基于PLC的自動碼垛系統在制造領域的研究與應用

沈立秋，沈湘寧

（中材科技（九江）有限公司，九江332000）

人工智能在我國不斷的快速發展，制造車間在未來全面實行智能化和自動化是大勢所趨[1]。目前，在鋼瓶生產制造車間中，還有些設備陳舊，自動化程度低，特別在轉運鋼瓶時，有一部分工序還是靠人工把鋼瓶搬運到待轉料框中，這樣對操作人員的勞動強度大，而且鋼瓶在滾動過程中也產生了很大的噪音，還有些鋼瓶經過旋壓熱加工工序后，特別是完成收底或者收口工序后，瓶底余溫很高，在這種情況下，鋼瓶車間存在很大的安全隱患。為了能降低勞動強度，減少噪音，降低安全隱患，只有不斷提高產線的自動化技術水平，才能提高產能效益，才能不斷為公司創造更高的價值，為此，通過研究設計了該自動碼垛控制系統，其基本框架如圖1所示。

圖1 基本框架Fig.1 Basic structure

1 系統設計

1.1 系統功能要求

該碼垛系統主要是從物流架上抓取鋼瓶到料框上，然后將鋼瓶轉移到下一道工序進行加工。該碼垛系統主要有這幾方面的功能：①PLC 是三菱FX3U-48MT 晶體管輸出，由24 點輸入、24 點輸出組成，主要提供步進驅動器的脈沖供給，保證定位，提供上下料每個動作的輸出指令；②電磁鐵主要用于控制抓料和卸料，采用LMSDMLWH 型電永磁吸盤控制器，沖退磁的電流能達到50 A，能吸取重量達400 kg、能抓取直徑Φ204 mm～Φ356 mm 的鋼瓶；③步進電機驅動器主要用于運動的準確定位和控制步進電機合適的運動速度，同時，為了減少丟步和顯示準確的位置，用編碼器來實現閉環的控制；④用臺達觸摸屏型號為DOP-B04S410 作為人機界面，主要提供數字的輸入和參數的設置，自動碼垛運行畫面的監控，定義了各種手動操作按鈕、自動啟動和暫停按鈕，I/O 監視，報警輸出，自動和手動按鈕，提示燈等，這樣維護方便快捷。在機械和電氣方面的設計時，采用各種保護裝置，以便設備在運行當中穩定可靠，保證人身安全[4]。

1.2 系統工作原理

當有料感應時電磁閥發生動作，進入對中裝置中，對中后，磁鐵下降到鋼瓶合適位置時，電磁鐵發生動作吸合鋼瓶，吸合鋼瓶后，延時1 s，待鋼瓶穩定后氣缸上升，升到限位開關位置時，延時1 s，小車開始移動，移動到第一個料的位置時，用M8029（脈沖完成標志）置位停機，延時1 s 后氣缸下降，下降到限位開關位置時，把鋼瓶投放在料框的合適位置后，延時1 s，磁鐵退磁，退磁后，氣缸上升，升到限位開關位置時，小車往原點方向行走，回到原點位置，用M8029 置位，停在原點位置，再進行第二個料的碼放，周而復始，直到料的數量達到設置值和層數時，回到原點后自動停止，并提示把碼放好的鋼瓶挪走。

1.3 系統主要設計原理

該設計采用FX3U 的PLC的移位控制指令來實現每個瓶子的不同位置進行定位，以實現一層、二層和三層的碼放。通過對中后，使鋼瓶擺放整齊美觀。

設計原理如圖2所示，以原點為起點，也就是對中裝置的中心點，以d1為定長的長度固定不變（觸摸屏設置，卷尺測量），以料框長度為d1-d4的長度（觸摸屏設置，卷尺測量），鋼瓶的半徑為r，直徑為d（觸摸屏設置），料框上鋼瓶個數為n（n≥1，n個數視料框的長度而定，同下）。從左至右，以料框上第一層第一個料的中心位置的距離長度為d2，也就是d2=d1-r的長度，則第二個鋼瓶的中心位置為d3=d2-d，第三個鋼瓶的中心位置為d3-d，以此類推，逐個相減；當最后一個鋼瓶的中心位置達到d1-r-（n-1）d

圖2 設計原理圖Fig.2 Schematic diagram

為了減少丟步和轉堵，該系統采用旋轉式編碼器，型號為RD-2T500BF，用PLC 發送脈沖指令給步進電機驅動器，然后驅動器根據PLC的指令讓步進電機穩定運行，并且一直把位置信號反饋給PLC，當編碼器檢測到的實際位置與步進電機所到達的位置一致時，PLC 停止輸出脈沖[6]；當編碼器檢測到步進電機丟步或者沒有到達指定的位置時，步進電機的實際位移與目標位移相比較，并將其具體位置反饋給PLC，PLC 按照反饋給的信號再發指令給驅動器讓步進電機到達指定位置。編碼器分辨率為500P/R，為提高抗干擾能力，用屏蔽電纜連接編碼器與PLC，金屬部分與編碼器地線連接。為實現高速計數，采用兩相雙向計數器指令C251，編碼器的A 相接PLC的X0，B 相接PLC的X1，紅線接PLC的24 V+端，藍線接COM 端，這樣A，B 兩相連接，能判斷正反向的計數和測速，當回到原點位置時編碼器數據清零。為了盡可能地減少轉堵情況，步進電機驅動器的脈沖指令采用加減速指令（DPLSY），用M8029 置位作為脈沖指令的結束標志。編碼器用聯軸器連接雙軸步進電機尾部，小車運動采用齒輪條式導軌，步進電機驅動器采用3ND2283-600，驅動器脈沖數設置為1600 P/R，步進電機為三相混合式，型號為130BYG-350D，步距角為1.2°，在計算位移時還需知道脈沖當量，脈沖當量也就是發一個脈沖步進電機每走的位移量，脈沖當量與步距角的關系見式（1），電源電壓為220 V。PLC 輸出公共端（COM1）接+0 V，驅動器的控制正極接5 V，如果接24 V 的電源，需要串聯2.2 k 的電阻，不然容易損壞驅動器。用Y0作為脈沖的輸出，Y1作為電機的方向信號，用D8140 計數Y0 發出的脈沖總數。

式中：?為脈沖當量，單位為mm/pls；D為模數；Z為齒數；θ 為步距角，m為細分數；P為脈沖數；S為位移，單位為mm。

動作原理：該系統主要用到移位指令（ROL）、傳送指令（DMOV）和斜坡指令（RAMP）等，當料架有料時，在開啟自動的狀態下，翻料氣缸就會動作，鋼瓶進入對中位置，用2 個接近開關，通過減速機正反轉進行對中，對中后，磁鐵氣缸下降到合適的位置，然后，磁鐵進行吸料，延時1 s 上升，到位后延時1 s，電機才開始運轉。每當吸料后氣缸上升1 次，然后移位1 次，再通過相減得到鋼瓶的中心位置，逐個移位和相減，當鋼瓶的中心位置偏離料框長度時，跳轉到第二層，再逐個移位和相減，循環反復，直到鋼瓶數量達到觸摸屏預設的數量停止工作。移位和傳送部分程序見圖3。為實現斷電記憶，部分功能采用M500 以上的輔助繼電器。

圖3 部分移位、計數程序Fig.3 Partial shift and counting program

電磁鐵固定座設計：不同規格的鋼瓶弧形度不一，在不能完全吻合的情況下，當瓶身較重時，磁鐵不能有效吸合。為了能與不同規格鋼瓶的弧形部完全與磁鐵的弧形部完全吻合，在原點不變的情況下，磁鐵底座采用左右自由活動式，上端連接氣缸，見圖4，在磁鐵下降到位時，磁鐵的弧度與不同規格的鋼瓶貼合時，會左右自由活動，以尋找最大的結合面，在吸合時，以保證磁鐵最大的吸合力。

圖4 磁鐵底座Fig.4 Magnet foundation

2 系統調試

經過設計和安裝調試后，碼垛主程序流程見圖5，碼垛子程序流程見圖6，總體框架見圖7，按照表1 完成設計程序，然后連接觸摸屏，觸摸屏的通訊參數設置通訊接口選擇COM1，制造商選擇Mitsubishi，系列選FX 系列，通訊界面選RS422，PLC 默認站號選0，波特率9600，連接PLC 后，首先輸入定長長度，定長首先需要用直尺測量（原點到料框最邊緣的長度d1），定好整體的長度，設置好步進電機的參數，觸摸屏設置鋼瓶直徑，料框的長度，電機的速度，加減速時間，物料架和小車底座必須焊接牢固，中心點固定牢固，進行系統的調試。

表1 I/O 分配表Tab.1 I/O distribution list

圖5 碼垛主程序流程Fig.5 Main program flow chart of palletizing

圖6 碼垛子程序流程Fig.6 Subprogram flow chart of palletizing

圖7 總體框架圖Fig.7 Frame diagram

3 系統驗證

該系統現場調試好后，開始運行生產，達到了預期要求。電機運行界面如圖8所示，鋼瓶直徑規格根據現場不同的規格來確認，料框長度根據現場的實際料框長度輸入[15]。狀態顯示如圖9所示，該界面主要監視在生產中該系統運行時鋼瓶的位置情況，有料區域代表料框上有鋼瓶，是鋼瓶在料框的實際位置區域，第一層的無料區域代表料框實際長度較短，沒有鋼瓶，在實際生產運行中由于料框的長度差異會顯示到不同位置，為方便，統一料框的長度。

圖8 運行界面Fig.8 Operation interface

圖9 狀態顯示Fig.9 Status display

4 結語

根據半年多的運行情況，該控制系統在生產過程中能24 h 連續全自動生產，平均1 個/1.5 min，運行穩定可靠，故障率少，這樣提高了效率，降低了成本，而且減少了噪音污染，減少了人工勞動強度；并且操作簡便，換工裝快捷方便，主要避免人在工作中，鋼瓶瓶體高溫發生燙傷和滾動時發生壓傷的風險，從而提高產能效率，特別適用于鋼瓶表面溫度較高，鋼瓶直徑大，周轉料次數多，重量重的場合；且具有調試靈活、拆卸簡便，可靠性高的特點，這樣在生產車間中為鋼瓶上下料的搬運和周轉待料提供了有利條件。