柳 娟,陳 曦,胡昕彤,林義煌,仇存凱(廈門大學航空航天學院,福建廈門361005)

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堆疊鋼材自動打包機控制系統(tǒng)設計

柳 娟*,陳 曦,胡昕彤,林義煌,仇存凱
(廈門大學航空航天學院,福建廈門361005)

摘要:針對堆疊鋼材質量重、體積大、翻轉難的特點,以西門子S7-200系列可編程邏輯控制器(PLC)和Weinview觸摸屏為核心設計了原位自動打包自動控制系統(tǒng).在此系統(tǒng)中,開發(fā)了PLC和觸摸屏控制程序,實現(xiàn)了打包規(guī)格和電機速度等工藝參數(shù)的在線設置,完成自動打包、手動調試、報警保護和故障診斷等系統(tǒng)功能;開發(fā)設計了設計4路頻率獨立可調的脈沖發(fā)生電路,作為電機通用驅動板.所設計系統(tǒng)可以在1 min之內對尺寸400 mm×600 mm×800 mm～600 mm× 800 mm×2 000 mm、質量為1～3 t的堆疊鋼材完成自動打包,提高了生產(chǎn)效率.

關鍵詞:可編程邏輯控制器(PLC);觸摸屏;自動打包機;堆疊鋼材;自動控制系統(tǒng)

使用自動打包機可提高生產(chǎn)率,減輕勞動強度,適應大規(guī)模生產(chǎn)的需要,并滿足清潔衛(wèi)生的要求[1-2].包裝工業(yè)的發(fā)展水平和包裝設計的研發(fā)理念不僅反映出一個國家的工業(yè)實力,也反映了一個社會經(jīng)濟生活中文明程度的高低[3].現(xiàn)有的裹包機械,大部分的操作對象均是質量輕、體積小的包裝物,均需要將被裹包物體進行翻轉運動才能完成打包[4-6].而對于體積較大、質量較重的物體,自動打包機一般來說就是捆扎機,因為重物不方便翻轉和移動,所以普通裹包機的裹包方法也就不適用,只能用捆扎的方法使得物體在運輸、貯存中不會散落.但是有些重物不僅需要捆扎,還需要對其進行包裝.本文針對堆疊鋼材質量重、體積較大、難以翻轉打包的特點,開發(fā)設計一套無需翻轉的原位打包自動控制系統(tǒng).

1 控制系統(tǒng)方案

堆疊鋼材質量重、體積大,只能在原地用裹包棒和裹包板來進行打包.相比于翻轉打包機,原位打包機打包動作與執(zhí)行部件較多,且各個動作之間有嚴格、復雜的邏輯與順序關系;并且每個動作皆需要有自動和手動控制方法可供選擇,以方便控制的調試.

本系統(tǒng)設計的自動打包機示意圖與打包流程示意圖如圖1所示.其中電機Z1控制電機X1和X2的升降;電機X1、X2控制裹包棒1和2進行裹包動作;電機X2、Y1～Y4調節(jié)打包規(guī)格;汽缸Z1～Z4控制裹包板1～4;汽缸X1、X2控制裹包板5和6;汽缸Z5控制汽缸X1和X2的升降;汽缸X3、X4控制裹包棒3 和4;汽缸Z6控制膠帶的升降.

打包方案為電機Z1先上升,推動裹包棒1和2向上運動,將牛皮紙沿物體兩側摟起,如圖1(c)中的動作一所示;到位后電機X1、X2相向運動,水平推動裹包棒1和2往中心運動,將兩側牛皮紙折角90°后沿物體上表面裹包,如圖1(c)中的動作二所示,到位后退回限位;緊接著電機Z1下降到原位.汽缸Z1、Z2伸出,將兩側裹包板1和2同時往中心運動,對兩頭的牛皮紙的下半部分進行封口折疊,如圖1(c)中的動作三所示;然后汽缸Z3、Z4伸出,對兩頭的牛皮紙的上半部分進行封口折疊,如圖1 (c)中的動作四所示;然后汽缸Z5伸出,汽缸Z1～ Z4縮回,汽缸X1～X2伸出,進行兩頭封口的左三角折疊,如圖1(c)中的動作五所示;最后汽缸X3、X4伸出,進行兩頭封口的右三角折疊,如圖1(c)中的動作六所示;待汽缸X1-X5、Z5縮回后電機X1、X2復位.

圖1　堆疊鋼材自動打包機與打包流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the automatic packer of the stacked steel and flow diagram of packing

控制系統(tǒng)以可編程邏輯控制器(PLC)為控制核心,觸摸屏界面作為人機交互,主要完成操作控制、參數(shù)設置和故障操作.其中操作控制包括全自動打包和手動調試;參數(shù)設置包括參數(shù)輸入、計算和規(guī)格選擇;故障操作包括故障報警、處理與復位.整個系統(tǒng)的輸入有氣缸的到位開關、電機的限位開關和安全位置開關,輸出有步進電機的啟停、方向信號和電磁閥的控制信號.

2 控制系統(tǒng)通用電機驅動板設計

本設計的打包過程需要7個步進電機,而步進電機由脈沖控制[7],故需要7個脈沖.但是PLC的高速脈沖輸出只有2路[8],遠遠小于我們所需要的7路脈沖,針對此項功能,需要設計一塊適用于多軸系統(tǒng)的通用電機驅動板,能發(fā)出4路獨立脈沖,可輸出脈沖頻率0～30 k Hz,可調,且數(shù)字量和模擬量皆可控制,還可以控制電機的方向.

2.1電路原理設計

通用電機驅動板的原理圖共分為4個模塊,如圖2所示:DA轉換模塊用DA轉換芯片AD7801實現(xiàn)[9](圖2(a));控制方式選擇模塊用單刀雙擲開關ADG884和撥碼開關實現(xiàn)(圖2(b));脈沖發(fā)生模塊用波形發(fā)生芯片ICL8038實現(xiàn)[10](圖2(c));脈沖轉換模塊用高速光耦HCPL4502實現(xiàn)(圖2(d)).

2.2電路制作與調試

電路板輸出波形的上升時間為947 ns,下降時間為107 ns,動態(tài)特性較好.輸出脈沖頻率與輸入模擬量的關系如圖3所示.由圖可知,脈沖輸出頻率隨著輸入模擬量的變化而線性變化,且擬合優(yōu)度接近于1,輸出頻率與輸入模擬量為線性關系,可實現(xiàn)線性調節(jié).此塊通用電機驅動板能發(fā)出4路獨立脈沖,輸出脈沖頻率0～30 k Hz,可調,且占空比為50%,可直接輸入模擬電壓進行頻率調節(jié),也可用單片機等微控制器輸出數(shù)字量,控制頻率大小,還可以控制電機的方向,滿足設計要求.

圖2　電機驅動板原理圖Fig.2 Schematic of the motor driver board

3 控制系統(tǒng)PLC程序

3.1PLC程序方案與主程序設計

在本控制系統(tǒng)中,PLC程序分為自動打包子程序、手動調試子程序、參數(shù)設置子程序、故障處理子程序和保護子程序等,同時還考慮了僅需要在開機階段執(zhí)行的初始化子程序等[11-12],初始化子程序的主要功能是在PLC上電開機時對PLC的輸出QB0～QB3和內置的中間繼電器MD0～MD12(觸摸屏按鈕、打包進程標志位、故障標志位)進行清零操作,以及初始化高速計數(shù)器.程序流程圖如圖4所示.

主程序主要是進行各個子程序的調用,在程序開啟的時候調用初始化子程序進行程序的初始化,然后根據(jù)操作者在觸摸屏上的指令調用相應的子程序.

3.2PLC程序分模塊設計

3.2.1自動打包子程序設計

自動打包子程序所需要實現(xiàn)的控制功能就是能夠通過讀取操作人員之前設置好的參數(shù),例如規(guī)格大小以及打包時采用的步進電機速度等來自動依次完成打包功能.在自動打包過程中,通過觸摸屏上的流程顯示圖的變化,可以反映自動打包的進程.同時,在打包的過程中,也可以通過暫停按鈕暫停自動打包,取消暫停后控制系統(tǒng)仍能繼續(xù)完成指定的操作.

在自動打包開始前檢查執(zhí)行部件是否在原位,若不在原位,復位后再開始進行自動打包,待物體到位后按照控制方案中的打包順序進行自動打包.在打包過程中發(fā)生編碼器或限位開關故障、超出所需時間、汽缸沒有到位等故障時,將調用故障處理子程序并給出初步故障診斷,等待操作人員處理.

3.2.2手動調試子程序設計

手動調試子程序所實現(xiàn)的功能是能夠讓操作人員采用手動單步執(zhí)行的方式進行打包,同時也能作為操作人員的調試工具,完成對一些執(zhí)行部件性能的檢測.如圖4所示,手動調試主要包括調試步進電機2個方向的運動和單獨復位、氣缸的伸縮、所有電機的全部復位,在此過程中,可以對規(guī)格參數(shù)、電機速度和單軸運動參數(shù)進行設置修改,改變電機的運動特性.

圖4　程序流程圖Fig.4 Flow chat of the program

4 控制系統(tǒng)觸摸屏人機界面

要實現(xiàn)自動打包、手動調試、參數(shù)設置、故障識別等功能,我們設置了如下幾個主要的操作界面,主要包括自動操作界面、手動操作界面、參數(shù)設置界面、報警界面等.觸摸屏人機界面結構如圖5所示.各界面之間可以通過快選窗口進行自由切換,在自動打包前,可通過規(guī)格快選窗口快速選擇規(guī)格,打包完成后會彈出打包完成提示窗口,在自動打包和手動調試時發(fā)生故障就會彈出報警界面,操作界面同時設置有菜單欄,可以讓操作人員快速地選擇需要跳轉的界面.

4.1自動操作界面

自動界面是操作人員設定好相應的自動操作參數(shù)后,堆疊鋼材自動打包機能夠自動完成相應的打包功能后停止,并在執(zhí)行自動打包的過程中進行相應觀察的操作界面.本控制系統(tǒng)的自動操作界面如圖6(a)所示,通過界面上動作流程顯示圖的變化,操作人員可觀測到自動打包機正在進行的動作,實現(xiàn)操作人員對自動打包機工作狀態(tài)的監(jiān)測.同時在自動界面上還有規(guī)格快選按鈕,通過此快選按鈕可以快速選擇打包規(guī)格.

在該自動操作界面,同時具有檢測執(zhí)行部件復位與否的功能,當還未復位就按下運行按鈕時,會彈出自動未復位報警提示窗口,提示操作人員按下自動復位按鈕,復位完成后方可按運行按鈕進行自動打包;在打包完成后還會彈出自動打包完成提示窗口.

圖5　觸摸屏人機界面結構圖Fig.5 Structure chart of touch screen interfaces

圖6　主要操作界面Fig.6 Main operation interfaces

4.2手動調試界面

手動調試界面用于完成打包的單步操作和手動調試功能.本控制系統(tǒng)的手動操作界面如圖6(b)所示,手動界面主要實現(xiàn)的就是手動打包的功能,同時也能作為操作人員的調試工具,完成對一些執(zhí)行部件性能好壞的檢測.

為了實現(xiàn)單步操作,單個調試按鈕就占了界面的很大一部分,所以每個電機的方向選擇與復位按鈕作為彈出窗口出現(xiàn),按一下電機按鈕,在彈出的方向選擇彈出窗口上選擇電機的方向或者復位,既節(jié)省了空間,避免了界面紛亂繁雜,又能滿足所需功能需求.

4.3參數(shù)設置界面

參數(shù)設置界面使得操作人員能夠通過該界面對手動、自動操作的參數(shù)以及自動打包的特性參數(shù)進行設置和更新的操作界面,可分為電機速度設置界面、規(guī)格參數(shù)設置界面以及單軸運動參數(shù)設置界面3個子界面.其中電機速度設置界面用來設置電機的速度(0～200 mm/s);規(guī)格參數(shù)設置界面用來設置4種常用打包規(guī)格的長寬高設置與規(guī)格選擇(400 mm×600 mm×800 mm～600 mm×800 mm×2 000 mm);單軸運動參數(shù)設置界面用來設置打包過程中的運動參數(shù).通過設置相應的翻頁功能使得操作人員能夠在3個參數(shù)設置子界面之間實現(xiàn)任意切換,本控制系統(tǒng)的規(guī)格參數(shù)設置界面如圖6(c)所示.

4.4其他界面

其他界面主要包括快選窗口、密碼保護窗口以及報警窗口.操作者可以通過快選窗口快速進入其他任何界面;對于本設計而言,規(guī)格參數(shù)是操作者可以設置修改的,所以不需輸入密碼,但對于電機速度和單軸運動參數(shù)是專業(yè)技術人員才可修改的,故而需要利用觸摸屏對某些參數(shù)設置修改權限,所以設置了相應的密碼輸入界面;當發(fā)生某種故障時,通過彈出報警界面給出提示,并進行初步的故障診斷,相應故障指示燈亮并以0.5 s的閃爍頻率閃爍,當故障排除后,按下故障復位按鈕,則停止報警返回上一界面.

5 系統(tǒng)調試結果

通過在實驗室搭建模擬調試平臺,實現(xiàn)了觸摸屏與PLC的CPU模塊的通信.為了模擬堆疊鋼材自動打包機在工作過程中,特別是自動打包過程中外部傳感器向PLC傳來的輸入信號,我們通過撥碼開關模擬各個傳感器對PLC發(fā)出相應的信號[13].通過觸碰觸摸屏的方式實現(xiàn)對PLC的輸出進行控制,同時通過計算機與PLC的連接,在電腦上可以進行實時的程序監(jiān)控.當電機速度設置50 mm/s時,進行最大規(guī)格的打包600 mm×800 mm×2 000 mm)時,電機1上升下降各需12 s,電機2和3打包需8 s,復位需大概9 s,汽缸伸縮很快以1 s計算,5組汽缸共需5 s,加上各個動作間的時間余量,整個打包過程在1 min之內.

6 結 論

針對鋼材生產(chǎn)企業(yè)堆疊鋼材打包的特殊需求,基于PLC和觸摸屏開發(fā)了原位打包自動控制系統(tǒng).原位打包控制系統(tǒng)具有自動打包和手動調試的功能,可實現(xiàn)參數(shù)的快速設置和更改,并能進行全面報警保護和故障診斷.設計并制作了通用電機驅動板,能發(fā)出4路獨立脈沖,輸出脈沖頻率0～30 k Hz可調,模擬量和數(shù)字量皆可控制,并能控制方向.對PLC和觸摸屏進行了聯(lián)機模擬調試,結果顯示它可以進行自動打包、手動調試、參數(shù)設置、自動復位、報警保護、故障識別,滿足原位打包的功能需求.可在1 min內完成對尺寸在400 mm×600 mm×800 mm～600 mm×800 mm×2 000 mm之間、質量為1～3 t的堆疊鋼材的自動打包,具有較高的精確性和可靠性,對于提高生產(chǎn)效率、保證包裝質量、實現(xiàn)工廠生產(chǎn)的無人化都將有著很好的促進作用.

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The Design of Control System for the Automatic Packer of the Stacked Steel

LIU Juan*,CHEN Xi,HU Xintong,LIN Yihuang,QIU Cunkai
(School of Aerospace Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Abstract:The stacked steel is heavy,bulky,and hard to flip.On account of these features,a control system of the automatic packaging system in situ is designed by Siemens S7-200 PLC and the Wein view touch screen as the master control core.The package size and the motor speed as well as other process parameters can be set on-line by designing the control program of PLC and touch screen.Capabilities of automatic packaging,manual debugging,alarm protection,and error diagnosis can be achieved.At the same time,a universal motor driving board that can output four separate pulses,whose frequency is adjustable for multi-axis motor system,is also designed.The system is capable of completing the automatic packing for stacked steel whose size is between 400 mm× 600 mm×800 mm to 600 mm×800 mm×2 000 mm and weight is 1-3 tons in 1 minutes,thus improving the producing efficiency.

Key words:PLC;touch screen;automatic packer;stacked steel;control system

*通信作者:cecyliu@xmu.edu.cn

基金項目:國家自然科學基金(51405408)

收稿日期:2015-05-12 錄用日期:2015-08-26

doi:10.6043/j.issn.0438-0479.2016.02.024

中圖分類號:TB 486.3

文獻標志碼:A

文章編號:0438-0479(2016)02-0291-06

引文格式:柳娟,陳曦,胡昕彤,等.堆疊鋼材自動打包機控制系統(tǒng)設計[J].廈門大學學報(自然科學版),2016,55(2):291-296.

Citation:LIU J,CHEN X,HU X T,et al.The design of control system for the automatic packer of the stacked steel[J].Journal of Xiamen University(Natural Science),2016,55(2):291-296.(in Chinese)