基于PLC及觸摸屏的C型材機下料碼垛控制系統設計

夏曉謙 邱熹程 李林星 黃 輝

（1.益陽職業技術學院,湖南 益陽 413000；2.華翔翔能科技股份有限公司,湖南 益陽 413000）

自動化碼垛機在物流輸送、機械加工、元件裝配等領域應用比較廣泛，自動化碼垛設備現階段朝著智能化、數據化和多品類化發展[1]。據實際調研，在變壓設備生產企業中，其中內部型材工件由帶鋼軌壓成型，本文所涉及的C型鋼工件由于其端面尺寸和表面特征的復雜性，現階段企業采用人工碼垛方式進行。

為了解決該難題，本課題設計、研究了一套基于信捷PLC控制系統的自動碼垛設備，用于該企業中C型鋼工件的自動碼垛。該設備以氣動為主要動力源，結合部分傳統機械傳動，采用伺服系統控制三軸移動，通過三軸聯動方式來實現C型材的精準碼垛。該自動碼垛機的設計使用不但可以極大提高設備的整體效率，還可以將現有人工解放出來，具有極好的實際意義。

1 系統結構及原理

系統總體結構如圖1所示，主要包括接料架、轉運小車、龍門架、龍門模組、直線導軌、電磁閥、氣壓表、鋼材原料、PLC、觸摸屏、伺服驅動器等[2]。其中，C型材由底部旋轉氣缸進行抓取定位，直線導軌進行X軸運動，底部為下料碼垛區域。設備整體組織結構分為4大部分，分別是C型材成型裝置、剪切裝置、C型材碼垛裝置、系統電氣控制裝置4個部分。

圖1 系統整體結構圖

1.1 碼垛前裝置

碼垛前裝置主要由成型裝置、剪切裝置、下料裝置組成，其中成型裝置由12對變徑軋輥組成，通過此裝置，將鋼帶軋制成成品C型材以供后續剪切工序操作。

下料裝置主要由料架、雙軸氣缸、橫向推板、縱向推板、外圍擋板和其他元件組成。C型材經剪切裝置切斷后，由橫向氣缸驅動推板將其推至內側，再由縱向氣缸驅動推板將C型材定位。

1.2 碼垛裝置

裝置主要有氣缸安裝板、固定塊、龍門架、連接板、安裝板、機電架、連接梁、感應片、連接片、緩沖塊。通過控制3個模組和氣缸夾爪將C型材搬運至預定地點。

2 控制系統設計

2.1 主控單元硬件選型與設計

根據碼垛機運動控制要求，初步得出22個輸入點數、24個輸出點數，考慮到三軸伺服驅動，控制系統主控單元采用信捷XD系列產品，考慮到系統可能會做進一步的拓展，根據經濟型考慮，采用信捷XDM-60T10-C系列PLC。

信捷XDM-60T10-C系列PLC基本處理指令0.02～0.05 us（以太網型可達0.01～0.03 us），掃描時間10 000步1 ms，程序容量最高達1.5 MB（XDH高達4 MB）。資源量最多可達8 000點非掉電保持流程S、1 000點掉電保持流程HS、70 000點非掉電保持中間繼電器M、12 000點掉電保持中間繼電器HM、1 280點輸入繼電器X、1 280點輸出繼電器Y、5000點非掉電保持定時器T、2 000點掉電保持定時器HT、5 000點非掉電保持計數器C、2 000點掉電保持計數器HC、70 000點數非掉電保持據寄存器D、25 000點數掉電保持據寄存器HD、8192點FD。XDH系列具有更大的內部容量。電源供給為220 V交流，I/O點數為60個。

2.1.1 主控PLC

信捷XDM-60T10-C系列PLC兼容XD3的所有功能，支持4～10軸高速脈沖輸出，可實現兩軸聯動、插補、隨動等運動控制功能，可接擴展模塊、擴展ED、擴展BD。根據系統控制要求得出系統總共需要30個24VDC的輸入信號響應，18個信號輸出，其中15個繼電器輸出，3個晶體管輸出，用于控制三路伺服系統，實際點數根據30%余量計算，該PLC可滿足現有需求。

2.1.2 觸摸屏

根據主令控制要求得知，需要設置系統開始、調試、自動化運行等界面，考慮到主要主令控制由觸摸屏直接控制并考慮經濟性，決定選用信捷TK8071ip觸摸屏作為系統人機界面，構成了控制終端。

伺服驅動系統選用力川伺服套件，主要硬件配置如表1所示。

表1 控制系統硬件配置

系統硬件在供電設計部分，考慮到電路的安全性，除總開關進行總控制外，觸摸屏、電磁閥、調節閥等設備均有單獨開關控制供電，控制系統的供電接線如圖2所示。

圖2 控制系統供電及電氣接線圖

2.2 碼垛機系統PLC程序分析

PLC程序在信捷PLC操作平臺上采用梯形圖進行開發，系統控制程序流程如圖3所示，主要功能包括系統運行數據監控、碼垛運動控制、下料定位控制。因此程序采用模塊式設計方式，對系統運行數據監控、碼垛運動控制、下料定位控制分別進行設計。其中系統運行數據監控主要是D1：現階段處理產品尺寸；D2：堆垛總數量；D3：及時數量；D4：X模組位置數據；D5：Y模組位置數據；D6：Z模組位置數據等，軟元件注釋部分如表2所示。

表2 部分系統地址分配

碼垛運動控制主要為三軸模組伺服驅動，通過順序控制子模塊進行控制，由回原點→就位抓取→回初始位置→X位置移動→Y方向移動→Z方向移動→返回運動→等待→循環進行，詳細過程見圖3、圖4。下料定位控制程序塊主要完成取料點和下料點的計算，本模塊通過對下一個C型材的行列序號對三軸模組的位移進行計算并將計算值導入順控指令中達到數據轉換成運動位移的目的。

圖3 順序控制主要邏輯框架

圖4 系統控制詳細步驟

2.3 觸摸屏軟件設計

觸摸屏的軟件設計主要包括系統開始界面、設備調試檢修界面、設備自動化運行界面、數據實時監控界面和其他界面的設計。通過PLC與觸摸屏的通訊連接和觸摸屏內部組態，將輸入輸出點位以及數據區的信息進行鏈接，達到呈現、交互、控制等目的。通過數據單元的數據積累和計算可以得出設備的歷史情況，從而優化后續設計與生產工藝。

根據系統控制要求，設計功能界面包括：系統歡迎界面、調試及設置界面、系統運行主界面、歷史數據界面。其中調試及設置界面主要完成系統主令信號調試、三軸伺服調試、氣缸等驅動部件調試、產品尺寸設置及碼垛行列層設置、剪切信號相應測試等功能。系統運行主界面主要實現在系統自動運行情況下各個信號的及時狀態、產品堆垛及時情況、系統運行狀態等數據。歷史數據界面可對之前碼垛的產品進行數據調用。

3 結語

本次項目在一定程度上提高了該電氣設備生產企業的工作效率，解放了人工，達到120根/小時的工作量。經過半年的運行，整個設備運行良好，在惡劣的環境下，電氣元器件、傳感器和其他重要部件沒有發生損毀現象，以其操作簡單、系統可靠、自動化程度高、碼垛準確等特點，得到合作企業的好評。