全自動產品磁性能檢測裝置控制系統設計

趙文銳 仲躋峰

（1.北京現代職業技術學院 機電系，北京 101300;2.海洋石油工程股份有限公司設計公司，天津 300451）

0 引言

某公司某一規格產品的磁性能檢測工作原來都是依靠手工進行。由于產品具有強磁性，都吸合在一起，檢測時由一個工人負責將產品逐一分開，另一個工人用儀器檢測磁性，再經一個工人將檢測的合格品收集碼放。由于該產品的規格極小，是直徑為3mm，高2mm的圓柱體，依靠人工逐一檢測不但耗時、費力、生產效率低、成本高，有時還會因為人為的因素導致漏檢、錯揀，讓不合格品蒙混過關。更為嚴重的是，因為該產品極脆，在碼放合格品時稍不留神，會導致整排已經碼放好的合格品全部因損傷而報廢。為了保證檢測質量，提高生產效率，降低生產成本，提高企業競爭力，需要一臺全自動產品磁性能檢測裝置。

在國外，只有瑞典的一家公司生產此類檢測設備，并且是按訂單生產，設備價格特別昂貴;在國內，還沒有廠家生產此類專用檢測設備。所以，公司自主開發研制一臺全自動產品磁性能檢測裝置。300mm的圓柱體，筒上有二十個圓柱孔，每個圓柱孔中可放70個待檢測品。儲料筒由步進電機控制轉動。當取料筒的一個圓柱孔中沒有產品時，電機會帶動取料筒轉動到下一個圓柱孔，如下一個圓柱孔還為空時，電機繼續帶動取料筒轉動，直到找到有料的圓柱孔為止，如二十個圓柱孔內均無產品，人機界面則給出取料筒內無料的提示信息。當收料筒的一個圓柱孔放滿產品后，電機會帶動收料筒轉動到下一個圓柱孔，如下一個圓柱孔也已滿，電機繼續帶動收料筒轉動，直到找到無產品的圓柱孔為止，如二十個圓柱孔均已放滿產品，人機界面則給出收料筒內產品已滿的提示信息。

轉盤由四個機械轉臂組成。四個機械轉臂在一個水平面上，各成90度角，四個轉臂同時動作。轉臂末端用真空吸盤做抓取機構，利用吸盤內形成的負壓吸取產品。用氣缸控制轉臂的上升/下降運動，用直流電機控制機械手臂在水平面上逆時針轉90度。

磁性能檢測儀用來檢測產品磁性能是否合格。

圖1 裝置結構簡圖

1 全自動產品磁性能檢測裝置工藝要求及結構簡

本檢測裝置要完成的工藝要求為:（1）提取待檢測產品;（2）產品磁性能檢測;（3）如檢測產品為不合格品則放入廢品收集處;（4）如檢測產品為合格品則放入合格品儲料筒中。

根據工藝要求設計的全自動產品磁性能檢測裝置結構簡圖如圖1所示。此裝置主要儲料筒、轉盤、磁性能檢測儀等組成。

儲料筒分為待檢測品儲料筒（后面簡稱為取料筒）和合格品收集儲料筒（后面簡稱為收料筒）。儲料筒為高200mm，直徑為

2 檢測裝置控制系統設計

2.1 檢測裝置的操作方式

本檢測裝置分為手動操作方式和自動運行操作方式。自動操作方式又分為單步、單周期和連續操作方式。

自動運行操作方式是PLC控制系統的主要運行方式，只要運行條件具備，PLC發出啟動預告，由操作人員確認并按下“啟動”按鈕后，PLC自動啟動系統。裝置從初始狀態開始，裝置的動作將自動地、連續不斷地周期性循環。在工作中，如按下“停止”按鈕，裝置則動作停止。重新起動時，須用手動操作方式將裝置移回初始狀態，然后按下“啟動”按鈕，裝置又重新開始連續工作。在工作中，如按下“復位”按鈕，則裝置將繼續完成一個周期的動作后，回到初始狀態后自動停止［1］。

在運行方式設計的同時，還必須考慮到停止方式設計。本裝置的停止方式有正常停止、暫時停止和緊急停止三種。

2.2 工作過程

本檢測裝置的工作過程

在自動運行方式下的工作過程從初始狀態開始，按下“啟動”按鈕后，機器就連續重復工作，分以下幾步

（1）步進電機帶動取料筒轉動，如果檢測到有產品的圓柱孔，步進電機會停止轉動;（2）取料滑塊動作，將取料筒中的產品取入到取料孔中;（3）轉臂下降，轉臂末端的吸盤吸走取料孔內的產品;（4）轉臂上升，直流電機帶動轉盤使轉臂逆時針轉90度后停止;（5）轉臂下降，轉臂末端的吸盤吸住的產品放入到一臺磁性檢測儀的檢測環中，檢測產品的磁性能是否合格;（6）轉臂上升，轉臂逆時針轉90度后停止;（7）轉臂下降，如檢測的產品不合格，則吸盤松氣，將不合格品放入廢品收集處;如檢測的產品合格，則吸盤不松氣;（8）轉臂上升，轉臂逆時針轉90度;（9）轉臂下降，同時吸盤松氣，將檢測合格的產品放入送料滑塊的送料孔中;（10）送料滑塊將產品送入收料筒內。至此，此檢測裝置完成一個周期動作。

本檢測裝置的動作條件是必須完成前一步動作才能進行下一步的動作，并且只有所有前提條件均滿足時，才能執行下一步的動作［2］。

在正式抽水試驗前進行試抽水試驗，第一次試抽持續14 h，水量、動水位、水溫已處于穩定狀態。后下油管探底，采用泵沖洗循環，提油管至上部再次氣舉洗井。熱水變清后進行了第二次試抽水試驗，試抽延續時間18 h，水量、動水位、水溫也已處于穩定狀態，經過對兩次試抽試驗的數據對比分析，兩次試抽水溫相同，水位與水量的變化規律符合設計中試抽水試驗的要求，同時證明洗井工作達到了要求。

2.3 控制系統硬件設計

依據本檢測裝置的工藝流程，實際控制需求以及輸入/輸出變量特點，確定系統主要為開關量控制，根據輸入輸出變量數量、類型、控制要求，同時按I/O點數20% ～30%的備用量原則，系統選用西門子公司的 S7—200PLC為核心控制器件。控制系統硬件結構簡圖如圖2所示。

圖2 控制系統硬件結構簡圖

圖3 全自動子程序流程圖

為了使取料筒中的產品能準確地落到取料滑塊的取料孔中，同時送料滑塊中的產品能準確地送入到收料筒中，需精確的控制儲料筒轉動的角度，才能滿足控制要求。綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，在本裝置中，采用三相混合式步進電機帶動儲料筒轉動，滿足設計要求。

為了精確控制步進電機的轉動角度，采用西門子公司EM253位置定位控制模塊來控制步進電機驅動器。EM253位控模塊是S7200的特殊功能模塊，能夠產生脈沖串用于步進電機和伺服電機的速度和位置的開環控制。EM253位控模塊能產生移動控制所需的脈沖串，其組態信息存儲在S7200的V存儲區中。使用STEP7－Micro/WIN32可生成位控模塊所使用的全部組態和移動包絡信息，通過軟件編程的方法任意設定步進電機的轉速、旋轉角度、轉動次數和控制步進電機的運行狀態。

利用傳感器來檢測機械轉臂、取料滑塊，送料滑塊是否到位。

2.4 控制系統軟件程序設計

根據全自動磁性檢測裝置的工藝要求，確定了各個動作的順序和相互關系，畫出工藝流程圖。控制系統軟件程序設計引入了模塊化思想進行編程，結構清晰，調試方便。根據功能、控制對象的不同，系統分為自檢模塊、運行模塊、故障模塊、停車模塊，由一個主程序和若干子程序構成。主程序的功能是檢測各按鈕及故障報警狀態，在需要的時候調用各個子程序，以完成相應的控制功能［5］。

自檢模塊主要完成PLC、步進電機驅動器等狀態檢測及其初始化，確認設備狀態正常后，PLC才會按指令繼續運行。運行模塊是控制系統軟件的核心，運行模塊根據工作方式又分為自動運行模式子模塊、手動運行子模塊、單周期運行子模塊。自動運行模式程序流程圖如圖3所示。

當系統出現故障時，錯誤信息會傳送至故障模塊，由故障模塊將其錯誤的性質、類型、嚴重性做出判斷。一般故障時，僅向人機界面發出錯誤提示信息;嚴重時，調用停車模塊，中止生產并發出警報。根據程序流程圖，再由PLC輸入輸出的邏輯關系編寫出梯形圖［6］。

將編制好的程序先用西門子S7－200的仿真軟件進行仿真，用于驗證程序是否正確。仿真正確通過后，再將程序輸入到PLC進行聯機調試。

3 結束語

采用PLC控制的全自動磁性檢測裝置設計完成后，經過安裝調試已投入到實際生產，通過在實際生產中的應用表明，它具有結構緊湊，性能穩定可靠，操作方便的特點。可滿足工藝要求，節約人手，大大提高檢測效率，保證檢測質量，降低成本，取得了良好的經濟效益。

［1］趙文銳，劉晉浩，沈嶸楓，朱晨.基于PLC的沙漠苗條載植機控制系統設計［J］.東北林業大學學報，2009（04）:105－107.

［2］趙文銳，全自動磁性檢測裝置的開發研制［D］.江蘇:南京林業大學碩士論文.2005.8－10.

［3］賈德勝.PLC應用開發實用子程序［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

［4］西門子公司.深入淺出西門子S7－200PLC［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.3 －5.

［5］遲君平，王斌，李業友.模塊化編程方法在PLC程序開發中的應用［J］.微計算機信息，2005（6）:26－27.

［6］趙志旭，王叢嶺，吳魚榕.基于 PLC糖果包裝機控制系統設計［J］.食品與機械，2008（2）:77－79.