邱德常

（四川東材科技集團(tuán)股份有限公司，四川 綿陽 621000）

目前科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，越來越多的自動化設(shè)備應(yīng)用在工廠中，尤其是對于電子以及機(jī)械方面，自動化設(shè)備更是應(yīng)用廣泛。這種情況下，自動生產(chǎn)線也得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，同時(shí)提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的品質(zhì)。而應(yīng)用自動生產(chǎn)線也可以節(jié)省原料，降低損失，在很多方面都有很大的效果。經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，自動配料生產(chǎn)線已經(jīng)越來越完善，既包括自動控制技術(shù)，也包括機(jī)械技術(shù)以及傳感器技術(shù)。而自動配料生產(chǎn)線的發(fā)展源頭是傳統(tǒng)的流水生產(chǎn)線，經(jīng)過發(fā)展后，效率得到了有效的提高，而同時(shí)因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)屬于自動系統(tǒng)，所以整個(gè)過程不可避免的也需要可編程控制器進(jìn)行控制。一般來說，可編程控制器的運(yùn)算是邏輯運(yùn)算，通過邏輯數(shù)字（0和1）對控制進(jìn)行要求。目前來說，PLC在很多區(qū)域都有所應(yīng)用，具有非常高的可靠性和靈活性，在本文中也可以實(shí)現(xiàn)自動配料系統(tǒng)的控制功能。

1 自動配料系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 自動配料實(shí)訓(xùn)平臺的組成

自動配料平臺的組成單元有配送、搬運(yùn)、供應(yīng)、觸摸屏以及傳輸單元幾部分。對于每個(gè)部分來說都可以相互獨(dú)立，屬于機(jī)電一體化的系統(tǒng)。對于搬運(yùn)單元來說，抓取設(shè)備是機(jī)械手；將變頻器以及電動機(jī)等應(yīng)用于輸送單元；將推料氣缸應(yīng)用于配料單元。

1.2 各單元的功能及組成

下圖1表示的是實(shí)訓(xùn)平臺的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的各部分功能如下。

第一，供應(yīng)單元主要是通過統(tǒng)計(jì)需要設(shè)計(jì)整個(gè)過程的入料量，該單元可以進(jìn)行真實(shí)操作，對物料的傳送非常方便。第二，搬運(yùn)單元主要是完成物料的抓放，通過程序的控制完成四個(gè)方向的工作。第三，配送單位主要是通過對工作單元進(jìn)行分類，在不同物料槽中裝入不同的工件。第四，傳輸單元主要對工件進(jìn)行傳送，一旦傳感器檢測到落料口處有工件，電動機(jī)就會通過皮帶傳送工件。第五，觸摸屏主要是完成操作者和設(shè)備之間的溝通。每個(gè)單元都可以進(jìn)行設(shè)計(jì)以及部件的拆卸。

如圖2為系統(tǒng)模塊圖。

圖1 實(shí)訓(xùn)平臺的組成

圖2 系統(tǒng)模塊圖

下圖3表示的是系統(tǒng)的整體模型，在自動配料系統(tǒng)中，采用的技術(shù)包括傳感器技術(shù)、機(jī)械技術(shù)以及氣壓傳動、可編程控制等。

1.3 控制板的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)工作

（1）控制面板。在整個(gè)系統(tǒng)中，控制面板屬于非常重要的一部分，設(shè)計(jì)出合適的控制面板可以使整個(gè)系統(tǒng)十分便捷且靈活。本文中研究的自動配料生產(chǎn)線的控制面板如圖4。

圖3 系統(tǒng)整體模型

圖4 控制面板

首先，對于電源供電模塊來說，使用的電源為50Hz的三相或者單相的交流電源、24V的直流穩(wěn)壓電源以及其他各式電源開關(guān)等等。

其次，對于開關(guān)模塊來說，包括啟動開關(guān)、停止開關(guān)以及復(fù)位開關(guān)，每個(gè)開關(guān)都選擇的器件是按鈕。通過對啟動按鈕進(jìn)行設(shè)計(jì)可以使整個(gè)系統(tǒng)開始運(yùn)行；停止按鈕的功能則是在系統(tǒng)完成工作后，按下使系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)、完成循環(huán)；復(fù)位按鈕的功能是在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者系統(tǒng)報(bào)警的情況下，通過按下復(fù)位按鈕，完成系統(tǒng)的停止工作以及復(fù)位工作。

接著，對于PLC模塊來說，則是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，屬于系統(tǒng)的中心，控制整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

最后，對于變頻器模塊來說，主要功能是完成運(yùn)輸單元的控制，也就是控制三相交流異步電動機(jī)。

（2）系統(tǒng)工作任務(wù)。①對于該系統(tǒng)來說，首先應(yīng)該進(jìn)行的是初始化工作，也就是將手臂裝置旋轉(zhuǎn)到極限位置，這時(shí)可以發(fā)現(xiàn)綠色的警示燈發(fā)光，也就是表示這時(shí)可以進(jìn)行啟動工作。②如果完成整個(gè)過程的配料工作，系統(tǒng)的機(jī)械手就會自動復(fù)位，表示完成一個(gè)工作周期，并且在1s的停頓后自動進(jìn)入到下一個(gè)工作循環(huán)，完成一個(gè)周期后再次停止，如此往復(fù)。對于整個(gè)系統(tǒng)來說，如果在系統(tǒng)正常運(yùn)行的一個(gè)周期內(nèi)按動停止按鈕，那么系統(tǒng)就會自動停止工作，紅燈警示閃爍。③如果系統(tǒng)不能完成工件的正常供給。那么系統(tǒng)的警示紅燈就會閃爍，而綠燈不變。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

對于本系統(tǒng)來說，選擇的控制思路是氣-電共同控制。所謂氣電對系統(tǒng)進(jìn)行共同控制就是說設(shè)計(jì)一個(gè)控制邏輯電路、電磁閥等。對于系統(tǒng)來說，啟動信號是通過邏輯電路設(shè)計(jì)的，邏輯電路的輸出信號為電信號，之后通過啟動信號對氣動閥進(jìn)行驅(qū)動之后完成工作。而對于任何一個(gè)完整控制系統(tǒng)來說，都可以進(jìn)行長距離的物料運(yùn)輸，而運(yùn)輸?shù)男盘杽t為電子信號，系統(tǒng)中的邏輯電路的控制位置可以不和生產(chǎn)的位置在一起，而且對于控制電路以及執(zhí)行組件來說也是可以分開，因?yàn)檫@樣盡管在很差的環(huán)境內(nèi)，系統(tǒng)也可以進(jìn)行工作，比如易燃易爆環(huán)境等。整個(gè)自動配料系統(tǒng)的控制部分采用的是啟動控制，十分完整，可以很好地抵抗外界的干擾，同時(shí)易于控制，而且在編寫程序等過程中都十分靈活，對于復(fù)雜的環(huán)境也可以應(yīng)用。對于驅(qū)動以及進(jìn)行功率的輸出來說；而控制電路主要的功能則是處理來自輸入與輸出傳來的信號，以及邏輯狀態(tài)。因此對于該系統(tǒng)來說，主要也包括啟動以及電器兩個(gè)控制電路部分。

2.2 電氣控制設(shè)計(jì)

（1）控制方式的選擇。對于可編程控制器PLC來說，其控制部分是用戶部分對系統(tǒng)進(jìn)行控制的部分，也就是繼電器以及接線，對于用戶來說，要求較少，用戶盡管不具有計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)也可以完全了解程序的元件符號，解讀程序中各種繼電器的組合。對于PLC程序來說，其發(fā)展基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)的編程語言的簡化，具有一定的風(fēng)格和結(jié)構(gòu)。而PLC編程語言屬于圖形化語言，同時(shí)也是分模塊的，對于繼電器來說也表述十分直接，在編程過程中很容易進(jìn)行以及了解。在操作過程中，可以直接根據(jù)繼電器電路通過符號的翻譯直接得到PLC程序，可以說整個(gè)過程十分實(shí)用而且方便。在本系統(tǒng)中，使用的PLC控制器是FX2N-48MR型，生產(chǎn)公司是三菱公司，而對于PLC來說，在整個(gè)控制過程中發(fā)揮了控制功能，X叫做輸入；C叫做計(jì)數(shù)器，Y叫做輸出，M,T叫做繼電器。

（2）PLC控制設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中，主信號的系統(tǒng)主要來自觸摸屏各種按鈕，包括復(fù)位、啟動、關(guān)閉按鈕等，通過按鈕或者觸摸屏的連接，將信號輸入到PLC中，得到主信號能夠?qū)怏w的流向進(jìn)行改變的元件叫做電磁換向閥，而該元件在該系統(tǒng)中也有所應(yīng)用，主要是用于動力控制，也就是控制啟動元件的控制運(yùn)動方向。在本系統(tǒng)中，使用的排氣節(jié)流閥是下圖5所示的，可以對氣動回路進(jìn)行調(diào)速控制。而一旦對排氣或者進(jìn)氣的閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，排氣腔中的壓力就會變化，為了維持或者對氣體壓力進(jìn)行改變，活塞桿需要保持穩(wěn)定的運(yùn)動。

2.3 輸送單元?dú)鈩涌刂圃O(shè)計(jì)

對于氣缸的機(jī)械手部分來說，輸送單元位于上方，使用的電磁閥為插入方式的，如下圖6。對于啟動電路來說，氣缸的換向閥是控制啟動的機(jī)械手，而本系統(tǒng)選擇五通雙電控電磁換向閥。對于雙電控以及單電磁的換向閥來說，二者存在一定的不同，首先，對于單電磁閥來說，一旦控制信號消失，因?yàn)榇嬖趶椈?，所換向閥的閥芯就會重置；其次，對于雙電控電磁換向閥來說，如果電磁線圈兩端沒有電壓，換向閥的位置是由電信號決定的，兩個(gè)控制信號是不是“1”，相同的雙電磁閥時(shí)，兩個(gè)電磁線圈同時(shí)得電，這樣在控制的過程中得電是不容許的，否則將會導(dǎo)致電磁換向閥的線圈損壞。當(dāng)然在此種情況下，也不能夠?qū)㈤y芯所處的位置進(jìn)行確定。

圖6 手抓氣路圖

3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3.1 傳送和分揀機(jī)構(gòu)

對于整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來說，在進(jìn)行工作之前已經(jīng)完成了加工運(yùn)輸過程中設(shè)備的組裝，而檢驗(yàn)以及歸類的工作屬于光纖傳感器。在傳送以及分揀的機(jī)構(gòu)中，使用的元件包括推料缸、光纖自身傳感器、料槽、磁感應(yīng)接近傳感器等。

3.2 傳動機(jī)構(gòu)

對于傳動機(jī)構(gòu)而言，需要選擇一種三相交流異步電動機(jī)，該系統(tǒng)中選用的齒輪減速電動機(jī)。該電動機(jī)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動材料的運(yùn)送，主要組成部分有電動機(jī)的支架、皮帶以及整個(gè)電機(jī)。而電動機(jī)的運(yùn)動速度可以通過變頻器控制，固定電動機(jī)可以使用電機(jī)支架。

3.3 分揀單元的PLC控制及編程

對于本文研究的系統(tǒng)來說，使用的輸入地址一共有7個(gè)輸入點(diǎn)，其中包括兩個(gè)急停，也就是一個(gè)啟動，一個(gè)停止，還有在設(shè)計(jì)傳感器信號時(shí)需要使用到的5個(gè)輸入信號。使用的輸出地址有4個(gè)，其中兩個(gè)輸出到變頻器。在本文中，對于變頻器單元來說，在進(jìn)行連接時(shí)不能使用前幾個(gè)單元一樣的方法以及相關(guān)的設(shè)計(jì)，同時(shí)變頻器單元的安裝位置應(yīng)該在放置架中。這種情況下，對于PLC來說，輸出點(diǎn)應(yīng)該先連接于接線排，之后在不通電的情況下，使用導(dǎo)線將其接在變頻器的控制模塊，相應(yīng)地完成電動機(jī)的控制，對于變頻器的驅(qū)動輸出部分來說，也需要使用安全的導(dǎo)線插在終端插孔，之后使用接線端子與交流電機(jī)完成連接。

4 結(jié)語

對于本文中的設(shè)備來說，在各方面都可以滿足要求，也可以對其進(jìn)行重新安裝、設(shè)計(jì)以及個(gè)單元的。最重要的是，在使用過程中，可以很快地進(jìn)行故障的檢查和檢修。此外，本文在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對于整個(gè)系統(tǒng)的選型以及控制方法進(jìn)行了深入的分析和比較，最后選擇PLC控制技術(shù)，同時(shí)在機(jī)械抓手方面選擇啟動控制。本文通過結(jié)合一般理論以及實(shí)踐中遇到的問題和總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，規(guī)劃了自動配料生產(chǎn)線的整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)構(gòu)思了系統(tǒng)的電子部分、電氣控制部分以及軟件部分。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓仁生．自動配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及給料過程控制方法研究[D]．東北大學(xué),2009．

[2]張兢．基于現(xiàn)場總線的自動配料系統(tǒng)的研究與分析[D]．武漢理工大學(xué),2012．

[3]葉樹林,阮世勛,劉軍．分布式自動配料控制系統(tǒng)的研制[J]．儀表技術(shù)與傳感器,2003，(01):29-31．

[4]趙興森,文生平,徐永謙．基于PLC的自動配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)測量與控制,2013,21(04):962-964．

[5]李鵬．基于PLC的生產(chǎn)線自動配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]．河北大學(xué),2014．