田亞立，梁波，薛春蓮

（寧夏工業(yè)職業(yè)學(xué)院 采礦與機(jī)電工程系，寧夏銀川，750021）

0 引言

伴隨著工廠自動(dòng)化地發(fā)展，硫銨碼垛控制系統(tǒng)也由以前以人工搬用為主的運(yùn)輸模式，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閹捷斔蜋C(jī)運(yùn)輸，機(jī)械手搬用的自動(dòng)化生產(chǎn)線模式。近幾年人力成本在逐年增高，自動(dòng)化程度越低，人力成本越高，所以硫銨碼垛自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用極大地提高了硫銨的運(yùn)輸效率節(jié)約了大量的人力成本。目前，企業(yè)為提高核心競(jìng)爭(zhēng)力，降低人力成本，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線的要求越來越高。因此，硫銨碼垛控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)及經(jīng)濟(jì)意義，在PLC課程的教學(xué)中提高學(xué)生的面向崗位的職業(yè)技能和素養(yǎng)也是非常有意義的。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

硫銨碼垛控制系統(tǒng)，分為計(jì)數(shù)、傳輸和機(jī)械手搬運(yùn)三個(gè)主要環(huán)節(jié)。具體控制過程為，系統(tǒng)啟動(dòng)后，當(dāng)物料檢測(cè)傳感器檢測(cè)到物料時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)指示燈每檢測(cè)到9個(gè)物品亮一次，持續(xù)時(shí)間為5s，計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)每天裝配的硫銨數(shù)量。系統(tǒng)啟動(dòng)后，兩條皮帶依次啟動(dòng)，遠(yuǎn)端的第一條皮帶先啟動(dòng)，5s后，第二條皮帶啟動(dòng)。5s后，第三條皮帶啟動(dòng)。機(jī)械手的初始位置停在原點(diǎn)，當(dāng)裝料傳感器檢測(cè)到物料時(shí)，機(jī)械手下降——加緊工件——上升——右移——再下降——放松工件——在上升——左移，八個(gè)動(dòng)作，完成一個(gè)工作周期。按下停止按鈕，計(jì)數(shù)停止，三條皮帶間隔5s依次停止，近端的皮帶先停止，遠(yuǎn)端的皮帶后停止。機(jī)械手回到初始狀態(tài)。設(shè)置急停按鈕，按下急停按鈕，皮帶同時(shí)停，機(jī)械手停止工作。電機(jī)具備過載及短路保護(hù)的功能。觸摸屏顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，設(shè)備采用觸摸屏加現(xiàn)場(chǎng)按鈕的多地控制設(shè)計(jì)。

1.1 系統(tǒng)整體框圖

本設(shè)計(jì)采用西門子S7-200PLC采集現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)（包括接近開關(guān)傳感器、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、急停按鈕及機(jī)械手的上、下、左、右限位開關(guān)），將采集的信號(hào)送入到PLC程序，執(zhí)行程序后，根據(jù)控制要求控制現(xiàn)場(chǎng)的電磁閥、繼電器線圈及指示燈等設(shè)備。PLC的電源采用220V交流電供電，觸摸屏的電源為24V直流供電。TPC7062k觸摸屏可以實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的工作狀態(tài)。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.2 系統(tǒng)的I/O分配表

根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行分析，分析出硫銨碼垛控制系統(tǒng)共有20個(gè)輸入輸出信號(hào)，其中輸入信號(hào)10個(gè)，輸出信號(hào)10個(gè)，如表1所示。

表1 硫銨碼垛控制系統(tǒng)的I/O分配表

1.3 觸摸屏的組態(tài)畫面

采用昆侖通泰的TPC7062k嵌入式一體化觸摸屏作為上位機(jī)監(jiān)控設(shè)備，通過設(shè)備窗口將MCGS與西門子PLC進(jìn)行組態(tài)，上位機(jī)可以監(jiān)控計(jì)數(shù)指示燈、機(jī)械手原位指示燈、皮帶輸送機(jī)的工作狀態(tài)、硫銨物料的移動(dòng)狀態(tài)及機(jī)械手的工作過程及物料裝滿時(shí)小車的移動(dòng)狀態(tài)等。組態(tài)畫面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

硫銨碼垛控制系統(tǒng)的硬件，主要包括，傳輸系統(tǒng)中控制三條皮帶的電動(dòng)機(jī)控制主電路、PLC的外部接線圖及TPC7062k嵌入式一體化觸摸屏的接線示意圖。

2.1 傳輸模塊的主電路圖

皮帶傳輸模塊主要依靠三條皮帶進(jìn)行傳輸，皮帶通過電機(jī)帶動(dòng)，主電路中除了控制電機(jī)啟停的接觸器主觸點(diǎn)，還有用來過載保護(hù)的熱繼電器的加熱元件及短路保護(hù)的熔斷器，接線時(shí)要注意線的顏色（L1、L2、L3分別為黃綠紅），要符合規(guī)范要求，電機(jī)外殼要接地。主電路圖如圖3所示。

圖3 傳輸系統(tǒng)主電路圖

2.2 PLC的外部接線圖

PLC的外部接線圖體現(xiàn)的是PLC如何供電，輸入信號(hào)采集有哪些設(shè)備的信號(hào)，輸出需要控制哪些設(shè)備。根據(jù)PLC的類型不同，接線方式也有所不同的。本設(shè)計(jì)采用的是西門子S7-200，CPU226，AC/DC/RLY型，它有兩個(gè)RS485通信口，24個(gè)輸入16個(gè)輸出。電源供電范圍為85～260V之間，本設(shè)計(jì)采用交流220V供電。PLC的輸入采用直流24V供電，輸出為繼電器類型，可根據(jù)負(fù)載類型選擇不同，選擇不同的電壓等級(jí)。本設(shè)計(jì)的輸入主要有啟停按鈕、限位開關(guān)、急停按鈕及熱繼電器。輸出分為兩組，一組為接觸器線圈及計(jì)數(shù)指示燈等設(shè)備，采用交流24V供電，另一組為控制機(jī)械手的電磁閥及原位指示燈，采用直流24V供電。外部接線圖在接線時(shí)首先要嚴(yán)格看圖接線，同時(shí)需要按照顏色分類接線，方便查找硬件接線故障。輸入信號(hào)中的熱繼電器需接常閉觸點(diǎn)。PLC的外部接線圖如圖4所示。

圖4 PLC的外部接線圖

2.3 觸摸屏的外部接線圖

本設(shè)計(jì)采用TPC7062k嵌入式一體化觸摸屏，其供電類型為直流24V。觸摸屏與PLC之間的連接為RS485通信口中的PORT1，觸摸屏與PC機(jī)之間的連接通過USB2進(jìn)行連接。在PC機(jī)中需要完成組態(tài)畫面、建立設(shè)備連接、定義數(shù)據(jù)庫、定義設(shè)備屬性、連接數(shù)據(jù)、制作動(dòng)畫、編寫程序等，方可將設(shè)計(jì)好的畫面下載到MCGS中。觸摸屏的外部接線示意圖如圖5所示。

圖5 觸摸屏的外部接線示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

硫銨碼垛控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要包括：技術(shù)模塊的程序編寫、傳送模塊的程序編寫、機(jī)械手部分的程序編寫及連接組態(tài)軟件后程序的改動(dòng)部分。

3.1 計(jì)數(shù)模塊

計(jì)數(shù)模塊主要負(fù)責(zé)的工作有：統(tǒng)計(jì)硫銨的數(shù)量和計(jì)數(shù)指示燈的控制，在輸出口富足的情況下可以將計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值取出通過運(yùn)算后送入到數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。計(jì)數(shù)模塊的程序如圖6所示。

圖6 計(jì)數(shù)模塊的程序

3.2 傳送模塊

傳送模塊主要負(fù)責(zé)硫銨的運(yùn)輸，在皮帶的傳送過程中為了避免物料堆積，采用順序啟動(dòng)逆序停止的工作過程。在皮帶運(yùn)行的過程中一旦出現(xiàn)過載電機(jī)會(huì)自動(dòng)停機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)緊急狀況，按下急停按鈕，電機(jī)就會(huì)停止工作。傳送模塊的梯形圖如圖7所示。

圖7 皮帶傳送模塊的梯形圖程序

3.3 機(jī)械手模塊

機(jī)械手模塊的控制過程如圖8所示，機(jī)械手的初始狀態(tài)在原位，此時(shí)左限位開關(guān)和上限位開關(guān)為閉合狀態(tài)，原位指示燈亮。當(dāng)檢測(cè)到物料時(shí)，機(jī)械手開始工作。下降閥輸出執(zhí)行下降。下降到位時(shí)，下限開關(guān)動(dòng)作，停止下降。夾緊電磁閥接通，延時(shí)5s。夾緊后上升動(dòng)作開始，到位時(shí)，上限開關(guān)接通，停止上升。右行開始動(dòng)作，到右限位接通時(shí)停止右移。下降開始工作。）下降完成時(shí)，機(jī)械手開始松開動(dòng)作。延時(shí)3s后機(jī)械手上升，到上限后開始左移到達(dá)左限時(shí)機(jī)械手回到原位。當(dāng)檢測(cè)到物料時(shí)，機(jī)械手開始工作。如此循環(huán)。

圖8 機(jī)械手模塊的工作過程

3.4 上位機(jī)組態(tài)畫面與PLC連接

在MCGS組態(tài)軟件中，首先在設(shè)備窗口添加父設(shè)備，在子設(shè)備中選擇西門子S7-200PPI，添加好PLC后，在設(shè)備屬性編輯窗口的內(nèi)部屬性欄中設(shè)置內(nèi)部屬性，添加輸入寄存器類型為M，通道數(shù)量為10，輸出寄存器Q，通道數(shù)量為10 。在快速連接中選擇默認(rèn)設(shè)備連接，然后選擇全部添加。在組態(tài)畫面雙擊設(shè)備，在單元屬性設(shè)置中，對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)象連接。設(shè)備添加與數(shù)據(jù)連接如圖9所示。

圖9 MCGS設(shè)備添加與數(shù)據(jù)連接圖

在循環(huán)策略中添加皮帶上放物料移動(dòng)的循環(huán)策略及腳本程序，添加機(jī)械手移動(dòng)的循環(huán)策略及腳本程序，注意不同的策略對(duì)應(yīng)不同的表達(dá)式。循環(huán)策略的設(shè)置方法如圖10 所示。

圖10 MCGS 循環(huán)策略的設(shè)置方法圖

觸摸屏中的輸入輸出按鈕控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備時(shí)，需要將定義好的M存儲(chǔ)器與Q存儲(chǔ)器的觸點(diǎn)編寫在程序中，如在PLC程序中的啟動(dòng)按鈕I0.0并聯(lián)M0.0觸點(diǎn)，在停止按鈕I0.1旁串聯(lián)M0.1觸點(diǎn)，遵循接通并聯(lián)，斷開串聯(lián)的原則。

4 結(jié)束語

本設(shè)以用西門子S7-200 PLC作為控制器，TPC7062k型MCGS觸摸屏作為監(jiān)控上位機(jī)，控制器采用梯形圖編寫程序，上位機(jī)采用畫面組態(tài)、數(shù)據(jù)連接、循環(huán)策略C語言編程等方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)的調(diào)試首先通過軟件仿真驗(yàn)證可行性，仿真軟件調(diào)試中調(diào)整了水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)的循環(huán)時(shí)間及速度。同時(shí)，驗(yàn)證控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)送入后，輸出信號(hào)是否按照控制系統(tǒng)要求進(jìn)行動(dòng)作。然后在試驗(yàn)臺(tái)分模塊進(jìn)行驗(yàn)證，通過試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證后，證明系統(tǒng)能夠按照控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工作，操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，可擴(kuò)展。