布糧機器人電氣控制以及PLC系統設計方式探究

摘 要：在糧食倉儲管理中，傳統人工存在效率低、管理效果差等問題，為解決這些問題，提升組件性能后使用自動化布糧機器人，采取PLC控制方式進行糧倉布糧。結果顯示應用布糧機器人顯著提高了糧倉布糧的效果，布糧機器人和PLC系統應在糧食倉儲管理中進一步推廣。

關鍵詞：布糧機器人；電氣控制；PLC系統設計

中圖分類號：TP 242" " " " 文獻標志碼：A

糧食進入倉庫后，工作人員須對其頂部的糧面進行整平，糧面整平的主要作用是提升糧食存儲空間的通風效果，減少病蟲害滋生，增加存儲時長，提高糧食存儲的安全性。國內每年生產大量糧食，為了提高糧面平整效率，可利用自動化機械設備——布糧機器人進行糧倉管理。基于PLC控制器的電氣化系統是布糧機器人的控制核心，本文對其進行研究。

1 布糧機器人以及可編程序控制器技術原理分析

1.1 布糧機器人工作原理

布糧機器人主要用于平整壓光糧面，提高糧食倉儲系統平整糧面的效率。如圖1所示，布糧機器人的機械結構包括4個模塊，分別為糧食上料傳送帶、糧食分料機構、水平傳送帶以及布料架，其中糧食上料傳送帶與運糧料斗相連接。料斗裝滿糧食后，糧食經過上料傳送帶到達糧倉頂部，再經過水平傳送帶向前運輸，最后由分料機構整平糧食表面。分料機構由流量調節、分料管、布料管、電機控制模塊、分流板和限流漏斗等組成。

1.2 可編程序控制器技術基本原理

可編程序控制器（PLC）是一種在工業自動控制系統中進行邏輯控制與順序控制的電子數字系統，它能自動產生和執行用戶需要的指令?？删幊绦蚩刂破骱诵乃枷胧菍⒏鞣N輸入信號（例如按鈕、傳感器等）輸入PLC控制系統中， 系統內部進行邏輯運算以及程序處理后輸出控制信號。在這個過程中，系統利用輸出模塊完成信號的輸出與執行，完成自動控制。可編程序控制器可以根據不同的生產要求定制相應的程序，其可編程性好、可靠性高和靈活性強，因此在工業生產中應用廣泛。它既節約了人力，又提高了工作效率，比傳統的繼電器控制性能更優越。其能夠在任何復雜的環境中穩定運行，具有自診斷和故障處理功能，還能根據實際需要對輸入、輸出模塊以及功能模塊進行靈活擴充，滿足不同控制要求。

2 布糧機器人電氣控制系統設計

2.1 電氣控制系統整體架構

2.1.1 控制原理分析

布糧機器人的上料傳送帶、水平輸送帶、往返式布料架和螺旋推進器均由三相電機進行控制。電機配置變頻器，能夠進行變速調節。布料管漏斗下方的2塊可活動擋板由1臺伺服電機進行控制。為了避免糧食堆積在布料管中，工作人員在其兩端各安裝1個光電開關，專門用于檢測糧食的堆積情況。

2.1.2 控制系統關鍵組件選型

電氣控制系統主要組件包括變頻器、三相電機、伺服電機、PLC控制器和觸摸屏等，電氣控制系統部分關鍵組件的選型結果見表1。

2.2 基于PLC的變頻控制

布糧機器人的多項運動由變頻控制器和三相電機進行控制，變頻器采用三菱Q系列PLC控制器，觸摸屏利用以太網向PLC控制器發送指令，PLC控制器經過CC-Link現場總線向上料皮帶、水平輸送帶、螺旋推進器和移動式布料架的變頻器發送指令，調節相關運動組件的速度[1]。由PLC控制器向伺服驅動器發送指令，再利用伺服驅動器控制伺服電機，完成系統對漏洞擋板的控制。PLC控制器和伺服驅動器之間的通信途徑為SSCNET III/H伺服總線。

3 布糧機器人PLC系統設計

3.1 PLC控制流程設計

3.1.1 設備控制流程

布糧機器人的設備控制流程如下：啟動機器人→由上料皮帶進行上料→糧食經上料皮帶流入水平輸送帶→糧食經水平輸送帶流入布料管道→螺旋推進器在布料管道內分布糧食→利用光電開關檢測布料管道內的糧食高度，控制漏斗開口，進行布糧→移動布料架，使其往返運動，帶動糧食均勻布置。

3.1.2 PLC控制流程

PLC控制流程如下：設備開機→檢測是否存在異?！袛嘤袩o報警→如果有報警，則處理報警，選擇工作模式→如果無報警，則直接選擇工作模式→進入自動工作模式（也可以選擇手動工作模式）→自動啟動→各個機構按照初始控制程序自行運動→檢測是否開始調節流量→如果流量調節功能正常啟動，則各變頻器和伺服驅動器開始工作，判斷流量是否調節成功→如果失敗，則發出報警信息[2]。

3.2 運動控制模塊設計

機器人運動控制模塊的作用為帶動伺服驅動器，進而控制伺服電動機。運動控制模塊利用電子齒輪控制機械設備，電子齒輪的移動量為S，計算過程如公式（1）所示。

S=IAP/（IAL·IAM）" " " " " "（1）

式中：IAP為電機旋轉1圈的脈沖數；IAL為電機旋轉1圈的機械移動量；IAM為單位倍率。

參數IAL的取值受到機械系統構造方式的影響，計算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：IPB為進給蝸輪的導程；為控制減速比例的參數。

在運動控制模塊中，可設置IAL的取值為0～2.0×107 μm，即最大值為2.0×107 μm。當取值超過最大值時，如公式（3）所示[3]。

（3）

式中：IAM可以取值為1、10、100以及1 000。

3.3 變頻器控制參數設計

布糧機器人有4臺變頻器，分別用于控制上料傳輸帶、水平傳輸帶、移動布料架和螺旋推進器。變頻器的頻率為可變參數，可以改變機械設備的運行速度。電機轉速的計算過程如公式（4）所示。

（4）

式中：n為電機轉速；f為變頻器電源頻率；p為電機旋轉磁場的極對數。

機器人三相異步電機的型號為德東YS8012-750W，其轉速為2 800 r/min，其極對數p為1，螺旋推進器轉速為75～90 r/min，變頻器的頻率f計算算方法如公式（5）所示。

（5）

式中：n1為螺旋推進器的轉速，取值為75 r/min；T為運行時間，取值為60 s。將以上參數代入公式中，可求得f=1.25 Hz。變頻器控制參數設置見表2。

3.4 現場CC-Link總線設計

機器人現場總線采用CC-Link網絡，利用CC-Link網絡進行PLC控制器與變頻器之間的交互，其主站模塊型號為三菱QJ61BT11N，能夠支持最大64站組網，性能穩定、成熟[4]。在布糧機器人的PLC控制系統中共設置5個從站，從站均采用CC-Link網絡。PLC控制器和變頻器之間利用遠程設備站連接，遠程設備站有專門的I/O接口，變頻器利用這些I/O接口進行通信，變頻器的遠程I/O地址見表3。

3.5 PLC程序設計

3.5.1 PLC程序的整體結構

PLC程序有8個模塊，不同模塊具有不同的功能，例如信號輸入、結果輸出、主程序、手動程序、自動程序、觸摸屏、報警以及伺服控制，各種功能對應的程序名稱為INPUT、OUTPUT、MAIN、MANUAL、AUTO、HMI、ALARM以及SERVO。該設計方案的優點為結構清晰、適合代碼解耦以及便于調用。

3.5.2 PLC輸入輸出程序

可編程控制器的輸入、輸出作為獨立的程序分支，可方便地對程序進行修改與管理。當輸入輸出點發生變化時，須調整分支程序的輸入輸出變量，便于后續調試與維護。在獨立處理輸入輸出信號的過程中，PLC程序需要根據控制條件對輸入信號進行2 s延遲處理，消除可能出現的抖動以及誤判等隱患。只有在連續檢測2 s信號的情況下才能判定傳感器的檢測有效；如果沒有信號，技術人員需要持續觀察2 s，才能認定沒有檢測到對象。該方法避免外界干擾和誤動，提升了檢測精度。

3.5.3 主程序及自動程序

當滿足自動起動條件時，可編程控制器主程序執行自動啟動命令。主程序自動運行，為各種分支程序增加了一個統一的控制中心。滿足自動啟動條件后，設備自動切換至自動模式，單擊啟動裝置，進入自動操作模式。當設備發生故障需要更換時，須切斷設備電源，主程序對整個系統進行完整的邏輯判定。當M3000繼電器在裝置內處于警報狀態時，它將自動斷開連接，裝置發出警報。

3.5.4 變頻器自動控制

系統采用4臺變頻器帶動4臺電動機，利用CC-Link對設備站進行遠程控制，讀取變頻器的遠端輸入輸出地址，對變頻器進行控制。變頻器一般有正弦脈寬調制、電壓空間矢量等控制方式，并提供報警、過載等輸出信號供PLC讀取。

系統使用3種不同安裝高度的光電傳感器測量布管中的谷物高度，其中低位為常閉型，中高位為常開型。如果低位檢測光電檢測不到物料，則說明布管內無物料，喂料帶線可加快物料上料速度；當管中存糧量快速增加時，中間位置傳感器檢測送料速度下降至中速運行，其他設備仍然以初始速度運行，布管內流始終維持在中間位置，進行正常入糧以及布糧。如果布管無堆積現象，各個設備將以該速率持續運轉；當中間探測光電探測糧堆開始落下時，說明有物料進入，但是尚未滿倉，應關閉倉壁；當高位探測光電檢測物料已達到高度時，說明布管內的堆料漏斗擋板已完全開啟，可供卸料作業使用。從以上分析可知，系統可以自動調整物料輸送過程，使全料槽內的糧食總量穩定在某個水平。

3.6 數據共享系統設計

為了進行全面自動化布糧，系統使用計算機集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）和上位機，系統支持管理人員使用計算機向PLC控制器發送指令，改變設備的運行模式[5]。CIM利用TIBCO Rendezvous控件向工控機發送指令，工控機利用ActEasyIF控件向PLC控制器發送指令，滿足以上功能的基本前提是數據共享。

3.6.1 數據庫選型結果

在糧食倉儲系統的管理中，大部分數據都有一定規律和特點，例如生產線上的糧食總進庫量、總出庫量、每日進庫量和每日出庫量，因此工作人員可利用數據庫和相關軟件分析數據規律和特點，例如Mysql、SQL Server。在研究過程中，工作人員使用開源的Mysql數據庫，將其部署在Windows操作系統中。

3.6.2 數據表設計示例

以每倉每日情況統計表STORE_DAILY_DATA為例，其字段名稱和類型見表4。

4 應用程序設計

應用程序設計建立上位機的表單接口，展示用戶端操作。Windows窗體應用程序能夠監控PLC機界面，工作人員可以利用MXComponent組件軟件包對PLC數據進行讀寫操作，并與SQLServer相連，存儲并查詢生產數據。在系統設計中，用戶接口主要包括生產信息監測和生產數據查詢2個部分。系統以生產信息監控界面為核心，實時監測各車間的生產狀態，當發現異常時報警。每個表單都有其特定功能，這些功能都利用WinForm窗體界面編輯工具箱中的控件來完成。

在監控系統的界面中，工作人員可以讀取并監控各產線設備的狀態，掌握CIM系統的TIBCO參數以及各產線設備生產產品、物料種類等信息，還可以根據生產信息判斷各站的運行狀況有無異常。

應用程序流程如圖2所示。啟動應用程序后，PC機自動與各站點的PLC建立通信，連接成功后，PLC以及相關設備的狀態信息會顯示在監控系統中。后臺數據將統一傳送至CIM系統中，當主機和PLC連接發生故障時，系統會向CIM報告，通知相關人員進行檢查。

5 實時監聽上位機的系統設計

該系統由3個部分組成：初始設置 TIBCO控件，CIM與 PC機進行信息交互，上位機根據 XML格式對數據進行定時傳送。在對TIBCO控件進行初始化前，工作人員將上位機監控軟件 C#Win-form與 CIM系統連接，這樣既方便用戶操作整個程序，又方便修改下位機的有關參數。TIBCO有5個初始數據，分別為服務、網絡工作、日期、主題和字段名稱。C#以XML格式處理初始文件，得到以下5種初始值。

TIBCO參數

Sevece：8200

Network：255.8.8.2

Deamon：172.16.7.2：7500

Subject：MES

Fieldname：xmldata

上位機與CIM系統成功通信后，會定期將設備報警信息、產品型號等信息以XML格式發送至CIM。這樣既方便用戶操作整個程序，又方便修改下位機的有關參數。上位機與CIM交互流程如圖3所示。

6 結語

布糧機器人由糧食上料傳輸帶、水平傳送帶、糧食分料機構和布料架組成，其利用變頻器和三相電機調節各個組件的速度。CIM利用上位機向PLC控制器發送指令，再由PLC控制器向變頻器、伺服驅動器發送指令，遠程控制機器人各個組件。本文分析機器人電氣系統和PLC系統的設計方案。

參考文獻

[1]于建勇.PLC技術在電氣工程自動化控制中的應用[J].大眾標準化，2023（22）：159-161.

[2]張俊，劉天宋，陳義偉，等.基于PLC與工業機器人的碼垛工作站控制系統設計[J].機電工程技術，2023，52（11）：130-133.

[3]卿湘運，陸聰.機器人用伺服系統性能測試加載系統的設計[J].電機與控制應用，2023，50（11）：80-85.

[4]劉長勇，趙鑫，鄭亞軍，等.基于3D視覺的機器人隨動抓取技術的應用研究[J].工業控制計算機，2023，36（10）：32-33.

[5]石進水.基于視覺技術的磚坯搬運機器人的設計[J].現代機械，2023（5）：15-18.