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        布糧機器人電氣控制以及PLC系統(tǒng)設(shè)計方式探究

        2024-12-04 00:00:00周玲玲
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2024年10期
        關(guān)鍵詞:電氣控制

        摘 要:在糧食倉儲管理中,傳統(tǒng)人工存在效率低、管理效果差等問題,為解決這些問題,提升組件性能后使用自動化布糧機器人,采取PLC控制方式進行糧倉布糧。結(jié)果顯示應(yīng)用布糧機器人顯著提高了糧倉布糧的效果,布糧機器人和PLC系統(tǒng)應(yīng)在糧食倉儲管理中進一步推廣。

        關(guān)鍵詞:布糧機器人;電氣控制;PLC系統(tǒng)設(shè)計

        中圖分類號:TP 242" " " " 文獻標(biāo)志碼:A

        糧食進入倉庫后,工作人員須對其頂部的糧面進行整平,糧面整平的主要作用是提升糧食存儲空間的通風(fēng)效果,減少病蟲害滋生,增加存儲時長,提高糧食存儲的安全性。國內(nèi)每年生產(chǎn)大量糧食,為了提高糧面平整效率,可利用自動化機械設(shè)備——布糧機器人進行糧倉管理?;赑LC控制器的電氣化系統(tǒng)是布糧機器人的控制核心,本文對其進行研究。

        1 布糧機器人以及可編程序控制器技術(shù)原理分析

        1.1 布糧機器人工作原理

        布糧機器人主要用于平整壓光糧面,提高糧食倉儲系統(tǒng)平整糧面的效率。如圖1所示,布糧機器人的機械結(jié)構(gòu)包括4個模塊,分別為糧食上料傳送帶、糧食分料機構(gòu)、水平傳送帶以及布料架,其中糧食上料傳送帶與運糧料斗相連接。料斗裝滿糧食后,糧食經(jīng)過上料傳送帶到達(dá)糧倉頂部,再經(jīng)過水平傳送帶向前運輸,最后由分料機構(gòu)整平糧食表面。分料機構(gòu)由流量調(diào)節(jié)、分料管、布料管、電機控制模塊、分流板和限流漏斗等組成。

        1.2 可編程序控制器技術(shù)基本原理

        可編程序控制器(PLC)是一種在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中進行邏輯控制與順序控制的電子數(shù)字系統(tǒng),它能自動產(chǎn)生和執(zhí)行用戶需要的指令??删幊绦蚩刂破骱诵乃枷胧菍⒏鞣N輸入信號(例如按鈕、傳感器等)輸入PLC控制系統(tǒng)中, 系統(tǒng)內(nèi)部進行邏輯運算以及程序處理后輸出控制信號。在這個過程中,系統(tǒng)利用輸出模塊完成信號的輸出與執(zhí)行,完成自動控制??删幊绦蚩刂破骺梢愿鶕?jù)不同的生產(chǎn)要求定制相應(yīng)的程序,其可編程性好、可靠性高和靈活性強,因此在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。它既節(jié)約了人力,又提高了工作效率,比傳統(tǒng)的繼電器控制性能更優(yōu)越。其能夠在任何復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定運行,具有自診斷和故障處理功能,還能根據(jù)實際需要對輸入、輸出模塊以及功能模塊進行靈活擴充,滿足不同控制要求。

        2 布糧機器人電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

        2.1 電氣控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

        2.1.1 控制原理分析

        布糧機器人的上料傳送帶、水平輸送帶、往返式布料架和螺旋推進器均由三相電機進行控制。電機配置變頻器,能夠進行變速調(diào)節(jié)。布料管漏斗下方的2塊可活動擋板由1臺伺服電機進行控制。為了避免糧食堆積在布料管中,工作人員在其兩端各安裝1個光電開關(guān),專門用于檢測糧食的堆積情況。

        2.1.2 控制系統(tǒng)關(guān)鍵組件選型

        電氣控制系統(tǒng)主要組件包括變頻器、三相電機、伺服電機、PLC控制器和觸摸屏等,電氣控制系統(tǒng)部分關(guān)鍵組件的選型結(jié)果見表1。

        2.2 基于PLC的變頻控制

        布糧機器人的多項運動由變頻控制器和三相電機進行控制,變頻器采用三菱Q系列PLC控制器,觸摸屏利用以太網(wǎng)向PLC控制器發(fā)送指令,PLC控制器經(jīng)過CC-Link現(xiàn)場總線向上料皮帶、水平輸送帶、螺旋推進器和移動式布料架的變頻器發(fā)送指令,調(diào)節(jié)相關(guān)運動組件的速度[1]。由PLC控制器向伺服驅(qū)動器發(fā)送指令,再利用伺服驅(qū)動器控制伺服電機,完成系統(tǒng)對漏洞擋板的控制。PLC控制器和伺服驅(qū)動器之間的通信途徑為SSCNET III/H伺服總線。

        3 布糧機器人PLC系統(tǒng)設(shè)計

        3.1 PLC控制流程設(shè)計

        3.1.1 設(shè)備控制流程

        布糧機器人的設(shè)備控制流程如下:啟動機器人→由上料皮帶進行上料→糧食經(jīng)上料皮帶流入水平輸送帶→糧食經(jīng)水平輸送帶流入布料管道→螺旋推進器在布料管道內(nèi)分布糧食→利用光電開關(guān)檢測布料管道內(nèi)的糧食高度,控制漏斗開口,進行布糧→移動布料架,使其往返運動,帶動糧食均勻布置。

        3.1.2 PLC控制流程

        PLC控制流程如下:設(shè)備開機→檢測是否存在異常→判斷有無報警→如果有報警,則處理報警,選擇工作模式→如果無報警,則直接選擇工作模式→進入自動工作模式(也可以選擇手動工作模式)→自動啟動→各個機構(gòu)按照初始控制程序自行運動→檢測是否開始調(diào)節(jié)流量→如果流量調(diào)節(jié)功能正常啟動,則各變頻器和伺服驅(qū)動器開始工作,判斷流量是否調(diào)節(jié)成功→如果失敗,則發(fā)出報警信息[2]。

        3.2 運動控制模塊設(shè)計

        機器人運動控制模塊的作用為帶動伺服驅(qū)動器,進而控制伺服電動機。運動控制模塊利用電子齒輪控制機械設(shè)備,電子齒輪的移動量為S,計算過程如公式(1)所示。

        S=IAP/(IAL·IAM)" " " " " "(1)

        式中:IAP為電機旋轉(zhuǎn)1圈的脈沖數(shù);IAL為電機旋轉(zhuǎn)1圈的機械移動量;IAM為單位倍率。

        參數(shù)IAL的取值受到機械系統(tǒng)構(gòu)造方式的影響,計算過程如公式(2)所示。

        (2)

        式中:IPB為進給蝸輪的導(dǎo)程;為控制減速比例的參數(shù)。

        在運動控制模塊中,可設(shè)置IAL的取值為0~2.0×107 μm,即最大值為2.0×107 μm。當(dāng)取值超過最大值時,如公式(3)所示[3]。

        (3)

        式中:IAM可以取值為1、10、100以及1 000。

        3.3 變頻器控制參數(shù)設(shè)計

        布糧機器人有4臺變頻器,分別用于控制上料傳輸帶、水平傳輸帶、移動布料架和螺旋推進器。變頻器的頻率為可變參數(shù),可以改變機械設(shè)備的運行速度。電機轉(zhuǎn)速的計算過程如公式(4)所示。

        (4)

        式中:n為電機轉(zhuǎn)速;f為變頻器電源頻率;p為電機旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)。

        機器人三相異步電機的型號為德東YS8012-750W,其轉(zhuǎn)速為2 800 r/min,其極對數(shù)p為1,螺旋推進器轉(zhuǎn)速為75~90 r/min,變頻器的頻率f計算算方法如公式(5)所示。

        (5)

        式中:n1為螺旋推進器的轉(zhuǎn)速,取值為75 r/min;T為運行時間,取值為60 s。將以上參數(shù)代入公式中,可求得f=1.25 Hz。變頻器控制參數(shù)設(shè)置見表2。

        3.4 現(xiàn)場CC-Link總線設(shè)計

        機器人現(xiàn)場總線采用CC-Link網(wǎng)絡(luò),利用CC-Link網(wǎng)絡(luò)進行PLC控制器與變頻器之間的交互,其主站模塊型號為三菱QJ61BT11N,能夠支持最大64站組網(wǎng),性能穩(wěn)定、成熟[4]。在布糧機器人的PLC控制系統(tǒng)中共設(shè)置5個從站,從站均采用CC-Link網(wǎng)絡(luò)。PLC控制器和變頻器之間利用遠(yuǎn)程設(shè)備站連接,遠(yuǎn)程設(shè)備站有專門的I/O接口,變頻器利用這些I/O接口進行通信,變頻器的遠(yuǎn)程I/O地址見表3。

        3.5 PLC程序設(shè)計

        3.5.1 PLC程序的整體結(jié)構(gòu)

        PLC程序有8個模塊,不同模塊具有不同的功能,例如信號輸入、結(jié)果輸出、主程序、手動程序、自動程序、觸摸屏、報警以及伺服控制,各種功能對應(yīng)的程序名稱為INPUT、OUTPUT、MAIN、MANUAL、AUTO、HMI、ALARM以及SERVO。該設(shè)計方案的優(yōu)點為結(jié)構(gòu)清晰、適合代碼解耦以及便于調(diào)用。

        3.5.2 PLC輸入輸出程序

        可編程控制器的輸入、輸出作為獨立的程序分支,可方便地對程序進行修改與管理。當(dāng)輸入輸出點發(fā)生變化時,須調(diào)整分支程序的輸入輸出變量,便于后續(xù)調(diào)試與維護。在獨立處理輸入輸出信號的過程中,PLC程序需要根據(jù)控制條件對輸入信號進行2 s延遲處理,消除可能出現(xiàn)的抖動以及誤判等隱患。只有在連續(xù)檢測2 s信號的情況下才能判定傳感器的檢測有效;如果沒有信號,技術(shù)人員需要持續(xù)觀察2 s,才能認(rèn)定沒有檢測到對象。該方法避免外界干擾和誤動,提升了檢測精度。

        3.5.3 主程序及自動程序

        當(dāng)滿足自動起動條件時,可編程控制器主程序執(zhí)行自動啟動命令。主程序自動運行,為各種分支程序增加了一個統(tǒng)一的控制中心。滿足自動啟動條件后,設(shè)備自動切換至自動模式,單擊啟動裝置,進入自動操作模式。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障需要更換時,須切斷設(shè)備電源,主程序?qū)φ麄€系統(tǒng)進行完整的邏輯判定。當(dāng)M3000繼電器在裝置內(nèi)處于警報狀態(tài)時,它將自動斷開連接,裝置發(fā)出警報。

        3.5.4 變頻器自動控制

        系統(tǒng)采用4臺變頻器帶動4臺電動機,利用CC-Link對設(shè)備站進行遠(yuǎn)程控制,讀取變頻器的遠(yuǎn)端輸入輸出地址,對變頻器進行控制。變頻器一般有正弦脈寬調(diào)制、電壓空間矢量等控制方式,并提供報警、過載等輸出信號供PLC讀取。

        系統(tǒng)使用3種不同安裝高度的光電傳感器測量布管中的谷物高度,其中低位為常閉型,中高位為常開型。如果低位檢測光電檢測不到物料,則說明布管內(nèi)無物料,喂料帶線可加快物料上料速度;當(dāng)管中存糧量快速增加時,中間位置傳感器檢測送料速度下降至中速運行,其他設(shè)備仍然以初始速度運行,布管內(nèi)流始終維持在中間位置,進行正常入糧以及布糧。如果布管無堆積現(xiàn)象,各個設(shè)備將以該速率持續(xù)運轉(zhuǎn);當(dāng)中間探測光電探測糧堆開始落下時,說明有物料進入,但是尚未滿倉,應(yīng)關(guān)閉倉壁;當(dāng)高位探測光電檢測物料已達(dá)到高度時,說明布管內(nèi)的堆料漏斗擋板已完全開啟,可供卸料作業(yè)使用。從以上分析可知,系統(tǒng)可以自動調(diào)整物料輸送過程,使全料槽內(nèi)的糧食總量穩(wěn)定在某個水平。

        3.6 數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)設(shè)計

        為了進行全面自動化布糧,系統(tǒng)使用計算機集成制造(Computer Integrated Manufacturing,CIM)和上位機,系統(tǒng)支持管理人員使用計算機向PLC控制器發(fā)送指令,改變設(shè)備的運行模式[5]。CIM利用TIBCO Rendezvous控件向工控機發(fā)送指令,工控機利用ActEasyIF控件向PLC控制器發(fā)送指令,滿足以上功能的基本前提是數(shù)據(jù)共享。

        3.6.1 數(shù)據(jù)庫選型結(jié)果

        在糧食倉儲系統(tǒng)的管理中,大部分?jǐn)?shù)據(jù)都有一定規(guī)律和特點,例如生產(chǎn)線上的糧食總進庫量、總出庫量、每日進庫量和每日出庫量,因此工作人員可利用數(shù)據(jù)庫和相關(guān)軟件分析數(shù)據(jù)規(guī)律和特點,例如Mysql、SQL Server。在研究過程中,工作人員使用開源的Mysql數(shù)據(jù)庫,將其部署在Windows操作系統(tǒng)中。

        3.6.2 數(shù)據(jù)表設(shè)計示例

        以每倉每日情況統(tǒng)計表STORE_DAILY_DATA為例,其字段名稱和類型見表4。

        4 應(yīng)用程序設(shè)計

        應(yīng)用程序設(shè)計建立上位機的表單接口,展示用戶端操作。Windows窗體應(yīng)用程序能夠監(jiān)控PLC機界面,工作人員可以利用MXComponent組件軟件包對PLC數(shù)據(jù)進行讀寫操作,并與SQLServer相連,存儲并查詢生產(chǎn)數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)設(shè)計中,用戶接口主要包括生產(chǎn)信息監(jiān)測和生產(chǎn)數(shù)據(jù)查詢2個部分。系統(tǒng)以生產(chǎn)信息監(jiān)控界面為核心,實時監(jiān)測各車間的生產(chǎn)狀態(tài),當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時報警。每個表單都有其特定功能,這些功能都利用WinForm窗體界面編輯工具箱中的控件來完成。

        在監(jiān)控系統(tǒng)的界面中,工作人員可以讀取并監(jiān)控各產(chǎn)線設(shè)備的狀態(tài),掌握CIM系統(tǒng)的TIBCO參數(shù)以及各產(chǎn)線設(shè)備生產(chǎn)產(chǎn)品、物料種類等信息,還可以根據(jù)生產(chǎn)信息判斷各站的運行狀況有無異常。

        應(yīng)用程序流程如圖2所示。啟動應(yīng)用程序后,PC機自動與各站點的PLC建立通信,連接成功后,PLC以及相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)信息會顯示在監(jiān)控系統(tǒng)中。后臺數(shù)據(jù)將統(tǒng)一傳送至CIM系統(tǒng)中,當(dāng)主機和PLC連接發(fā)生故障時,系統(tǒng)會向CIM報告,通知相關(guān)人員進行檢查。

        5 實時監(jiān)聽上位機的系統(tǒng)設(shè)計

        該系統(tǒng)由3個部分組成:初始設(shè)置 TIBCO控件,CIM與 PC機進行信息交互,上位機根據(jù) XML格式對數(shù)據(jù)進行定時傳送。在對TIBCO控件進行初始化前,工作人員將上位機監(jiān)控軟件 C#Win-form與 CIM系統(tǒng)連接,這樣既方便用戶操作整個程序,又方便修改下位機的有關(guān)參數(shù)。TIBCO有5個初始數(shù)據(jù),分別為服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)工作、日期、主題和字段名稱。C#以XML格式處理初始文件,得到以下5種初始值。

        TIBCO參數(shù)

        Sevece:8200

        Network:255.8.8.2

        Deamon:172.16.7.2:7500

        Subject:MES

        Fieldname:xmldata

        上位機與CIM系統(tǒng)成功通信后,會定期將設(shè)備報警信息、產(chǎn)品型號等信息以XML格式發(fā)送至CIM。這樣既方便用戶操作整個程序,又方便修改下位機的有關(guān)參數(shù)。上位機與CIM交互流程如圖3所示。

        6 結(jié)語

        布糧機器人由糧食上料傳輸帶、水平傳送帶、糧食分料機構(gòu)和布料架組成,其利用變頻器和三相電機調(diào)節(jié)各個組件的速度。CIM利用上位機向PLC控制器發(fā)送指令,再由PLC控制器向變頻器、伺服驅(qū)動器發(fā)送指令,遠(yuǎn)程控制機器人各個組件。本文分析機器人電氣系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)的設(shè)計方案。

        參考文獻

        [1]于建勇.PLC技術(shù)在電氣工程自動化控制中的應(yīng)用[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化,2023(22):159-161.

        [2]張俊,劉天宋,陳義偉,等.基于PLC與工業(yè)機器人的碼垛工作站控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機電工程技術(shù),2023,52(11):130-133.

        [3]卿湘運,陸聰.機器人用伺服系統(tǒng)性能測試加載系統(tǒng)的設(shè)計[J].電機與控制應(yīng)用,2023,50(11):80-85.

        [4]劉長勇,趙鑫,鄭亞軍,等.基于3D視覺的機器人隨動抓取技術(shù)的應(yīng)用研究[J].工業(yè)控制計算機,2023,36(10):32-33.

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