馬 群，黃 輝 ，鄒耀偉

（江西冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 新余338015）

0 前言

負(fù)極活性材料—石墨烯在電子通訊、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展前景。某企業(yè)在生產(chǎn)該材料時(shí)，所得產(chǎn)品的輸送過(guò)程仍采用人工操作，物料經(jīng)常堵塞，生產(chǎn)效率低，且存在一定的安全隱患。針對(duì)以上問(wèn)題，企業(yè)提出技改方案，要求設(shè)計(jì)一套由PLC控制的全程自動(dòng)送料裝置，并希望通過(guò)GSM控制器實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守功能，達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。為此，本文首先對(duì)設(shè)備的各零件模型進(jìn)行了虛擬裝配，確定了自動(dòng)送料機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)；電氣動(dòng)控制采用了PLC、電磁閥、GSM手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了送料機(jī)裝料、行走、出料等過(guò)程的自動(dòng)化及在線監(jiān)控，最終設(shè)計(jì)了一臺(tái)無(wú)人值守自動(dòng)送料機(jī)，應(yīng)用于生產(chǎn)后，成功解決了企業(yè)生產(chǎn)中存在的一個(gè)難題。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)

無(wú)人值守送料機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1所示，主要由螺旋輸送結(jié)構(gòu)和送料小車兩大部分構(gòu)成。螺旋輸送結(jié)構(gòu)由減速電機(jī)、鏈輪、螺旋葉片、鏈條等零件組成。它的工作過(guò)程是下面的減速電機(jī)先啟動(dòng)，帶動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)螺旋葉片軸旋轉(zhuǎn)，螺旋葉片推動(dòng)料往上揚(yáng)升，到達(dá)一定高度落入副螺旋機(jī)構(gòu)料的進(jìn)料口，主螺旋輸送出料口與副螺旋輸送進(jìn)料口用法蘭盤相對(duì)用螺栓連接。副螺旋機(jī)構(gòu)通過(guò)螺旋葉片二次傳送把料送入到加熱爐腔體內(nèi)，垂直落料從而避免堵塞現(xiàn)象。

圖1 產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)圖

送料小車在鋼軌道上來(lái)回移動(dòng)，主要由固定板、料斗、固定桁架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、渦輪蝸桿減速器及滑輪等零部件組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)后，通過(guò)渦輪蝸桿副帶動(dòng)滑輪滾動(dòng)；送料小車桁架上裝有兩個(gè)光電接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)小車行程到達(dá)出料口和進(jìn)料口兩個(gè)極限位時(shí)停止移動(dòng)。送料小車裝料斗內(nèi)有光電傳感器，可以判斷料斗內(nèi)是否有料，從而控制螺旋送料機(jī)的電機(jī)開(kāi)啟。料斗下部的出料口上還裝有電磁閥控制開(kāi)關(guān)，出料時(shí)電磁閥開(kāi)啟，進(jìn)料時(shí)電磁閥關(guān)閉，內(nèi)部采用渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)改變出料開(kāi)口的大小，偏轉(zhuǎn)角度為0～100°.從而利用PLC編程可實(shí)現(xiàn)對(duì)送料小車裝料、移動(dòng)和落料過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守功能。

無(wú)人值守送料機(jī)邏輯運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下：

送料小車在遠(yuǎn)端限位開(kāi)關(guān)處停止，料斗裝入料，到達(dá)一定時(shí)間后停止裝料，料斗驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)料斗移動(dòng)到這個(gè)螺旋輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)料口正上方，接觸到極限開(kāi)關(guān)后，小車停止運(yùn)動(dòng)，料斗最下方的出料閥門開(kāi)啟，料落入到螺旋輸送機(jī)送料口。此時(shí)，螺旋輸送機(jī)主、副電機(jī)啟動(dòng)，出料閥門打開(kāi)進(jìn)行傳料過(guò)程。當(dāng)落料完畢后，出料閥門逐漸關(guān)閉，停一段時(shí)間，螺旋輸送機(jī)主、副電機(jī)關(guān)閉，完成一次送料過(guò)程。料斗小車電機(jī)再啟動(dòng)，帶動(dòng)料斗車回到原位。

2 電氣動(dòng)控制部分設(shè)計(jì)

2.1 電氣動(dòng)控制系統(tǒng)組成

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料的電氣控制系統(tǒng)包括可編程控制器（PLC）、GSM手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、控制面板、光電傳感器、電磁閥、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻器、繼電器等。

PLC輸入端主要采集氣缸到位信號(hào)、步進(jìn)電機(jī)縱橫向限位信號(hào)、啟停按鈕等信號(hào)，輸出端采用脈沖加方向的方式控制步進(jìn)電機(jī)的位移及方向，通過(guò)周期性的采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，發(fā)出控制指令?？紤]到PLC在故障判斷、人機(jī)對(duì)話等方面存在一定缺陷[1]，故在系統(tǒng)中還專門配置了GSM手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)送料過(guò)程的在線監(jiān)控。該系統(tǒng)控制的思路為：用戶首先利用手機(jī)發(fā)出相關(guān)命令短信息，GSM模塊將控制指令傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)；單片機(jī)分析處理后繼續(xù)把結(jié)果傳輸?shù)嚼^電器模塊對(duì)應(yīng)的I/O口，并控制I/O口狀態(tài)以及改變輸入端數(shù)據(jù)。監(jiān)控部分控制思路為：首先，利用光電傳感器檢測(cè)判斷料斗內(nèi)是否有料，并將信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理后將警戒信號(hào)發(fā)送至使用者手機(jī)[2]。

2.2 電機(jī)選型

對(duì)螺旋送料機(jī)進(jìn)行虛擬裝配后，確定了螺旋送料機(jī)的安裝方式，再利用螺旋輸送機(jī)所需軸功率計(jì)算公式（P=KQ（ω0L+H）/367）可確定螺旋輸送機(jī)功率，從而根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)電機(jī)進(jìn)行選型[3]。經(jīng)計(jì)算，主螺旋輸送機(jī)電機(jī)選定為BWY型腳板式臥裝專用電動(dòng)機(jī)直聯(lián)型，即單級(jí)擺線針輪減速器，型號(hào)BWYB3-35-2.2；副螺旋輸送機(jī)電機(jī)選定為BWY型腳板式臥裝專用電動(dòng)機(jī)直聯(lián)型，型號(hào)BWY-B2-59-1.1；送料小車選定驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為NMRV075，功率為750 W，驅(qū)動(dòng)電機(jī)接線圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)接線圖

2.3 PLC選型

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況需要，應(yīng)選擇具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、維修方便、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)可編程控制器（PLC）[4-6]，為此，綜合考慮，選擇西門子的S7-200系列：CPU226（6ES7 216-2AD26-0XB0）；CPU226用戶程序存儲(chǔ)器有4096字、用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2560字，數(shù)字輸入點(diǎn)32個(gè)，數(shù)字輸出點(diǎn)16個(gè)；內(nèi)部電路具有光隔離功能，能保護(hù)模塊。響應(yīng)時(shí)間最大延遲4.5 ms，16點(diǎn)固態(tài)（MOSFET）輸出，輸出電壓20.4～28.8 VDC，輸出電流0.75 A.此外，該型號(hào)PLC結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢(shì)明顯，在相對(duì)惡劣的運(yùn)行條件下，仍可以保持長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定，從而保證送料過(guò)程運(yùn)行的參數(shù)維持在合適的范圍值內(nèi)[7]。

2.4 PLC I/O口及其軟元件分配

根據(jù)本控制系統(tǒng)的產(chǎn)品動(dòng)作要求，對(duì)系統(tǒng)的數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入進(jìn)行端口分配，制定了PLC的I/O地址分配表，結(jié)果如表1所示。

表1 PLC的I/O地址分配表

根據(jù)I/O地址分配表對(duì)部分設(shè)備與PLC進(jìn)行連線，由于送料等運(yùn)行裝置所需要的電流較大，而PLC輸出或輸入的電流相比很小，為了在能夠正常驅(qū)動(dòng)相關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上，同時(shí)保護(hù)PLC的輸出或輸入觸點(diǎn)，使用中間繼電器和PLC的輸出端子相連，對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)PLC起到保護(hù)作用，減少因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障，確保PLC具有可靠穩(wěn)定工作的狀態(tài)[8]。所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的PLC電氣接線圖，結(jié)果如圖3所示。

圖3 PLC電氣接線圖

2.5 PLC控制程序設(shè)計(jì)

首先需要對(duì)PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行的程序進(jìn)行編寫，PLC控制系通電后，再利用編寫的程序設(shè)定基本控制參數(shù)，使送料裝置按照設(shè)計(jì)的工藝流程進(jìn)行工作。設(shè)定的控制程序如圖4所示。

圖4 PLC控制程序

2.6 控制面板顯示設(shè)計(jì)

控制面板可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)螺旋輸送結(jié)構(gòu)和送料小車的啟動(dòng)、停止、急停等基本控制功能。送料小車裝料斗內(nèi)有光電傳感器，可以判斷料斗內(nèi)是否有料，從而控制螺旋送料機(jī)的電機(jī)開(kāi)啟。料斗下部的出料口上還裝有電磁閥控制開(kāi)關(guān)，電磁閥開(kāi)關(guān)控制送料下車進(jìn)料或出料。為方便用戶的使用和操作，確保送料機(jī)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示與遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，設(shè)計(jì)了如圖5所示的控制面板，而產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程信號(hào)燈情況如表2所示。

圖5 控制面板

表2 產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程信號(hào)燈情況

3 實(shí)際應(yīng)用情況

該自動(dòng)送料裝置產(chǎn)品實(shí)體造型如圖6所示，其實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用表明：設(shè)計(jì)的主、副兩個(gè)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)成功解決了解決物料的堵塞問(wèn)題，同時(shí)由于分別采用了PLC和GSM手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的全程控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)送料及遠(yuǎn)程控制的功能，該裝置完全取代了傳統(tǒng)的人工送料，崗位工人的數(shù)量及工作強(qiáng)度都大幅降低，僅人工成本就每年可為企業(yè)節(jié)省30萬(wàn)元，在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的輸送量由每小時(shí)1～2 t增加到3 t左右，效率明顯增高。該自動(dòng)送料裝置投入使用半年多時(shí)間，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，界面操作方便，生產(chǎn)自動(dòng)化程度得到有效提升。

圖6 產(chǎn)品實(shí)體造型圖

4 結(jié)束語(yǔ)

具有主、副兩個(gè)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)螺旋輸送機(jī)，利用垂直落料的方式解決物料的堵塞問(wèn)題；電氣動(dòng)控制采用了PLC、光電傳感器、電磁閥、GSM手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等，確保實(shí)現(xiàn)送料機(jī)的裝料、行走、出料等過(guò)程自動(dòng)化及在線監(jiān)控的功能。該產(chǎn)品在企業(yè)試車成功后，一直運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)任何問(wèn)題，大幅提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低了企業(yè)員工勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了工人成本，滿足了企業(yè)的需求。