觸摸屏和PLC控制的燒結礦自動打散與卸料裝置的設計

李龍飛，嚴寒冰，薛靜靜

LI Long-fei1, YAN Han-bing2, XUE Jing-jing1

（1.成都信息工程大學 電子工程學院，成都 610225；2.成都信息工程大學 控制工程學院，成都 610225）

0 引言

燒結礦是將多種粉料混合配料后經高溫燒結而成的塊狀物。為了便于運輸，燒結礦出爐后需要打散，并將打散后的礦倒于指定容器內。長期以來，打散和倒料都是由工人實施，在現場生產時，工人要處于高溫、粉塵等惡劣環境中，且勞動強度大、效率低下。

本文以觸摸屏和PLC為控制核心設計了自動打散與卸料裝置，提高了燒結礦生產中的自動化程度，減輕工人在惡劣環境下的作業強度。

自動打散與卸料裝置采用機、電、氣一體化設計。氣動部分用繼電器控制電磁閥的動作帶動氣缸，從而驅動執行機構運動。電氣控制系統采用DELTA公司的PLC與觸摸屏，德國Hamderburg公司的兩相混合式步進電機與驅動器，并提供自動移行模式與手動模式、各機構動作完成提示以及物料到點檢測。該設備易于維護，且操作簡單，可節省工人培訓時間。各到點指示燈、氣缸、步進電機等可全部在觸摸屏上設置，便于手動控制，顯示直觀。

1 自動打散與卸料裝置結構與工作原理

自動打散與卸料裝置主要由機架、打散機構、夾持機構、翻轉機構、Y移動機構、Z移動機構、Zˋ移動機構和電氣控制系統組成。結構圖如圖1所示。

機架用于支撐其他機構，可根據現場作業高度進行調整。打散機構由大型號雙作用氣缸推動法蘭盤，帶著錐形錘插入坩堝內，將燒結后的礦物塊打散，便于卸料。夾持機構采用兩個單作用氣缸推動機械手將盛放燒結礦的坩堝抱緊，實現移動和卸料。翻轉機構采用步進電機帶動，將夾持機構抱起的坩堝翻轉一定角度，實現倒料與坩堝回正。Y移動機構在Y方向左右移動，將傳送帶上的坩堝移動到倒料位置。Z移動機構在Z方向上下移動，實現坩堝的提起與放下。Zˋ移動機構也在Z方向上下移動，實現打散機構上下移動的功能。

該打散與卸料裝置采用自動和手動兩種工作方式。在手動模式下，該裝置的各個機構可分別通過觸摸屏上的對應部分進行控制。同時為了設備的安全性，各移動機構具有機械硬限位和軟限位。

圖1 結構圖

2 氣動系統設計

自動打散與卸料裝置的氣動驅動系統是驅動執行機構運動的動力裝置之一，包括夾持機構氣動驅動系統和打散機構氣動驅動系統。

夾持機構氣動驅動系統是由兩個兩位三通常開式電磁閥分別控制兩個帶彈簧復位的單作用氣缸來驅動夾持機構的機械手，其氣動原理圖如圖2所示，工作過程：用一個繼電器控制電磁閥1與2的線圈的同時接通與斷開，當兩個電磁閥線圈斷開時，1、2口導通，3口堵塞，氣體經1、2口流入兩個氣缸內，壓縮活塞，并帶動機械手將坩堝夾緊；而當電磁閥線圈接通時，2、3口導通，1口堵塞，氣缸內的彈簧復位，將氣體擠出氣缸，氣體沿2、3口排出，機械手松開坩堝。本文中采用常開式電磁閥能保證電磁閥線圈掉電時，坩堝仍處于夾緊狀態，這樣當電源意外中斷時，只要氣源充足，坩堝就掉不下來，減少不必要的損失。

打散機構氣動驅動系統是由一個兩位五通單電控的電磁閥控制一個雙作用氣缸推動打散機構上的錐形錘上下做往復運動，實現燒結礦塊的打散，其氣動原理圖如圖3所示，工作過程：電磁閥線圈通電，1、4口，2、3口導通，5口堵塞，1口是氣源口，氣體經1、4口流入氣缸1室，推動活塞向下運動，氣缸2室的氣體經擠壓通過2、3口排出，實現錐形錘擊打礦塊的功能；線圈掉電時，1、2口，4、5口導通，3口堵塞，氣體經1、2口流入氣缸2室，頂動活塞向上運動，氣缸1室的氣體經4、5口排出，將錐形錘拉起回初始位置。3口和5口是排氣孔，應加裝消音器，降低噪音。

圖2 夾持機構氣動原理圖

圖3 打散機構氣動原理

3 控制系統

3.1 系統硬件設計

PLC是控制系統的核心，在選型時應根據具體的控制要求以及所需輸入輸出點的數量、輸出方式、存儲器容量等來確定，選擇一款滿足要求的高性價比的PLC。在該系統中，由于要用PLC發送脈沖來控制步進電機，須采用晶體管輸出方式的PLC。本設計采用DELTA公司型號為DVP40EH00T3的可編程控制器，其具有24個輸入，16個輸出，且輸出口中有6個為200kHz高速脈沖輸出口，有2個10kHz脈沖輸出口，滿足設計要求。在步進電機選型時，要根據負載的轉矩、轉動慣量、機械運動的分辨率等來選擇合適的步進電機。本文選用Hamderburg公司的兩相混合式步進電機和配套驅動器，其中一個為Y移動機構的單輸出軸2303HS30D8步進電機和驅動器ASD545R，兩個控制Z移動機構、Zˋ移動機構的雙輸出3404HS40U14-2步進電機和配套驅動ASD880R，一個翻轉機構的單輸出軸步進電機3404HS40U14和驅動ASD880R。步進驅動器的直流供電電源由驅動器的輸入電壓和電機的相電流來選定，電源的輸出電壓可選擇驅動器輸入電壓的典型值，而輸出電流應當是配套電機額定電流的1.6倍，因此采用輸出功率為150W，輸出電壓為24V的開關電源給ASD545R驅動供電，用輸出功率為1000W，輸出電壓為48V的開關電源給ASD880R驅動器供電。觸摸屏選用DELTA的8寸高彩寬屏DOP-B08S515，工作過程可在屏上動態顯示。系統組成框圖如圖4所示，供電電路圖如圖5所示，步進電機控制系統電路圖如圖6所示。

圖4 系統組成框圖

圖5 供電電路圖

圖6 步進電機控制系統電路圖

3.2 系統軟件設計

程序設計是控制系統設計的關鍵，而程序的優劣會直接影響到各個機構的穩定性、運動性能以及人為操作的便利。本系統中控制程序設計為三個環節：復位程序、手動模式操作程序和自動模式操作程序。其中手動操作和自動運行是通過旋轉開關進行切換。程序設計框圖如圖7所示。

圖7 程序設計框圖

圖8 PLC的I/O端子接線

3.2.1 復位

按下復位按鈕，各個步進電機驅動對應的運動機構到達設置的原點信號位，在復位過程中，機械手始終保持夾緊狀態，打散機構的氣缸在拉起位。當各機構回歸原點后，觸摸屏上的原點信號燈亮。

3.2.2 自動模式

自動模式下，當光電開關1檢測到坩堝到位后，傳送帶停止運動，Z'軸將打散機構從原點處下降到到位開關處，PLC控制電磁閥推動錐形錘，將燒結塊打散，接著拉起錐形錘，將打散機構上升到原點位置。傳送帶帶動坩堝移動，當光電開關2檢測到坩堝到位后停止移動，PLC控制電磁閥1和2將機械手松開，準備抱坩堝，然后Z軸帶動Y軸、夾持機構和翻轉機構從原點處下降到到位開關處，左右氣缸推動夾手夾緊坩堝。Z軸運動提升坩堝到原點處，然后Y軸移動將坩堝帶到料斗上方，由翻轉機構的電機驅動使坩堝翻轉180°，將燒結塊倒下。接著翻轉機構將坩堝回轉到位，Y軸運動到傳送帶上方，Z軸下降到位，氣缸松開，坩堝放回到傳送帶上。

3.2.3 手動模式

手動模式下，可以單獨操作各機構運動，便于調試與維修設備。

手動模式要切換到自動模式前必須要進行復位操作，如果沒有進行復位就直接切換到自動模式下，程序會判斷原點是否有信號，如果有就說明當前位置已達復位條件，自動模式開啟，如果沒有則裝置不動作。PLC的I/O端子接線如圖8所示。

3.3 觸摸屏界面設計

界面上設計有各機構的原點指示燈以及到位指示燈和手動操作單步執行的按鈕。當各機構回歸原點或到達到位開關后，相應的指示燈會變亮，指示裝置的運動情況。當手/自動選擇開關旋轉到手動擋時，按觸摸屏上手動操作的相應按鈕可操作Z與Z'軸的上升與下降、Y軸的左右移動、夾手的夾緊與松開以及翻轉機構的翻轉與回位等。觸摸屏界面如圖9所示。

4 結束語

本裝置各項指標滿足技術要求，各系統運行穩定，完全能滿足生產工藝要求。該裝置通過采用PLC和觸摸屏設計，提高了系統的穩定性以及自動化水平，同時大大提高了生產效率，改善了工人的勞動條件。

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