周建華，唐敦兵，呂 梟，嚴(yán)煥迪

(1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016)

(2.青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266031)

基于磁力驅(qū)動(dòng)的物料輸送線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周建華1，唐敦兵1，呂 梟2，嚴(yán)煥迪1

(1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016)

(2.青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266031)

根據(jù)磁力驅(qū)動(dòng)的物料輸送線的工作原理和工作流程，設(shè)計(jì)出了以可編程控制器為系統(tǒng)控制核心及基于組態(tài)軟件的觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，給出了其硬件和軟件的設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)表明，該監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的控制性能和操作性能，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

輸送線;可編程控制器;組態(tài)軟件;監(jiān)控系統(tǒng)

鏈?zhǔn)捷斔途€作為遠(yuǎn)距離物料輸送技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，但鏈?zhǔn)捷斔途€存在較大缺點(diǎn):能耗高;產(chǎn)量柔性差;需全線潤滑，易造成現(xiàn)場(chǎng)滴油污染;運(yùn)行過程中噪聲較大，工作環(huán)境不良。針對(duì)上述問題，提出了將磁力驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于物料輸送線領(lǐng)域的設(shè)計(jì)方案，該技術(shù)為非接觸式驅(qū)動(dòng)，噪聲低，工作環(huán)境良好;能耗低;性能穩(wěn)定;維護(hù)成本低。為了使磁力驅(qū)動(dòng)的物料輸送線具有更好的運(yùn)行性能，設(shè)計(jì)開發(fā)高可靠性的監(jiān)控系統(tǒng)是其必然要求。

1 磁力驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)介與輸送線工作原理

輸送線采用分布式接力驅(qū)動(dòng)，當(dāng)軌道小車進(jìn)入某一驅(qū)動(dòng)點(diǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)檢測(cè)到軌道小車位置并發(fā)出信號(hào)使磁力驅(qū)動(dòng)器通電，驅(qū)動(dòng)軌道車運(yùn)行。當(dāng)小車進(jìn)入下一驅(qū)動(dòng)點(diǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)接通軌道小車所在驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的磁力驅(qū)動(dòng)器電源，同時(shí)關(guān)閉前一磁力驅(qū)動(dòng)器的電源，實(shí)現(xiàn)軌道車的接力式運(yùn)行，以此類推，直至運(yùn)行到預(yù)定的位置。

根據(jù)磁力驅(qū)動(dòng)器的工作原理及輸送線的特點(diǎn)，構(gòu)建了基于磁力驅(qū)動(dòng)的物料輸送線的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D1所示。

本輸送線中，磁力驅(qū)動(dòng)器(如圖2所示)主要由電機(jī)、連接在電機(jī)上的驅(qū)動(dòng)輪、與軌道小車固聯(lián)的驅(qū)動(dòng)桿組成。其中所述驅(qū)動(dòng)輪外圓周以隊(duì)列方式嵌有一圈永磁體，相鄰的永磁體極性相反，并覆蓋有保護(hù)層;在驅(qū)動(dòng)桿與驅(qū)動(dòng)輪外緣相對(duì)的平面上呈隊(duì)列方式布置永磁體，且相鄰永磁體極性相反。驅(qū)動(dòng)輪的外圓周永磁體與驅(qū)動(dòng)桿上的永磁體間保持一定的距離，使兩者之間產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁力耦合，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪上的永磁體轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪上轉(zhuǎn)動(dòng)的永磁體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)桿上的永磁體受到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用產(chǎn)生向前的作用力，驅(qū)動(dòng)桿被推動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)軌道車［1］。

圖1 磁力驅(qū)動(dòng)輸送線示意圖

整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由8個(gè)磁力驅(qū)動(dòng)器、16個(gè)傳感器、地面和懸掛軌道、地面和空中軌道小車、移載平臺(tái)及道岔等組成。其中，道岔由電動(dòng)推桿、小車及兩個(gè)傳感器組成，電動(dòng)推桿推動(dòng)小車在兩個(gè)傳感器之間運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軌道的分流。移載平臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)、電動(dòng)推桿及兩個(gè)傳感器構(gòu)成，其工作原理是電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)“x”形剪架，實(shí)現(xiàn)載物平臺(tái)上下方向的運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪，通過齒輪與齒條的嚙合使載物平臺(tái)前后移動(dòng)，通過移載平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)物料在地面軌道小車與懸掛軌道小車之間移載。

圖2 物料輸送線磁力驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

整個(gè)輸送線需要完成的任務(wù)是:接收和處理光電位置傳感器和金屬探測(cè)傳感器的信號(hào)、控制磁力驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)地面軌道小車和懸掛式軌道小車、控制電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)變軌裝置、控制步進(jìn)電機(jī)完成移載平臺(tái)的前后伸縮運(yùn)動(dòng)、控制電動(dòng)推桿完成移載平臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)、控制中間換向繼電器完成軌道車運(yùn)行方向的互換。監(jiān)控系統(tǒng)的功能在于協(xié)調(diào)上述控制任務(wù)，并監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，通過控制電路組成運(yùn)行過程控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)［2］，其監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，上位機(jī)采用PC機(jī)，主要完成監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)程序的開發(fā)與調(diào)試;下位機(jī)采用功能強(qiáng)大、可靠性高、維護(hù)方便、配置靈活、編程方便的可編程控制器(PLC)，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的采集和處理，控制磁力驅(qū)動(dòng)器、道岔和移載平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)順序和方向，并與觸摸屏進(jìn)行通信;觸摸屏主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送線的控制操作，并實(shí)時(shí)顯示輸送線的運(yùn)行狀態(tài)。

本系統(tǒng)硬件主要由可編程控制器S7－200 PLC和觸摸屏MP 277組成，軟件包括組態(tài)軟件SIMAITIC WinCC和PLC編程軟件STEP 7 MicroWIN V4.0。PLC與PC機(jī)和觸摸屏之間分別通過PPI協(xié)議、PROFIBUS協(xié)議進(jìn)行通信。PLC控制程序和觸摸屏組態(tài)程序分別用STEP 7和WinCC flexible軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)［3］。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 可編程控制器程序設(shè)計(jì)

基于可編程控制器(PLC)完成系統(tǒng)的順序控制，其主要作用是:(1)采集和處理軌道小車、道岔、移載平臺(tái)的位置信號(hào)等;(2)對(duì)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行分布式供電，并控制軌道小車的正反運(yùn)行;(3)與觸摸屏通信，實(shí)現(xiàn)輸送線運(yùn)行控制和檢測(cè)。

根據(jù)系統(tǒng)工作原理，PLC接口電路原理如圖4所示，PPI接口實(shí)現(xiàn)PLC與PC機(jī)的通信，完成PLC程序的下載;PROFIBUS接口實(shí)現(xiàn)PLC與觸摸屏之間的通信，完成對(duì)物料輸送線的控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［4］。

根據(jù)輸入、輸出信號(hào)的數(shù)量和屬性編制了PLC的I/O口的分配表，為實(shí)現(xiàn)觸摸屏的監(jiān)控功能，同時(shí)給觸摸屏程序中相關(guān)器件和按鈕分配了觸摸屏的地址，見表1。

表1 控制系統(tǒng)I/O口分配表

圖4 PLC接口電路原理圖

硬件設(shè)置完成后，由于涉及的控制量較多，且系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制方式和手動(dòng)控制方式的轉(zhuǎn)換，因此本文先根據(jù)系統(tǒng)的工作流程編寫PLC程序的流程圖，此基礎(chǔ)上，通過STEP 7編程軟件編寫PLC的梯形圖控制程序。

3.2 組態(tài)軟件監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

WinCC flexible是面向機(jī)器的自動(dòng)化概念的人機(jī)接口(Human Machine Interface，HMI)軟件，提供了對(duì)面向解決方案概念的組態(tài)任務(wù)的支持，用于組態(tài)用戶界面的設(shè)計(jì)，以操作和監(jiān)視機(jī)器與設(shè)備。組態(tài)程序開發(fā)流程如圖5所示［5］。

圖5 組態(tài)程序開發(fā)流程圖

啟動(dòng)程序后，建立用戶項(xiàng)目，選擇相對(duì)應(yīng)的通訊設(shè)置(SIMATIC S7 200)，定義組態(tài)變量，實(shí)現(xiàn)邏輯連接，然后建立過程畫面，指定系統(tǒng)屬性;組態(tài)程序編譯完成后，用變量模擬器測(cè)試過程畫面;測(cè)試成功后，將程序下載至觸摸屏［6］。

觸摸屏程序分為控制部分和監(jiān)視部分。控制部分分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，自動(dòng)控制能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)、暫停、恢復(fù)和停止等功能，手動(dòng)控制可以通過觸摸屏上相應(yīng)的按鈕，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的磁力驅(qū)動(dòng)器、變軌裝置或者移載平臺(tái)控制。監(jiān)視部分通過采集傳感器的信號(hào)，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面(如圖6所示)。

圖6 觸摸屏人機(jī)交互界面

3.3 通信接口設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)中，通過組態(tài)軟件WinCC flexible和STEP 7建立MP 277與PLC之間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換與通信聯(lián)系。觸摸屏與PLC的通信基于PROFIBUS協(xié)議，使用2個(gè)PROFIBUS接頭實(shí)現(xiàn)PLC與MP 277的網(wǎng)絡(luò)連接。用WinCC flexible組態(tài)軟件和STEP7對(duì)相關(guān)通信參數(shù)進(jìn)行定義，配置通信驅(qū)動(dòng)程序?yàn)镾IMATIC S7 200，通信網(wǎng)絡(luò)為DP，MP277設(shè)備地址為1，通信速率9.6Kb/s，PLC地址為2。同時(shí)設(shè)置STEP 7中相應(yīng)通信參數(shù)，PLC地址為2，通信速率9.6Kb/s，與觸摸屏的通信波特率保持一致［7］。WinCC與PLC通訊接口設(shè)置如圖7所示。

圖7 WinCC與PLC通訊接口設(shè)置

本系統(tǒng)基于PPI協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC與PC機(jī)之間的通信。用RS232接口轉(zhuǎn)換器連接PC機(jī)和PLC，在SETP 7中設(shè)置好各站地址和正確的波特率，保證通信正常。

在上位機(jī)PC上編寫好程序，并下載至PLC和MP 277后進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試，系統(tǒng)正常工作后，PLC和MP 277即可脫離PC機(jī)，在PLC和MP 277之間構(gòu)成相互通信的完整的監(jiān)控系統(tǒng)，又能彼此獨(dú)立工作。一旦MP 277出現(xiàn)故障，PLC可脫離MP 277獨(dú)立工作，確保現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安全、可靠連續(xù)運(yùn)行。

4 輸送系統(tǒng)的構(gòu)建與聯(lián)合調(diào)試

磁力驅(qū)動(dòng)器作為磁力驅(qū)動(dòng)的物料自動(dòng)化輸送線中動(dòng)力源，也是最重要的組成部分之一。在設(shè)計(jì)好結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)力合適的磁力驅(qū)動(dòng)器后，根據(jù)磁力驅(qū)動(dòng)器的布置方式和實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地情況，采用三維建模軟件SolidWorks設(shè)計(jì)了輸送線的結(jié)構(gòu)模型，包括磁力驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)送軌道、軌道車、移載平臺(tái)、變軌裝置等，并進(jìn)行了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)分析和干涉檢查，最后構(gòu)建了整個(gè)輸送線。

根據(jù)輸送線的結(jié)構(gòu)和功能，在合理的位置安裝傳感器，通過傳感器對(duì)軌道車、移載平臺(tái)、變軌裝置的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并將信號(hào)反饋給PLC，再通過觸摸屏與PLC的數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控，達(dá)到人機(jī)交互的目的。最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，結(jié)果表明，整個(gè)輸送線運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求?；诖帕︱?qū)動(dòng)的物料輸送線的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D8所示。

圖8 基于磁力驅(qū)動(dòng)的物料輸送系統(tǒng)

5 結(jié)束語

本文對(duì)物料輸送線中的磁力驅(qū)動(dòng)器工作原理進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)分析和設(shè)計(jì)了其監(jiān)控系統(tǒng)。采用STEP7+WinCC flexible和PLC+MP 277作為軟硬件開發(fā)平臺(tái)，能精確、可靠地完成對(duì)物料輸送線中各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)控制;縮短監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試時(shí)間;實(shí)時(shí)顯示輸送線的運(yùn)行狀態(tài)，具有良好的人機(jī)交互功能。該輸送線經(jīng)安裝和調(diào)試，運(yùn)行平穩(wěn)，工作可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)物料輸送線的基本功能，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。在后續(xù)的研究中，可以進(jìn)一步優(yōu)化磁力驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能，并研究輸送線中有多輛軌道車時(shí)的調(diào)度問題。

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Design of Monitoring System of Conveying Line Based on Magnetic Force Driving

ZHOU Jianhua1，TANG Dunbing1，LV Liang2，YAN Huandi1
(1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Jiangsu Nanjing，210016，China)
(2.Qingdao Sifang Vehicle Research Institute Co.，Ltd.，Shandong Qingdao，266031，China)

According to the working principle and process of magnetic force driving conveying line，the monitoring system based on PLC and touch panel is proposed，and the design of hardware and software are given.Experimental results show that the monitoring system has a good control performance and handle ability，and runs stablily and reliably.This system is valuable in engineering application.

Conveying Line;Programmable Logic Controller(PLC);Configuration Software;Monitoring System

TH238

A

2095－509X(2013)02－0045－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.02.012

2012－11－14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175262);江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻項(xiàng)目(SBY201220116);江蘇省杰出青年基金資助項(xiàng)目(SBK201210111);南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地(實(shí)驗(yàn)室)開放基金資助項(xiàng)目(kfjj20110218)

周建華(1988—)，男，湖南婁底人，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇帕︱?qū)動(dòng)機(jī)械的設(shè)計(jì)與仿真。