電池極片自動分選機PLC控制系統設計

黃躍娟 華昊潞 于家寶

【摘 要】本文中使用了伺服電機、伺服驅動器、負吸式吸盤、稱重傳感器等原件為主要執行元件，PLC為核心控制元件實現了電池極片的自動稱重分選，降低人工成本，提高生產效率，降低產品誤差。

【關鍵詞】伺服電機;PLC;負吸式吸盤;伺服驅動器

1、引言

電池極片是電池的重要組成部分，電池極片的產品質量會對電池的使用效果及使用壽命產生重要影響，因此，確保電池極片質量優越是電池生產過程的重要環節之一，同種型號規格的電池，其電池極片的形狀、重量各參數均要保證在一個較小的范圍內，稱重分選是保證電池極片質量最常用也是最有效技術手段之一，現今的稱重分選工作過程主要是使用電子稱稱量電池極片的質量，再以人工讀取質量信息，根據所稱量的質量信息對電池極片實行人工篩選，此方法需投入大量人員，增加了工作成本，且人工篩選效率偏低，篩選過程中易受人為因素的影響造成誤差，篩選精度較低。因此本文設計了電池極片自動分選機PLC控制系統。

2、設計方案

目前大部分的分選機構對速度的要求比較高。但是速度的提高是令企業也為之，提高速度就意味這增加機械手的數量，但是企業的生產流水線，不可能單獨配置更多的機械手。因為機械手在整個系統之中相對比較大，位置不好選擇，還有最重要的一項就是造價非常的高昂，企業雖然提高了生產的速率，但是挺高好幾倍的元件成本，對于企業來說得不償失。我們在設計電池極片自動分選機采用相對廉價的負吸式吸盤代替機械手，實現了成本低，分選速度快，性能穩定可靠，操作方便實用的新型電池極片自動分選機。采用負吸式吸盤的電池極片稱重分選機在機械結構上分為電池極片稱重區、電池極片物料區和電池極片相應重量區，由96個負吸式吸盤組成這么多的吸盤，其價格確實很實惠。而且還能對流水線上的配置節省空間。其放置的位置可以與電池極片相對應。這樣就夠成了抓取機構。方便物料的抓取與放置。完成電池極片托盤由物料區到稱重區再到電池極片相應的重量收集區的完整過程。

采用負吸式吸盤的電池極片分選機的工作步驟如下：

步驟1：傳送帶將電池極片傳送到進料區然后有負吸式吸盤抓取電池極片至電池極片稱重區，預分類電池的電池極片接觸到吸盤表面。

步驟2：PLC根據電池極片重量的檢測結果和設定的分類方法，控制電池上方的吸盤式將電池極片吸起。

步驟3：伺服電機將不同重量的電池極片運送到相應的區域，放下電池極片，吸盤復位。

步驟4：回歸原點等待下一輪動作。

3、系統硬件設計

在主電路中包含兩個大的部分，一部分是縱軸電路，主要負責控制的是負吸式吸盤的上行動作與下行動作。第二部分是橫軸電路，主要負責控制的是負吸式吸盤的橫軸移動與原點回歸。縱軸電路的核心器件是變頻器與三項電動機。橫軸電路的核心器件是伺服驅動器與伺服電機。變頻器與伺服驅動器均是由PLC進行控制使其相互之間的動作互不沖突，互不干擾。

縱軸電路用的是臺達VFD-E變頻器控制電機上行與下行運動，因為使用的是負吸式吸盤所以可在吸盤上安裝接觸式開關用以保證當吸盤完全吸附電池極片后改變變頻器動作，運行狀態由下行狀態變為上行狀態，當負吸式吸盤上行到上限位開關時時，觸發上限位開關，變頻器改變其頻率，調整頻率為零。在橫軸將吸盤送到相應的分選位置后重復以上動作。

臺達VFD-E系列變頻器內置PLC控制功能，可取代小型單片機控制器、計數器及定時器等且提供多樣化的現場總線類型，歐系的設計及并排安裝又可加掛導軌背板，小巧的體積大大的節約了控制柜的空間，內建的濾波器完全符合CE/UL標志，適用于對功能要求低的機床行業。

橫軸電路以伺服驅動器為核心動作元件，它具有定位精度高，安全可靠，超調性好等特點。充分滿足了設計控制要求，實現相應動作。其與縱軸臺達VFD-E變頻器之間為互鎖關系，在稱重數據傳送到可編程控制器后判斷電池極片極片應安放區域，可編程控制器發出指令信號控制伺服驅動器，伺服驅動器控制伺服電機做出相應動作，實現精確定位，準確放置電池極片后回歸物料區，等待下一動作循環。

根據設計要求與實際情況選用的PLC型號為臺達28SV其具有運動控制功能和高速脈沖輸出：4點200kHz支持4點200kHz硬件高速計數器增加了多種運動控制指令，以達到高速精準定位控制功能，能有效應用在貼標機、包裝機、印刷機等設備上的直線/圓弧插補運動控制功能，外部輸入中斷提升為16個中斷輸入，完整的程序保護功能程序自動備份功能，電池沒電程序也不會消失第二份備份功能，可儲存第二份程序與數據多達4重的PLC密碼保護。

現有的電池極片稱重系統的主控機構和傳動機械多為使用皮帶進行傳動，使用時間久了皮帶會松動打滑，影響機械的工作效率且安全性會大大的降低。在使用可編程控制器控制后我們可以使用限位開關與觸發開關進行位置控制。應用稱重傳感器對電池極片進行稱重，傳感器的信號傳遞給可編程控制器，PLC會對電池極片重量信息進行分析比較對伺服驅動器發出指令進行控制，同時可以控制變頻器的運動狀態。監控二者的運動軌跡以組態的形式反應給使用者。

在這系統中使用了少量的限位開關，在橫軸的兩端各安裝有一個限位開關在橫軸兩端使用限位開關其主要目的是防止伺服電機的跑脫。在原點前也安有限位開關。原點前限位開關的作用是伺服電機在執行原點回歸指令時的減速開關，因為伺服電機在做原點回歸動作時是高速運動，即將到達原點位置時是需要減速的，所以添加了限位開關充當減速開關，在變頻器縱軸上的限位開關作用是控制變頻器的上行限位。使用觸摸屏代替傳統按鍵控制PLC運行，減少了因傳統按鍵老化或連接錯誤而產生的事故。

4、系統軟件設計

根據控制要求、硬件設計、元件選型。控制大體流程為開始后系統初始化，伺服電機回歸原點因為在上次停機時伺服電機的停機位置不確定所以需要原點回歸。在原點回歸后縱軸負吸式吸盤下降從物料區抓取物料然后上升，上升到上限位時停止運動，伺服電機橫移到稱重區上方停止運動，變頻器控制吸盤下降然后放下物料，進行物料稱重，重量信息通過變送器傳遞給可編程控制器，變送器與可編程控制器之間的通信協議為MODBUS方式協議，使用的鏈接線纜為RS-485串行通信線。在數據傳入到可編程控制器后在可編程控制器中進行比較然后控制吸盤下降抓取物料，伺服橫移到與物料重量相對應的重量區。變頻器下降放下物料后控制吸盤上升，伺服回歸物料區上方重復流程。

5、結論

在本文中首次使用了伺服驅動器并使用了質量傳感器。通信方式使用的是RS-485串行通信這種通信方式存在很多問題，雖然其抗噪聲干擾性好并不適用于電磁環境較復雜的工廠環境。同時應用的是臺達ASDA-A2系列伺服驅動器提高了分選時的定位準確性，變頻器的使用即達到了設計要求又降低了成本。

參考文獻：

[1]李利，王玉菊.PLC在機械手分揀系統中的應用[J].科學之窗.2012

[2]王兆義.可編程序控制器教程[M].第三版.機械工業出版社，2014

（作者單位：哈爾濱華德學院 機器人工程學院）