新型硅酸鈣板堆垛機控制系統的設計與實現

摘要：針對國內傳統的硅酸鈣板堆垛機存在生產效率低、維護費用高、定位不準等問題，改進設計了一種新型硅酸鈣板堆垛機控制系統.該堆垛機控制系統以西門子S7-1200可編程控制器為控制核心平臺，配合SEW伺服驅動器、SEW同步伺服電機和西門子KTP1200PN觸摸屏，完成了對堆垛機的控制.該控制系統取消了傳統堆垛機下方的液壓升降平臺，消除了液壓升降平臺故障造成生產線停機的影響.通過對堆垛機吸盤運行軌跡的優化，引入了車體行走、吸盤升降安全高度的新思路.采用吸盤不上升到頂，車體即可行走的特殊算法設計，縮短了吸盤升降的行程，節省了堆垛機單個周期的運行時間，將傳統相同行程的堆垛機單個周期運行時長由先前的15 s縮短至最快10 s.通過實際使用表明，本控制系統穩定可靠，配置經濟實用，車體及吸盤定位精準，堆垛整齊，提高了工作效率.

關鍵詞：硅酸鈣板;堆垛機;PLC程序;觸摸屏

中圖分類號：TP273文獻標志碼：A

Design and Implementation of Control System for New Calcium Silicate Board Stacker

PENG Hui

（Wuhan Building Material Industry Design amp; Research Institute Co. Ltd.， Wuhan 430200， China）

Abstract： In view of the problems of low production efficiency， high maintenance costs， and inaccurate positioning of traditional domestic calcium silicate stackers， a new type of calcium silicate plate stacker control system was improved and designed. Siemens S7-1200 programmable logic controller was used as the core platform to control stacker， together with SEW servo driver， SEW synchronous servo motor and Siemens KTP1200PN touch screen， the control of stacker was completed. The control system canceled the hydraulic lift platform under of traditional stacker and eliminated the impact of hydraulic lift platform failure on production line shutdown. By optimizing the running trajectory of the stacker sucker， a new idea is introduced for the safe height of the vehicle body walking and sucker lifting. A special algorithm designed and adopted in which the sucker does not rise to the top and the car body can walk. This shorten the journey of sucker and saved the running time of a single cycle of the stacker， and the operation time of a single cycle of the stacker has been shortened from the previous 15 seconds to a maximum of 10 seconds for the traditional stacker with the same stroke. Actual use shows that this control system is stable and reliable， the configuration is economical and practical， the car body and sucker are accurately positioned， and the stacking is neat， which improves work efficiency.

Key words： calcium silicate board; stacker; PLC program; touch screen

硅酸鈣板堆垛機作為硅酸鈣板生產線中的關鍵設備之一，它的工作效率也直接影響著硅酸鈣板生產線的產量.目前，國內傳統的硅酸鈣板堆垛機配置液壓升降平臺，吸盤升降采用氣缸控制，車體橫移行走采用普通電機的控制模式.這種配置液壓升降平臺的硅酸鈣板堆垛機工作效率相對較低，而且隨著液壓升降平臺液壓元件的老化，容易出現液壓系統漏油現象，造成環境污染.后期更換液壓元件和液壓油的維護費用較高，一旦液壓升降平臺故障，會造成生產線停機.此外，由于傳統的硅酸鈣板堆垛機車體橫移行走采用普通三相異步電機，配合增量型編碼器、外部接近開關和行程限位開關來判斷車體移動是否需要減速或者到位停車的控制方式，當堆垛機提速后，會出現車體定位不準現象，導致板坯堆垛不整齊.國外硅酸鈣板堆垛機控制系統，以德國Wehrhahn公司的產品為代表，該公司在中國大陸銷售的硅酸鈣板堆垛機控制系統，采用全伺服驅動，吸盤升降長行程，同時取消了液壓升降平臺.但吸盤運行軌跡采用的是吸盤升到頂，車體才能行走的模式.盡管該控制系統表現出了相對優越的性能，但其價格高昂，性價比偏低，無法滿足國內大部分硅酸鈣板廠家需求.為了克服傳統硅酸鈣板堆垛機的上述問題，降低設備的制造成本，提高堆垛機的工作效率，減少維護費用，提升性價比，設計開發新型的硅酸鈣板堆垛機控制系統變得極為重要.

1硅酸鈣板堆垛機的工作原理

硅酸鈣板堆垛機主要由機架、橫移車體、高壓離心風機、吸坯吸盤、真空發生器以及吸模板吸盤等組成.其中橫移車體主要由伺服電機及減速機組成，通過伺服電機的運行帶動橫移車體往復運動，實現吸坯吸盤和吸模板吸盤的左、右移動，并進行定位.機架上的高壓離心風機風門將風機的進風口連接到坯盤吸盤上，并由氣缸伸縮更換吸盤內腔的負壓或常壓，即常壓時釋放，負壓時吸附.吸坯吸盤內腔的負壓由高壓離心風機通過風門換向閥產生，吸坯吸盤主要用來從接坯機上吸取濕坯，送至混合垛上放坯堆垛.真空發生器的壓縮空氣由電磁換向閥控制供氣與斷氣，當供給真空發生器壓縮空氣時，真空發生器將產生負壓，從而吸附模板，反之放模板.吸模板吸盤為射流吸盤，射流吸盤的負壓由真空發生器產生，它主要從模板垛吸取模板，送至模板堆垛.吸模板吸盤和吸坯吸盤之間通常采用一張模板一張坯板的堆垛模式進行工作.各主要機械動作采用交流伺服電機傳動及氣壓傳動，通過伺服控制器、PLC可編程控制器及電氣控制實現自動或半自動操作［1］.

2控制系統的硬件選型

硅酸鈣板堆垛機控制系統主要由PLC可編程控制器、伺服電機、伺服驅動器、觸摸屏、氣動元件及執行機構、行程開關、接近開關等主要部件組成，如圖1所示.

PLC作為一種邏輯控制器，在自動化領域中扮演重要角色［2］，其性能直接影響著控制系統的穩定性.本硅酸鈣板堆垛機控制系統的可編程控制器選用西門子S7-1200 1214C DC/DC/DC，訂貨號為6ES7 214-1AG40-0XB0，此款可編程控制器是一款高性能的緊湊型、模塊化的控制器［3］，該型號可編程控制器集成了14點數字量輸入、10點數字量輸出、2路模擬量輸入信號，可以對信號模塊進行擴展，最多擴展8個信號模塊.除此之外，還可以擴展1塊信號板，3個通信模塊.CPU本身具有6個高速計數器，14個脈沖捕捉輸入，4個延時中斷或循環中斷.用戶通過配置存儲卡用來保存數據，并具有實時時鐘保持功能.此可編程控制器還集成了1個PROFINET接口，可以用于編程、HMI以及PLC間的數據通信，通信數據傳輸率10/100 Mb/s；布爾運算執行速度高達0.08 μs/指令；該模塊功耗為12 W［4］.

開關量輸入/輸出模塊選用SM 1223 DI16/DQ16 x 24 V DC，訂貨號為6ES7 223-1BL32-0XB0.此模塊功耗4.5 W，SM總線電流消耗185 mA，24 V DC電流消耗為200 mA.此模塊有16個輸入通道，4 mA額定電壓為24 V DC，最大允許的連續電壓為30 V DC，浪涌電壓允許35 V DC持續0.5 s.此模塊有16個固態—MOSFET（源型） 輸出通道，浪涌電流8 A，最長持續 100 ms，隔離電壓為707 V DC，最大電流0.5 A，電壓范圍為直流20.4～28.8 V.

伺服電機及伺服驅動器選用德國SEW公司的產品，其中伺服電機選用SEW的CM系列永磁激勵三相同步電機，內置絕對值型編碼器.它具有非常高的功率密度，可承受高扭矩，且具有最佳控制特性.此系列電機可精準定位任何慣性值的物品，配備高能量釹鐵硼磁體，可以實現400％倍于靜態電流，具備優良的超載性能，伺服電機自帶絕對值型編碼器和獨立風扇.伺服驅動器選用SEW公司的MDX61B系列產品.它是一款模塊型的伺服驅動器，支撐外置擴展通信接口和外置擴展編碼器接口.該伺服驅動器內置的位置處理器，具備擴展總線位控功能，配合SEW伺服電機的絕對值編碼器，構成閉環控制系統，具有控制可靠、響應快速、運行速度穩定等特點［5］.為實現SEW伺服驅動器與S7-1200 PLC之間的 Profinet網絡通信，伺服驅動器配置DFE32B Profinet 通信卡.

觸摸屏選用西門子KTP1200 Basic PN，訂貨號為6AV2 123-2MB03-0AX0，該觸摸屏為12″ TFT 顯示屏［6］，65 536 顏色，按鍵和觸摸操作，10個功能鍵，1 個 PROFINET口，1個 USB口，能實現與西門子S7-1200可編程控制器的Profinet網絡通信.氣動元件選用FESTO品牌的產品，行程開關、接近開關選用OMRON品牌的產品.

3控制系統的軟件設計

新型硅酸鈣板堆垛機控制系統的軟件設計，主要包含PLC程序設計、吸盤運行軌跡算法的設計、觸摸屏畫面的設計.

3.1PLC程序設計

堆垛機PLC程序設計是根據堆垛機的控制邏輯，使用PLC可識別的編程語言，將堆垛機配套電氣設備的執行條件與動作要求轉化為PLC程序，再經過CPU 的運算和處理，獲得所需要的執行元件的動作.為便于后期工程技術人員對本堆垛機控制系統PLC程序的優化和修改，PLC程序采用西門子TIA Portal V14 SP1軟件編寫，PLC程序的編程語言選用通俗易懂、直觀易于維護的梯形圖編寫.本控制系統中PLC與伺服驅動器、PLC與觸摸屏之間的數據交換均通過Profinet網絡通信實現，提高了控制系統的穩定性和可靠性.為完成PLC與伺服驅動器、PLC與觸摸屏之間的數據交換，必須在開始系統程序編寫之前，設置好PLC及SEW伺服驅動器的IP地址.在西門子TIA Portal V14 SP1軟件上對控制系統的硬件設備進行組態［7］，加載SEW伺服驅動器配套PROFINET系統使用的GSDML（General Station Description Extensible Markup Language，GSDML）文件，再選擇所要組態的過程值.本控制系統選擇“6PD”，PLC 從SEW伺服驅動器接收6個過程輸入字“6PI”，包括狀態字、實際位置、實際轉速、有功電流、利用率；PLC向SEW伺服驅動器發送6個過程輸出字“6PO”，包括控制字、目標位置、 設定速度、加速時間、減速時間.在西門子TIA Portal V14 SP1軟件組態界面中配置對應的輸入、輸出映射地址，分配Profinet設備名稱，完成硬件組態［8］.有關硬件組態網絡視圖如圖2所示.

本硅酸鈣板堆垛機的控制分為自動和手動兩種控制模式.在手動模式下，操作人員手動點擊觸摸屏上的相關按鍵，將相關信息傳送給PLC，PLC通過已經編寫好的控制邏輯，執行相關控制程序來控制堆垛機的吸盤升降、吸盤行走、各電磁閥的開啟和關閉，風機的啟/停等操作；在自動模式下，當PLC接收到接坯機上的橫切皮帶上板坯停止到位信號，可啟動板堆垛機的自動運行程序，完成一個完整周期的堆垛工作.堆垛機在一個堆垛周期的工作流程，主要經過以下步驟，第一步：水切割機橫切閥開啟，堆垛機的坯盤和模盤由堆垛機的模板側原點向接坯機側終點方向快速移動，噴水切割板坯，至接坯機側終點處，吸盤停止移動，完成切坯工作，關閉橫切水閥.第二步：坯盤和模盤在堆垛機的接坯機側終點位置處快速下降，下降到位，吸盤停止下降，坯盤電磁閥開啟，吸坯板;模盤電磁閥關閉，放模板，同時啟動延時.第三步：坯盤和模盤在堆垛機的接坯機側終點位置處下降到位延時時間到達，坯盤和模盤分別快速上升，上升到位，吸盤停止上升.第四步：吸盤及水切割刀頭開始由堆垛機的接坯機側終點向模垛側原點方向快速橫移，至模垛側原點位置處，坯盤和模盤停止移動.第五步：坯盤和模盤在堆垛機的模垛側原點位置處快速下降，下降到位，吸盤停止下降，坯盤電磁閥關閉，放坯板.模盤電磁閥開啟，吸模板，同時啟動延時.第六步：坯盤和模盤在堆垛機的坯板側原點位置處下降延時時間到達后，吸盤開始快速上升，上升到位，吸盤停止上升.經歷以上六個步驟，堆垛機完成一個堆垛周期的工作流程.堆垛機控制系統的控制邏輯流程圖如圖3所示.

3.2吸盤運行軌跡算法的設計

吸盤運行軌跡的優化是提高硅酸鈣板堆垛機工作效率有效手段之一.新型硅酸鈣板堆垛機控制系統的車體橫移行走和吸盤升降均采用SEW伺服電機，配置絕對值型編碼器來控制.因無液壓升降平臺，在實際生產過程中，混合垛通常采用是一張板坯加一張鋼模板或者多張板坯加一張鋼模板的堆放模式，混合垛的高度會隨著吸盤將板坯和鋼模板放入混合垛的張數增加而逐步增高.模盤將鋼模板從模垛上吸走放入混合垛，隨著模垛上的鋼模板張數減少，模垛高度會逐漸降低.由于混合垛和模垛的高度變化，則吸盤每次下降的位置也需跟隨混合垛和模垛的高度的變化而改變.由于每次板垛小車更換后，混合垛和模垛的初始高度，控制系統是未知的，為了讓控制系統采集到混合垛和模垛的高度，控制系統需要對混合垛和模垛的初始高度進行測量.

3.2.1垛位初始高度算法設計

在手動模式下，讓控制系統啟動垛位測量程序，將模盤慢速下降至模垛上，直到觸發模盤下降到位的接近開關信號，停止模盤下降，記錄此時模盤伺服電機的編碼器值，即為模垛的初始高度，計為X mm.同時，讓坯盤慢速下降至混合垛上，直到觸發坯盤下降到位的接近開關信號，停止坯盤下降，記錄此時坯盤伺服電機的編碼器值，即為混合垛的初始高度，計為Y mm.在垛位測量模式下，吸盤測量好模垛和混合垛高度后，先低速上升100 mm，再切入高速上升模式，直到吸盤上升到頂，停止上升.

為實現模盤在混合垛不進行初始高度測量，提高硅酸鈣板堆垛機的工作效率，需要確保吸盤上升時，電機的運行方向為CW（Clock wise，CW）正向，伺服電機編碼器數值越來越大；吸盤下降時，電機的運行方向為CCW（Counter-clock wise，CCW）反向，伺服電機編碼器數值越來越小.吸盤距離地面的高度控制在同一標高上，即在此位置，分別將模盤和坯盤伺服絕對式編碼器值標定為零點位置.

3.2.2吸盤不上升到頂，車體即可行走算法設計

因硅酸鈣板堆垛機工作時，在模板側原點和接坯機側終點之間往復移動的距離是固定的.為了實現吸盤不上升到頂，當吸盤上升至安全位置時，車體即可行走橫移，這樣能夠節省時間，提高工作效率.在觸摸屏主界面上設置單張模板的厚度為a mm，單張坯板的厚度為b mm.在觸摸屏的伺服參數界面上設置吸盤安全高度為c mm，模盤上升到頂高度為P mm，坯盤上升到頂高度為q mm，模盤在接坯機側下降到位高度為e mm，此高度即為接坯平臺高度.為了確保車體在行走橫移過程中，吸盤不發生與接坯機、模盤、混合垛的碰撞事故發生，模盤、坯盤必須上升至安全高度，車體才能行走橫移.

假設模盤從模垛吸走的鋼模板數量為f張，則模垛的當前高度可以表示為

H模垛=X-（a×f） mm

假設模盤從混合垛放下的鋼模板數量為f張，坯盤從混合垛放下的板坯數量為g張，則混合垛的當前高度可以表示

H混合垛=Y+（a×f）+（b×g）mm

控制系統實時比較混合垛和模垛高度，當混合垛高度高于模垛高度時，則模盤需上升的安全高度可以表示為H模盤安全高度=Y+（a×f）+（b×g）+c mm，坯盤上升的安全高度可以表示為H坯盤安全高度=e+c mm，即認為吸盤上升至安全位置，不上升到頂，車體即可行走橫移.

當模垛高度高于混合垛高度時，則模盤需上升的安全高度可以表示為H模盤安全高度=X-（a×m） +c mm，坯盤上升的安全高度可以表示為H坯盤安全高度=e+c mm，即認為吸盤上升至安全位置，不上升到頂，車體即可行走橫移.

3.3觸摸屏畫面設計

堆垛機觸摸屏畫面的設計采用西門子TIA Portal V14 SP1編程軟件來完成.觸摸屏畫面的設計主要包含主操作界面、伺服驅動器參數設置界面、伺服電機編碼器零點標定界面、I/O信號監控界面的設計.

3.3.1主操作界面的設計

主操作界面主要是根據堆垛機操作人員的操作流程，將需要經常操作的設備按鈕集中在主操作界面上.操作人員可以從該界面進入相關的分界面，各個分界面也可以一鍵返回主操作界面.在主操作界面上，顯示堆垛機吸盤的位置信息，限位開關、接近開關、各垛位的高度信息，堆垛機的手動/自動工作狀態信息，各電磁閥的工作狀態.在主操作界面上，可以完成堆垛機的手動/自動模式切換.在手動工作模式下，可以操作堆垛機的各吸盤行走、升降、回原點，各電磁閥的操作，風機的操作，設置板坯厚度參數等；在自動工作模式下，按自動運行按鍵，可以讓堆垛機進入自動運行狀態.堆垛機主操作界面如圖4所示.

3.3.2伺服參數設置界面的設計

伺服參數設置界面主要用來設置堆垛機各伺服驅動器的參數.因伺服驅動器的參數設置錯誤，可能導致設備的損壞和人員的傷亡.為此，為了確保設備和人員安全，伺服驅動器參數設置界面需通過輸入正確的用戶名和密碼，才可以進入相應權限的參數設置界面.如設置堆垛機吸盤上升到位高度，吸盤的行走運行的起點、終點位置，伺服驅動器的加速時間、減速時間、回零速度、手動速度、工作時的自動速度、吸盤下降到位延時上升時間等參數值.

3.3.3零點標定界面的設計

零點標定界面主要用來設置伺服電機絕對值型編碼器的參考零點位置.因伺服電機編碼器零點位置的改變會影響本系統伺服驅動器所設置參數的有效性；為提高設備的安全性，故本界面為加密的登錄界面設計.只有輸入正確的用戶名和密碼，開啟高級權限才能進入伺服電機編碼器零點標定界面來對伺服電機的編碼器進行零點標定.

3.3.4I/O狀態監控界面的設計

I/O狀態監控界面用來監控PLC的輸入點和輸出點的狀態.該界面可以用來查看吸盤是否下降到位，是否上升到位，吸盤是否處于原點位置，吸盤是否處于終點位置，以及電磁閥的工作狀態和風機的工作狀態.當堆垛機控制系統出現故障時，此界面可用來診斷PLC系統中各輸入點和輸出點的連線是否正確，是否有外部輸入信號和內部輸出信號.

4現場測試與使用情況

目前，本控制系統已成功應用于法國圣戈班集團越南協富公司的2#、3#、4#硅酸鈣板生產線，以及佛山市三水家美樂建材公司1#硅酸鈣板生產線.應用實踐表明本控制系統相對于傳統硅酸鈣板堆垛機控制系統，表現出更加優越的性能，尤其在定位精度、維護費用、工作效率等方面極為突出，兩者具體比較如下：

傳統硅酸鈣板堆垛機控制系統：其車體橫移行走采用普通三相異步電機，吸盤升降采用氣缸升降，開環控制.車體橫移行走定位依靠外部增量型編碼器、接近開關或行程開關來定位，吸盤升降受氣缸行程限制；液壓升降平臺的升降速度越快，定位精度越差，且液壓升降平臺升降過程中會出現抖動現象，影響液壓系統密封圈的使用壽命；車體橫移行走速度越快，車體定位誤差越大，最大定位誤差高達100 mm，導致板坯擺放不整齊；配備液壓升降平臺，液壓升降平臺平均每半年需要維護保養，更換液壓油及液壓密封件，維護費用較高，且費工費時.在車體行走2 m的行程，吸盤升降0.3 m的行程下，完成圖3 所示堆垛機控制系統的控制邏輯流程圖的單個循環周期達15 s，才能完成兩張1 220 mm×2 440 mm，厚度為6 mm硅酸鈣板的堆垛工作；液壓系統可能出現漏油現象，導致地面出現黑色油污，不便于清理.

新型硅酸鈣板堆垛機控制系統：車體橫移行走及吸盤升降均采用全數字式交流伺服驅動器和伺服電機，配置絕對值編碼器；閉環控制，車體橫移行走及吸盤升降，依據伺服電機的絕對值編碼器反饋值，精確定位，誤差不超過1 mm，板坯擺放整齊；無液壓升降平臺，免維護；在車體行走2 m的行程，吸盤升降1.3 m的行程下，完成圖3 所示堆垛機控制系統的控制邏輯流程圖的單個循環周期最快10 s，即可完成兩張1 220 mm×2 440 mm，厚度為6 mm硅酸鈣板的堆垛工作；無液壓系統漏油現象出現，更環保.

5結論

四年多來，本控制系統在硅酸鈣板生產線上的實際使用情況，充分驗證了本控制系統設計方案的可行性、穩定性及可靠性.本控制系統省去了傳統的液壓升降平臺，杜絕了液壓系統漏油現象發生，有效避免了液壓系統漏油對現場環境的污染.同時，本控制系統選用SEW全數字式交流伺服驅動器，配套絕對值編碼器的永磁同步電機，電機編碼器的數值斷電不丟失，有效避免了傳統配置增量型編碼器電機，在系統每次重新上電后都要執行回參考點的操作步驟，節省了時間.SEW全數字式交流伺服驅動器與S7-1200 PLC之間的Profinet網絡通信，實現伺服驅動器的擴展總線定位控制，提高堆垛機的吸盤定位控制精度，縮短了堆垛機單個周期的工作時長，將傳統相同行程的堆垛機單個周期運行時長由先前的15 s縮短至10 s，大大提高了堆垛機工作效率.

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［責任編輯趙小俠］