免將攪拌均勻后的混料樣品移至自動(dòng)填料裝置過(guò)程中造成樣品浪費(fèi)及污染，提高檢測(cè)數(shù)據(jù)可信性，設(shè)計(jì)一款填料功能的智能化裝置顯得尤為重要。目前，工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備多采用PLC系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)或工業(yè)PC系統(tǒng)等，其中，PLC系統(tǒng)適用于控制機(jī)械的生產(chǎn)過(guò)程，利用一種可編程存儲(chǔ)器執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)算等操作，結(jié)合數(shù)字或模擬輸出輸入傳感器，對(duì)各種類型的機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制；DCS是一種新型集散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有分散操作、集中控制、分級(jí)管理，組網(wǎng)靈活、組態(tài)方便等特點(diǎn)，從而使其系統(tǒng)可塑性強(qiáng)、可靠性高和開放性高，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于大型、復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)，且控制效果良好；工業(yè)PC普遍用于自動(dòng)化管理層，借助互聯(lián)網(wǎng)和信息化技術(shù)，通過(guò)工業(yè)PC構(gòu)建服務(wù)器和客戶機(jī)自動(dòng)化控制集群，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部集管理與控制于一體的信息交互綜合控制系統(tǒng)[5,6]。目前，Compact PCI 工控機(jī)是使用最為廣泛的工業(yè)PC。

目前，針對(duì)礦粉樣品填充至石墨電極流程中的控制需求，市場(chǎng)上并無(wú)相關(guān)功能需求的自動(dòng)化設(shè)備，因此設(shè)計(jì)一套能實(shí)現(xiàn)礦粉樣品全自動(dòng)填充裝置（簡(jiǎn)稱自動(dòng)填料裝置）顯得尤為重要。考慮自動(dòng)填料裝置控制系統(tǒng)主要執(zhí)行邏輯運(yùn)算且控制對(duì)象為邏輯控制，控制模式以流程控制為主，因此，本系統(tǒng)控制器選用PLC。其中，自動(dòng)填料裝置控制系統(tǒng)的控制器采用三菱FX5U的PLC為核心控制器，以觸摸屏為人機(jī)界面，根據(jù)系統(tǒng)功能需求分析，搭建系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)，通過(guò)控制器分析處理自動(dòng)填料裝置各類傳感器信號(hào)，使各功能模塊執(zhí)行部件間有序控制，實(shí)現(xiàn)礦樣樣品自動(dòng)進(jìn)料與裝填，廢料回收及成品自動(dòng)擺放等全自動(dòng)化過(guò)程。

1 自動(dòng)填料機(jī)結(jié)構(gòu)組成及動(dòng)作流程

如圖1為自動(dòng)填料裝置實(shí)體圖，由圖可知，這些執(zhí)行部件按實(shí)現(xiàn)功能可劃分為四部分：石墨棒下料模塊、石墨棒填料模塊、石墨棒收納模塊和清洗模塊。為實(shí)現(xiàn)裝置四部分功能模塊協(xié)調(diào)配合運(yùn)行，完成礦粉密實(shí)填充至碳棒內(nèi)，自動(dòng)填料裝置執(zhí)行部件由5套直線伺服電機(jī)模組、2套旋轉(zhuǎn)模組和9套氣動(dòng)組件構(gòu)成。其中，各功能模塊實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下所述：

圖1 自動(dòng)填料裝置實(shí)體圖

石墨棒下料模塊：該模塊工作流程為通過(guò)控制設(shè)置于料盒4正下方的擺動(dòng)氣缸進(jìn)氣與否帶動(dòng)料盒前后往復(fù)移動(dòng)，將料盒內(nèi)部的石墨棒篩落至其正下方的料槽內(nèi)，通過(guò)推碳棒直線模組7將料槽內(nèi)的石墨碳棒推至均布于加工轉(zhuǎn)盤11上的漏斗孔內(nèi)。

石墨棒填料模塊：首先，上料夾爪直線模組1的伺服電機(jī)順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直線模組1的螺母帶著氣動(dòng)夾爪14向前運(yùn)動(dòng)至放置于上料轉(zhuǎn)盤3上的坩堝正上方；然后，直線氣缸將放置于轉(zhuǎn)盤3上的坩堝2推出，并由夾爪14夾取坩堝；其次，直線模組1的伺服電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶著氣動(dòng)夾爪14運(yùn)動(dòng)至漏斗15正上方，控制旋轉(zhuǎn)氣缸13進(jìn)氣轉(zhuǎn)動(dòng)，將坩堝2內(nèi)的礦物樣品倒入漏斗15內(nèi)；最后，控制塞料氣缸12前后移動(dòng)將礦粉樣品壓入石墨棒內(nèi)。

石墨棒收納模塊：該模塊由下料X軸直線模組6、下料Y軸直線模組9和下料Z軸直線模組8組成，通過(guò)各軸的位置控制將已加工好的石墨碳棒準(zhǔn)確插入至收納盒10相應(yīng)孔中。具體步驟為：石墨棒塞料工序完成后，控制器通過(guò)直線模組8和9的位置控制將氣動(dòng)夾爪運(yùn)動(dòng)至接料位置，同時(shí)，直線模組6的伺服電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)氣動(dòng)夾爪運(yùn)動(dòng)至碳棒前方，由夾爪夾取碳棒；然后，控制旋轉(zhuǎn)氣缸將石墨棒豎直放置，通過(guò)直線模組6的伺服電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)氣動(dòng)夾爪運(yùn)動(dòng)至料盒10對(duì)應(yīng)碳棒插孔的正上方；最后，由直線模組8正向運(yùn)動(dòng)，將碳棒插入孔內(nèi)，完成已填料完畢后的石墨棒收納功能。其中，收納盒內(nèi)的孔位均勻分布，各孔位置坐標(biāo)已知，位置序號(hào)與上料轉(zhuǎn)盤坩堝序號(hào)一一對(duì)應(yīng)。

清洗模塊：由于每個(gè)坩堝內(nèi)礦粉樣品具有一定差異性，將礦粉樣品填充至碳棒后，需對(duì)加工轉(zhuǎn)盤11相應(yīng)填料工位進(jìn)行清洗，避免礦粉樣品殘余物影響下次填充礦樣的純潔度，造成礦粉樣品元素成分光譜分析檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，因此，該流程十分重要，填料裝置每填充完一根碳棒，均需對(duì)填料工位進(jìn)行清洗，方便下次使用。該流程通過(guò)加工轉(zhuǎn)盤上的清洗氣嘴將附著于轉(zhuǎn)盤11漏洞上的礦粉樣品殘留物揚(yáng)起，然后由吸塵氣嘴將含有礦粉樣品殘留物的粉塵吸除。

2 控制需求與策略分析

2.1 自動(dòng)填料裝置需求分析

自動(dòng)填料裝置采用三菱FX5UPLC控制器，通過(guò)威綸通觸摸屏與PLC控制器進(jìn)行人機(jī)交互，需實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，需對(duì)設(shè)備各執(zhí)行單元運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能在觸摸屏上顯示其狀態(tài)信息。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備能自動(dòng)停止工作，蜂鳴器和警示燈發(fā)出警報(bào)信號(hào)，并能在觸摸屏上查詢?cè)O(shè)備運(yùn)行日志，記錄故障發(fā)生時(shí)刻、類型及原因，待故障解除后，再次按下啟動(dòng)鍵，設(shè)備能繼續(xù)工作。

2）緊急停止請(qǐng)求，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)非操作性故障，如料盒卡料、電機(jī)丟步和碳棒損壞等，所以應(yīng)在設(shè)備上安裝急停開關(guān)，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)故障，實(shí)驗(yàn)人員按下急停按鈕，設(shè)備能立刻停止工作，減少損失。

3）自動(dòng)填料裝置各功能模塊應(yīng)能按動(dòng)作規(guī)劃有序運(yùn)行，填料效率為25秒/根。

4）通過(guò)觸摸屏能對(duì)各模塊參數(shù)指標(biāo)在線修改，能手動(dòng)控制各執(zhí)行部件。

5）自動(dòng)填料裝置對(duì)各執(zhí)行部件的配合精度要求較高，搭建控制系統(tǒng)時(shí)要盡可能保證其精度。

2.2 控制策略

通過(guò)傳感器信號(hào)變化監(jiān)控裝置各功能模塊運(yùn)行狀態(tài)，PLC控制器綜合分析和處理多個(gè)傳感器信號(hào)變化，根據(jù)不同類型的信號(hào)變化，控制各執(zhí)行功能模塊采取相應(yīng)策略[7,8]。如圖2為自動(dòng)填料裝置控制系統(tǒng)框圖，由圖可知，該控制系統(tǒng)由狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)、控制決策系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及動(dòng)作引擎庫(kù)構(gòu)成，其中，狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括功能模塊各類傳感器，如原點(diǎn)位置檢測(cè)傳感器、極限位置檢測(cè)傳感器、磁性開關(guān)傳感器、碳棒檢測(cè)傳感器和坩堝檢測(cè)傳感器等，通過(guò)各類傳感器的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)作引擎庫(kù)內(nèi)各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，PLC作為控制決策處理器，根據(jù)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)各類傳感器信息，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)各功能模塊的驅(qū)動(dòng)器和電磁閥實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動(dòng)作需求。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

人機(jī)交互模塊選用威綸通的觸摸屏，通過(guò)觸摸屏作為上位機(jī)顯示系統(tǒng)各模塊工作狀態(tài)，如傳感器信號(hào)變化、電機(jī)運(yùn)行參數(shù)和氣動(dòng)執(zhí)行器的動(dòng)作狀態(tài)等，并能在線修改各功能模塊的運(yùn)行參數(shù)及對(duì)各功能模塊發(fā)送控制指令；此外，當(dāng)裝置發(fā)生報(bào)警或者其他運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)，能在觸摸屏報(bào)警窗口上顯示錯(cuò)誤信息，為系統(tǒng)的故障查找及排除提供參考。如圖3為自動(dòng)填料裝置系統(tǒng)伺服軸間信號(hào)交互圖，由圖可知，人機(jī)交互模塊作為系統(tǒng)的上位機(jī)，對(duì)自動(dòng)填料裝置的各功能模塊進(jìn)行控制；各功能模塊通過(guò)PLC控制器對(duì)各軸所設(shè)置的狀態(tài)標(biāo)志位進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)填料裝置工作流程的銜接，實(shí)現(xiàn)所需功能，具體操作流程為：首先，操作人員按下觸摸屏界面上的啟動(dòng)控件，系統(tǒng)對(duì)各軸發(fā)送初始化指令，控制各軸運(yùn)動(dòng)至原點(diǎn)位置；然后，控制器發(fā)送上料請(qǐng)求信號(hào)，抓料軸夾取上料轉(zhuǎn)盤上的坩堝，運(yùn)動(dòng)至加工轉(zhuǎn)盤漏斗正上方，并發(fā)出請(qǐng)求推棒信號(hào)；碳棒推至填料工位后，發(fā)送請(qǐng)求放料信號(hào)，抓料軸通過(guò)旋轉(zhuǎn)氣缸將坩堝內(nèi)的礦料倒入漏斗，由塞料氣缸將礦粉樣品密實(shí)填充至碳棒內(nèi)；動(dòng)作完成后，控制推碳棒軸、抓料軸和上料轉(zhuǎn)盤軸回到待工作位置，并發(fā)送上料完成信號(hào)；上料完成后，發(fā)出請(qǐng)求碳棒收納請(qǐng)求，控制下料XYZ軸將已填料碳棒放入至收納盒對(duì)應(yīng)孔內(nèi)，并通過(guò)氣泵和離心泵清洗模塊，至此，整個(gè)工作流程結(jié)束。

圖3 伺服軸信號(hào)交互圖

3 自動(dòng)填料機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)控制的精準(zhǔn)性，且滿足系統(tǒng)的功能需求，自動(dòng)填料機(jī)硬件部分由PLC模塊、觸摸屏模塊、傳感器檢測(cè)模塊、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器等組成。如圖4為自動(dòng)填料機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖，三菱FX5UPLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)的控制器，結(jié)合多源傳感器信息融合技術(shù)，通過(guò)綜合分析處理各傳感器的信號(hào)變化，判斷自動(dòng)填料機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)指令控制對(duì)應(yīng)的執(zhí)行部件協(xié)調(diào)動(dòng)作，完成系統(tǒng)各部分的工作任務(wù)。

3.1.1 PLC控制模塊

圖4 自動(dòng)填料機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

PLC選型之前需要根據(jù)控制要求，分析控制系統(tǒng)所需的輸入設(shè)備（開關(guān)、傳感器、磁性開關(guān)等）及輸出設(shè)備（伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、報(bào)警指示燈、電磁閥等），從而確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)[9]。根據(jù)自動(dòng)填料裝置功能需求，選用日本三菱微型可編程控制器，型號(hào)為FX5U-80MT/ES-A，其輸入點(diǎn)數(shù)為40，輸出點(diǎn)數(shù)為40，內(nèi)置4軸定位。自動(dòng)填料裝置系統(tǒng)PLC控制器的輸入輸出I/O分配如圖5所示，由圖可知，PLC控制器I/O分配包括輸入模塊和輸出模塊。其中，輸入模塊用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)，如伺服軸的原點(diǎn)信號(hào)、極限限位信號(hào)、磁性開關(guān)信號(hào)和光纖信號(hào)等；輸出模塊用來(lái)接收控制器處理過(guò)的數(shù)字信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為執(zhí)行部件能夠接收的信號(hào)，控制放大器、電磁閥和警示燈。

根據(jù)自動(dòng)填料裝置執(zhí)行部件需求分析可知，控制系統(tǒng)需要七根軸完成相應(yīng)動(dòng)作需求，而選用的三菱FX5UPLC控制器只能控制四根軸，故需要添加定位模塊，增加控制軸的數(shù)量。定位模塊選用三菱可編程控制器MELSEC IQ-F系列的簡(jiǎn)易運(yùn)動(dòng)控制器模塊，型號(hào)為FX5-40SSC-S，其自身內(nèi)置4軸定位，通過(guò)SSCNETⅢ/H總線與伺服放大器連接。

圖5 PLC輸入輸出分配圖

3.1.2 傳感器檢測(cè)模塊

為了提高自動(dòng)填料裝置系統(tǒng)穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度，需要安裝合適的傳感器檢測(cè)自動(dòng)填料裝置各部分的運(yùn)行狀態(tài)，并將傳感器的信號(hào)變化反饋給PLC控制器[10]，PLC通過(guò)綜合處理各類傳感器的信號(hào)變化，依次發(fā)送程序指令執(zhí)行下一步動(dòng)作流程。自動(dòng)填料裝置系統(tǒng)使用的傳感器型號(hào)及其作用如表1所示。

表1 傳感器型號(hào)及其功能

由于對(duì)系統(tǒng)工作精度要求較高，光電傳感器具有檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此選其作為直線模組的位置檢測(cè)信號(hào)；為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需對(duì)系統(tǒng)中的氣動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，故在各個(gè)氣動(dòng)元件上安裝磁性開關(guān)以達(dá)到檢測(cè)目的；為保證自動(dòng)填料裝置工作過(guò)程的容錯(cuò)率和效率，在各夾爪末端安裝對(duì)射光纖檢測(cè)夾爪是否完成夾取動(dòng)作，在料盒底部安裝反射光纖檢測(cè)料盒內(nèi)有無(wú)碳棒，避免系統(tǒng)在未夾取成功時(shí)進(jìn)行空流程運(yùn)行，影響工作效率。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 人機(jī)交互

為方便操作人員操作、控制、修改系統(tǒng)參數(shù)，自動(dòng)填料裝置系統(tǒng)配置人機(jī)交互模塊顯得尤為重要。人機(jī)交互模塊需要體現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)及工作狀態(tài)，為提高系統(tǒng)的智能化程度，人機(jī)交互模塊需添置錯(cuò)誤診斷功能，便于操作人員維修系統(tǒng)。自動(dòng)填料裝置系統(tǒng)選用維綸TK6070i型觸摸屏作為人機(jī)交互界面，與主控制器PLC通過(guò)的RS-485串口通信。觸摸屏作為自動(dòng)填料機(jī)系統(tǒng)的上位機(jī)，操作人員可通過(guò)觸摸屏對(duì)當(dāng)前自動(dòng)填料機(jī)設(shè)備進(jìn)行初始化、啟動(dòng)、暫停、停止操作，也可以通過(guò)觸摸屏修改設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)發(fā)生故障報(bào)警時(shí)，報(bào)警信息將在觸摸屏上顯示，方便操作人員及時(shí)檢查設(shè)備的問題并解決故障。

觸摸屏界面采用維綸界面編制軟件Utility Manager進(jìn)行設(shè)計(jì)，觸摸屏界面的主界面包含對(duì)其他各個(gè)操作界面的集成，通過(guò)主界面可以進(jìn)入其他操作界面；運(yùn)動(dòng)控制界面主要包括對(duì)設(shè)備的啟停操作；手動(dòng)操作界面是對(duì)各個(gè)氣缸進(jìn)行手動(dòng)操作；監(jiān)控界面包括對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行到哪一工位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)系統(tǒng)故障的顯示，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，相應(yīng)的信號(hào)燈會(huì)閃爍并且蜂鳴器會(huì)啟動(dòng)，提醒操作人員系統(tǒng)故障。操作者可以通過(guò)觸摸屏對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟停操作、運(yùn)行監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置等操作。觸摸屏主要界面如圖6所示。

圖6 人機(jī)界面

3.2.2 PLC主程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)填料裝置系統(tǒng)使用三菱PLC的編程軟件GX Works3對(duì)主控制器進(jìn)行編程，根據(jù)被控對(duì)象的工作流程和控制要求，將自動(dòng)填料裝置總流程劃分為四個(gè)模塊，為了降低程序的復(fù)雜度，使程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)等操作簡(jiǎn)單化，在程序設(shè)計(jì)上也對(duì)各功能采用模塊化編程，對(duì)各伺服軸進(jìn)行子程序設(shè)計(jì)，在模塊化程序設(shè)計(jì)時(shí)，反復(fù)調(diào)用子程序，實(shí)現(xiàn)各部分功能。各模塊完成各自工作后，將改變程序輔助繼電器的標(biāo)志位，通過(guò)標(biāo)志位的變化，同時(shí)結(jié)合傳感器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各模塊間的有序協(xié)作。主程序設(shè)計(jì)采用梯形圖編程，使用順序控制法實(shí)現(xiàn)編程。主控制器PLC的程序通過(guò)以太網(wǎng)端口與電腦進(jìn)行上傳與下載。

根據(jù)系統(tǒng)的控制需求，PLC控制流程如圖7所示，由圖可知，系統(tǒng)啟動(dòng)后，在觸摸屏上點(diǎn)擊復(fù)位按鍵對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，初始化成功后，點(diǎn)擊啟動(dòng)按建，系統(tǒng)開始運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，石墨棒下料模塊開始率先工作，同時(shí)石墨棒填料模塊和石墨棒收納模塊進(jìn)入到待加工的工位，等待下料模塊流程結(jié)束信號(hào)；收到結(jié)束信號(hào)后，兩個(gè)工位開始協(xié)調(diào)動(dòng)作，直至完成各部分的工作流程后，重新回到待加工工位繼續(xù)等待新一輪的下料流程結(jié)束信號(hào)，同時(shí)下料模塊又重復(fù)新一輪的工作，周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)加工。

圖7 PLC程序流程圖

自動(dòng)填料裝置系統(tǒng)在工作過(guò)程中，通過(guò)傳感器信號(hào)，控制器要對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置實(shí)時(shí)控制，絲桿模組的定位取決于伺服電機(jī)的動(dòng)作，選用的控制伺服電機(jī)的方式是位置控制，通過(guò)控制器給伺服放大器脈沖數(shù)，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在多個(gè)工作位置均需要高精度的定位完成，所以PLC程序需要對(duì)各工作位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并反映在觸摸屏上，以上料模塊程序監(jiān)控部分為例，PLC梯形圖的程序如圖8所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

如圖9為自動(dòng)填料裝置，由圖可知，該裝置由人機(jī)交互模塊、工作結(jié)構(gòu)和控制柜等構(gòu)成，自動(dòng)填料裝置分上下兩層，其中人機(jī)交互模塊和工作結(jié)構(gòu)位于機(jī)箱上層，控制柜位于機(jī)箱下層。人機(jī)交互模塊作為系統(tǒng)的上位機(jī)對(duì)自動(dòng)填料裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；圖10(a)為工作結(jié)構(gòu)圖，工作結(jié)構(gòu)由石墨棒下料模塊、填料模塊、收納模塊和清洗模塊等組成；圖10(b)為自動(dòng)填料裝置的控制箱，控制箱由空氣開關(guān)、PLC控制器、驅(qū)動(dòng)器和電磁閥等組成，其中，空氣開關(guān)為整個(gè)裝置控制電路正常工作提供安全保障；PLC為系統(tǒng)的主控，用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的動(dòng)作流程控制；驅(qū)動(dòng)器和電磁閥與PLC的輸出模塊相連，用于接收PLC的指令并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，各功能模塊間協(xié)調(diào)有序工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)填料功能。

圖8 上料模塊位置監(jiān)控程序

圖9 自動(dòng)填料裝置

圖10 工作結(jié)構(gòu)和控制柜實(shí)物圖

為提高自動(dòng)填料裝置的填料效率和可靠性，對(duì)自動(dòng)填料裝置各功能模塊間的動(dòng)作協(xié)調(diào)性進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，通過(guò)對(duì)動(dòng)作順序和節(jié)拍進(jìn)行優(yōu)化，并調(diào)整伺服驅(qū)動(dòng)器的增益參數(shù)。下面對(duì)優(yōu)化內(nèi)容說(shuō)明：

1）優(yōu)化動(dòng)作順序。優(yōu)化部分為石墨棒下料模塊和石墨棒填料模塊之間的動(dòng)作順序，未優(yōu)化前動(dòng)作順序?yàn)椋和铺及糨S將碳棒推至待加工工位后，上料夾爪軸夾取坩堝并運(yùn)動(dòng)至加工轉(zhuǎn)盤漏斗的正上方，并將坩堝內(nèi)的礦料倒入漏斗內(nèi)，待碳棒填料完成后，推碳棒軸和上料夾爪軸運(yùn)動(dòng)至等待位置后加工轉(zhuǎn)盤軸再運(yùn)動(dòng)；優(yōu)化過(guò)后的動(dòng)作順序?yàn)椋和铺及糨S和上料夾爪軸同時(shí)動(dòng)作，完成各自的動(dòng)作后再返回等待位置，與此同時(shí)加工轉(zhuǎn)盤軸并行動(dòng)作。

2）優(yōu)化動(dòng)作節(jié)拍。減少石墨棒填料模塊動(dòng)作的等待時(shí)間，將上料夾爪夾取坩堝的延遲時(shí)間由1S改為0.3S；將頂料氣缸接坩堝縮回延時(shí)時(shí)間由0.8S改為0.3秒；將塞料氣缸工作縮回延時(shí)時(shí)間由0S改為0.3S。

3）優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器參數(shù)。減小速度積分時(shí)間常數(shù)，具體為將電機(jī)啟動(dòng)加速時(shí)間和減速時(shí)間由1S改為0.1S，以提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加減速率。

自動(dòng)填料裝置上料轉(zhuǎn)盤整盤料個(gè)數(shù)和收納盒孔位數(shù)均為54個(gè)且一一對(duì)應(yīng)，以填料完整盒料盒作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)單元，為了驗(yàn)證優(yōu)化效果，現(xiàn)分別對(duì)動(dòng)作順序、節(jié)拍和驅(qū)動(dòng)器增益參數(shù)調(diào)整前后各做10組實(shí)驗(yàn)，表2為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表，圖11為實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析圖。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

表2 （續(xù)）

圖11 驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，未優(yōu)化前每根石墨棒的平均加工用時(shí)為24.92秒，加工整盒料平均用時(shí)1346秒；優(yōu)化動(dòng)作流程后每根石墨棒的平均加工用時(shí)為23.61秒，加工整盒料平均用時(shí)1275秒，較優(yōu)化前單根石墨棒加工用時(shí)提高了1.31秒，加工整盒料平均用時(shí)較優(yōu)化前提高近1分鐘；優(yōu)化動(dòng)作節(jié)拍后每根石墨棒的平均加工用時(shí)為24.24秒，加工整盒料平均用時(shí)1309秒，較優(yōu)化前單根石墨棒加工用時(shí)提高了0.68秒，加工整盒料平均用時(shí)較優(yōu)化前提高了37秒；優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器參數(shù)后每根石墨棒的平均加工用時(shí)為22.80秒，加工整盒料平均用時(shí)1231.2秒，較優(yōu)化前單根石墨棒加工用時(shí)提高了2.12秒，加工整盒料平均用時(shí)較優(yōu)化前提高了近兩分鐘；同時(shí)優(yōu)化動(dòng)作流程、節(jié)拍和驅(qū)動(dòng)器參數(shù)后每根石墨棒的平均加工用時(shí)為21.85秒，加工整盒料平均用時(shí)1180.6秒，較優(yōu)化前單根石墨棒加工用時(shí)提高了3.07秒，加工整盒碳棒平均用時(shí)較優(yōu)化前提高了近3分鐘。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，對(duì)自動(dòng)填料裝置的動(dòng)作順序、節(jié)拍和驅(qū)動(dòng)器參數(shù)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化后，效果提高顯著，加工整盒料平均用時(shí)提高近三分鐘，且自動(dòng)填料裝置系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，正常工作過(guò)程中無(wú)出錯(cuò)情況。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)制作光譜實(shí)驗(yàn)分析石墨棒所存在的問題及難點(diǎn)分析，設(shè)計(jì)一套光譜實(shí)驗(yàn)樣品智能處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PLC控制器、觸摸屏及傳感器技術(shù)研制一款高自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)裝置，能實(shí)現(xiàn)光譜石墨棒上料、填料、下料和清洗等功能。該設(shè)備彌補(bǔ)了我國(guó)光譜實(shí)驗(yàn)室制作填料石墨棒通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備的技術(shù)空白，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該裝置能有效克服石墨棒填料過(guò)程中所遇到的相關(guān)問題，提高了填料效率，降低了人工成本，增強(qiáng)了我國(guó)光譜實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化水平。該裝置具有十分可觀產(chǎn)業(yè)化前景。