基于富士SPF的盤類料倉控制系統設計

田騰飛， 黃東

（寶雞機床集團有限公司，陜西 寶雞721000）

0 引 言

隨著社會進步和基礎工業的發展，在“中國制造2025”以及國際“工業4.0”的背景下，人們對自動化生產線的需求逐漸增多，要求也越來越高。自動料倉作為自動生產線中的物流設備，在工業自動化生產線中的應用越來越多，對于料倉的搬運、提升性能和穩定性的要求也越來越高，它的性能直接影響整條自動線的可靠性。

本系統所采用的伺服電動機轉矩范圍大、性能穩定、響應速度快，量產化的伺服電動機成本反而低于特殊定制的大轉矩步進電動機。在速度控制模式下，通過伺服放大器的軟元件進行I/O通信，配合外部傳感器實現電動機的啟停控制，用PLC邏輯控制分段速度的切換，可根據需求改變速度，操作便捷。

1 料倉的結構組成

料倉由工位旋轉機構、毛坯上料提升機構、成品下料提升機構組成，如圖1所示。

旋轉運動機構主要由變頻電動機、減速機和鏈條組成；提升運動機構主要由伺服電動機、皮帶輪傳動機構、絲桿組成。

2 控制系統簡介

本系統采用富士最新推出的綜合控制器MICREXSX可編程控制器SPF，該控制器支持機械控制所需的序列命令運算功能或高速數據處理，最大支持60點基本輸入輸出硬線接口，內存容量支持程序20Kstep和數據40Kword，可支持RS-232C、RS-485、Ethernet通信，輸出類型有繼電器輸出和晶體管輸出，晶體管輸出支持漏級輸出和源級輸出選型。

ALPHA5 Smart系列伺服放大器是富士電動機新推出的高性價比伺服放大器，集成ALPHA5 的核心功能，其便捷的設計可適用于各種各樣的用途，支持位置控制、速度控制、轉矩控制3種控制模式，內置標準型定位功能。可通過Modbus-RTU、DI/DO信號、脈沖串/模擬量輸入進行控制運行。

圖1 料倉結構設計圖

3 控制系統硬件設計

為了滿足不同尺寸、不同質量盤類毛坯的提升托舉定位，采用速度控制的方式，結合外部傳感器，通過DI/DO指令輸出序列的硬接線控制伺服放大器的運行，實現毛坯托盤的上升和下降，達到滿負載可靠自動運行的目的。

3.1 硬件配置

PLC主機選擇漏型輸出，直接與放大器的DI/DO接口通信，伺服電動機選擇增量式編碼器，旋轉移動控制電動機選擇變頻電動機即可滿足使用要求，硬件配置清單如表1所示。

3.2 硬件連接原理

表1 硬件配置清單

在伺服放大器的指令輸入輸出序列軟元件上分配功能信號，速度控制只需分配正轉信號、反轉信號、速度選擇信號、使能信號、驅動報警信號即可滿足料倉的控制需要。外圍傳感器信號接入PLC經過邏輯處理輸出至伺服放大器，實現料倉的自動運行。

富士電動機的ALPHA5 Smart系列伺服放大器支持輸入輸出序列軟元件功能分配的接口為CN1插頭，PLC基本單元NAOPA60T和擴展DO模塊NAOE08T-O為晶體管漏型輸出，輸入選擇24 V輸入。因此為了使PLC和伺服放大器DI/DO信號兼容，CN1插頭的COMIN和COMOUT接入系統DC24 V（L+）。CONT1～CONT5端口為輸入信號，OUT1～OUT3為輸出信號。CONT1的設定參數PA3_01=1，CONT2 的 設 定 參 數PA3_02=2，CONT3 的 設 定 參 數PA3_03=3，CONT4的設定參數PA3_04=51，CONT5的設定參數PA3_05=52。OUT1的設定參數PA3_51=1，OUT2的設定參數PA3_52=14，OUT3的設定參數PA3_53=76。

伺服放大器選擇RYH401F5-VV2，采用單項AC220 V供電可以滿足要求，匹配帶抱閘電動機為GYB401D5-RG2-B，增量式編碼器反饋。伺服控制硬件連接原理圖如圖2所示。

圖2 伺服控制硬件連接原理圖

4 控制系統軟件設計

在該控制系統中，包括伺服控制的上料位、下料位提升機構和變頻控制的托盤工位旋轉運動機構，利用PLC可編程控制器的步序控制實現邏輯控制。

4.1 邏輯流程設計

系統初始狀態→判斷托盤工位是否旋轉到位→判斷該工位托盤上的物料是否是毛坯→判斷上料位提升機構是否到達向上方向最高位置，或者下料位提升機構是否到達向下方向最低位置→判斷上料位提升機構和下料位提升機構是否都在最低位置→料盤工位正轉。如有異常情況，執行以上所有步序復位，停止運行。

圖3所示為伺服控制的上料位和下料位提升機構，實現了自動判斷、自動定位、自動物料流轉傳送功能。

圖4所示為伺服控制的原理，利用伺服的閉環控制和高分辨率編碼器反饋，對電動機實現了精準控制，結合外圍傳感器，使整個系統形成閉環回路，保證自動料倉的可靠運行。

圖3 伺服提升模塊流程圖

4.2 PLC控制程序設計

圖4 伺服控制系統原理圖

本控制系統的編程軟件選擇較為直觀的MICREX-SX Standard V3標準版，使用LAD邏輯語言，另外還有專家版的MICREXSX Expert（D300win）可以選擇。主要軟件信號定義如表2所示。

料倉的提升速度不需要實時改變，因此預先在伺服放大器設置兩段速度V1和V2分別作為有料慢速和無料快速運行速度，按3.2節所述內容分配伺服放大器CN1輸入輸出序列軟元件，完成參數配置。

PLC程序首先進行初始化處理，進行狀態監測和異常情況處理。狀態正常時，伺服放大器使能（SON）后返回準備好（RDY）信號，系統自動打開抱閘，可以通過操作面板對料庫進行各種方式控制。初始化主要部分程序如圖5所示。

表2 PLC信號定義

圖5 初始化主要部分程序

富士新推出的SPF系列可編程控制器支持Sn.0-Sn.98步序控制，自動運行的程序采用步序控制的方式進行編寫，邏輯層次嚴謹、簡明易懂，擴展性比較強，可以根據需求增加其他動作機構的步序。步序控制的主要程序如圖6所示。

5 結 語

自動料倉兩個物料提升工位選擇伺服放大器的速度控制，按照80 kg的設計標準，可以穩定實現滿負載、大轉矩提升。工位旋轉采用變頻電動機，實現了最佳性價比。實際測試本控制系統能夠穩定運行，滿足自動化設備的自動上下料、物料存儲功能，可作為標準產品配套自動化單元使用。

圖6 步序控制的主要程序