基于PLC和伺服的砌块码垛机控制系统设计
2020-2-25 来源：- 作者：程永强
摘 要：该文设计了一种用于砌块行业的码垛机控制系统.该系统使用西门子PLC对伺服电动缸进行夹紧控制，对升降、横移及旋转电机进行变频控制，并采用编码器对升降、横移及旋转位置进行精确测量，实现码垛各个动作的平滑调速，使设备运行更平稳.触摸屏画面的设计，实时监控设备的运行状态和位置，使得人机交互更加友好.该码垛机投入使用后，控制系统性能稳定、码垛周期短，极大地提高了混凝土砌块成型生产线的自动化水平和生产效率.
关键词：PLC；伺服；码垛机；控制系统
自动码垛机是机、电、液一体化高新技术产品，中、低位码垛机可以满足中低产量的生产需要，可按照要求的编组方式和层数，完成对箱体、砌块等各种产品的码垛.随着人口红利的消失，混凝土砌块的生产，逐步从单机走向全自动化生产线［1］，其中干产品砌块的码垛是砌块生产线中的一道重要工序，一台码垛机至少可以代替两个工人.当前在全自动混凝土砌块生产线常用四爪码垛机，因其经济实用被欧洲及国内许多厂商采用［2］.码垛机的核心单元是执行机构，目前常用的有液压式、机械式、机械液压相结合三种.本文选用机械式的执行机构，设计一种基于PLC的码垛机控制系统，见图1，其控制系统采用PLC和触摸屏技术，结合伺服驱动和变频调速，并采用编码器进行位置检测，减少限位开关的使用，布线简单，速度控制灵活、响应快，位置控制精度高，大大缩短了码垛周期。
图1 码垛机实物图
1、 码垛机机械结构及工作原理
码垛机主要由龙门支架、旋转总成、横移小车、升降总成、夹头总成、成品输送机和降板节距机等组成，见图 2.其中升降、横移和旋转都是采用电机驱动，变频控制.夹头总成由四个夹爪组成，图中左右方向为一对夹爪，称为主夹，前后方向为一对夹爪，称为副夹，两对夹爪均采用机械同步，由两个伺服电动缸实现夹紧与释放.码垛机横移行程为 2400mm，升降行程为 1335mm，伺服电动缸的行程为500mm，额定推力15kN，额定速度 166mm/s，重复定位精度 0.02mm.码垛机的具体工作原理如下。
图2 码垛机机械示意图
（1）机械手初始位置在左边，高度离地面1.1m的位置，也就是抓取工作位置上方，等待送砖到位信号，砖到位后，机械手下降到下限位，主夹夹紧，副夹夹紧，夹紧后上升。
（2）上升到位后横移小车右移，同时旋转电机顺时针旋转90°，由于旋转行程较短，旋转位置先到达。
（3）横向移动到右限位到达托盘正上方后，升降电机驱动机械手下降，下降的高度由不同砖的高度和目标层数决定，使用编码器对升降高度进行精确检测，到位后主夹释放，副夹释放。
（4）释放到位后升降电机驱动机械手上升，上升到位后横移小车左移，同时逆时针旋转90°，移动到左限位，然后下降，机械手回到初始位置，等待下次抓取。
（5）夹爪的行程（最大张开范围）可以根据砌块的尺寸进行调节，以提高码垛效率。
2、 码垛机控制系统设计
本文中的码垛机控制系统由PLC控制器、触摸屏、传感检测元件、驱动执行机构等部分组成，如图3所示.
图3 码垛机控制系统组成框图
图3中，夹紧电动缸实现四个方向的夹紧与释放，采用伺服电机进行驱动，便于实现精确快速抓取和释放；升降、横移及旋转均采用三相异步电机驱动，使用变频器进行调速.传感检测元件包括编码器和开关量传感器，升降方向的编码器与变频器配合，实现多层码垛以及位置的精确控制；横移和旋转动作，实现高低速的灵活切换，使各个动作速度更加顺畅，同时节省许多减速传感器，使布线更方便.开关量传感器包括限位开关、电感式接近开关和光电开关，其中行程开关、电感式接近开关分别用于检测横移极限位置、旋转极限位置，起到双重保护作用；光电开关则是用来检测砖是否到位；传感检测元件将采集到的现场信息反馈给PLC，PLC发出指令控制伺服和变频执行相应的动作.触摸屏选用西门子 Smart1000 IE，通过 RS485 与 PLC 进行通信，接受操作人员的指令，并可以实时监控码垛机的运行状态，若现场发生故障时，工作人员可以通过触摸屏给PLC发送命令进行处理。
2.1 PLC选型及I/O地址分配
根据系统控制要求和控制功能分析，选德国西门子的 S7-200 系列 CPU224 XP CN 作为核心控制单元，另外扩展一个 EM223 CN（16 点输入/16 点输出）模块、一个 EM221 CN（16 点输入）模块和一个 EM232（2 入模拟量输出）模块.CPU224XP 集成 14 输入/10 输出共 24 个数字量 I/O 点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，6个独立的高速计数器（100kHz），2个100kHz的高速脉冲输出。
该型号PLC结构紧凑、处理速度快、价格适中，且具有一定的扩展能力，主要用于控制变频器、伺服驱动器、接收编码器的高速脉冲及其他外部I/O 数字量的处理等任务.控制系统的输入输出地址分配表如表1、表2所示。
表1 控制系统输入地址分配表
表2 控制系统输出分配表
2.2 伺服控制器参数设置及接线
伺服电动缸的伺服电机采用的是北京和利时3kW/3000转带刹车伺服电机，配HS系列驱动器.采用位置模式接线方式，如图 4 所示.HS 系列伺服驱动器的脉冲输入端口电平为标准 TTL 电平，脉冲和方向信号必须配置合适的限流电阻值，否则会造成端口损坏.当VCC=24V±5%时，R=2kΩ/0.25W.图 4 中 4 和 20 端子为扭矩到达（AT?TRQ）信号，当扭矩达到 Fn 049 设定时，4 和 20 导通，表示夹紧到位.6 和 22 端子为报警信号.参数配置如下：控制模式 Fn 000 设为 1，通常的控制端口硬线连接工作模式；Fn 001设为2，外部脉冲位置模式；外部脉冲指令方式的旋转Fn 038设为1，单脉冲正逻辑；电子齿轮比 Fn 050（分子）设为5，Fn 054（分母）设为 2，当 PLC 产生 200kHz 脉冲时，伺服电机达到最大转速3000r/min，电动缸的速度达到 166mm/s，实际使用时，在触摸屏上输入电动缸需要的最大运行速度。
图4 伺服驱动器及电机接线图
2.3 变频器设置及接线
三个变频器采用的是施耐德 ATV312 系列，以横移电机为例，接线如图5所示.为了能快速平稳地减速及停车，需要配置制动电阻，消耗刹车是电机产生的能量，来达到保护变频器的逆变模块，图中3kW变频器选用阻值150Ω功率为300W的铝壳电阻.参数设置如下：控制方式采用2线控制，加速时间 ACC 设为 0.5s，减速时间 DEC 设为0.3s，给定 1 通道设为模拟输入 AI1，通过 PLC 发送 0~10V 的模拟量控制频率，正反转命令则由PLC 的数字输出点控制。
图5 变频器及电机接线图
3 、软件设计
3.1 PLC程序设计
PLC 程序采用模块化设计方案［4］，共有 6 个子程序：初始化子程序、编码器数据处理子程序、手动运行子程序、自动运行子程序、报警及处理子程序、脉冲输出子程序等.工作模式分手动模式和自动模式，以自动模式的运行流程为例，其流程图如图6所示。
图6 自动模式程序流程图
编程过程中有两个关键的地方需要注意.电动缸的伺服控制，采用 V4.0 STEP 7 Mi?croWIN SP9 软件自带的 PTO/PWM 发生器，配置Q0.0 和 Q0.1 作为方波脉冲发生器.以 Q0.0 为例进行说明，配置SMB67为16#81，方波，周期单位为 1us，单段连续脉冲输出，周期 SMW68 从触摸屏输入。
三个编码器的脉冲计数，采用高速计数器HC0~HC2，三个计数器均采用工作模式 10，即两路脉冲输入的双相正交计数，A相脉冲超前B相脉冲，加计数；A相脉冲滞后B相脉冲，减计数。
3.2 触摸屏界面设计
触摸屏画面主要包括目录画面、参数设定画面、监控画面、报警画面等.监控界面如图7所示，界面友好，可以直观地看出码垛机当前状态，根据要码垛的不同砌块产品输入相应的高度和码垛层数，操作简单，可显著提高控制系统操作的智能化和可视化水平 。
4 、结论
基于 PLC 和伺服控制的砌块码垛机控制系统，通过对夹爪电动缸的伺服控制和升降、横移、旋转电机的变频控制，实现了各个动作的精确位置控制和灵活的速度控制，使码垛机运行平稳可靠.设计的触摸屏界面友好，可以实时监控码垛机的工作状态，使码垛机操作简单，故障诊断容易，同时方便了检修和维护.本系统的开发使码垛机可在25s内完成一板砌块的码垛，效率较之前提高了约12%，对提高混凝土砌块生产线自动化程度，以及减轻工人的体力劳动等方面有着重要作用，可以在实际生产中推广应用。
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