柳 娟,陳 曦,胡昕彤,林義煌,仇存凱(廈門大學(xué)航空航天學(xué)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(shè)計

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

摘要:針對堆疊鋼材質(zhì)量重、體積大、翻轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)置,完成自動打包、手動調(diào)試、報警保護(hù)和故障診斷等系統(tǒng)功能;開發(fā)設(shè)計了設(shè)計4路頻率獨立可調(diào)的脈沖發(fā)生電路,作為電機通用驅(qū)動板.所設(shè)計系統(tǒng)可以在1 min之內(nèi)對尺寸400 mm×600 mm×800 mm～600 mm× 800 mm×2 000 mm、質(zhì)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(guān)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(yīng)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(shè)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(zhì)量輕、體積小的包裝物,均需要將被裹包物體進(jìn)行翻轉(zhuǎn)運動才能完成打包[4-6].而對于體積較大、質(zhì)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(zhuǎn)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(jìn)行包裝.本文針對堆疊鋼材質(zhì)量重、體積較大、難以翻轉(zhuǎn)打包的特點,開發(fā)設(shè)計一套無需翻轉(zhuǎn)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(zhì)量重、體積大,只能在原地用裹包棒和裹包板來進(jìn)行打包.相比于翻轉(zhuǎn)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(yán)格、復(fù)雜的邏輯與順序關(guān)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(diào)試.

本系統(tǒng)設(shè)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(jìn)行裹包動作;電機X2、Y1～Y4調(diào)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(cè)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(cè)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(cè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(fù)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(shè)置和故障操作.其中操作控制包括全自動打包和手動調(diào)試;參數(shù)設(shè)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(fù)位.整個系統(tǒng)的輸入有氣缸的到位開關(guān)、電機的限位開關(guān)和安全位置開關(guān),輸出有步進(jìn)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(qū)動板設(shè)計

本設(shè)計的打包過程需要7個步進(jìn)電機,而步進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于我們所需要的7路脈沖,針對此項功能,需要設(shè)計一塊適用于多軸系統(tǒng)的通用電機驅(qū)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(diào),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(shè)計

通用電機驅(qū)動板的原理圖共分為4個模塊,如圖2所示:DA轉(zhuǎn)換模塊用DA轉(zhuǎn)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(guān)ADG884和撥碼開關(guān)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(zhuǎn)換模塊用高速光耦HCPL4502實現(xiàn)(圖2(d)).

2.2電路制作與調(diào)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(guān)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(guān)系,可實現(xiàn)線性調(diào)節(jié).此塊通用電機驅(qū)動板能發(fā)出4路獨立脈沖,輸出脈沖頻率0～30 k Hz,可調(diào),且占空比為50%,可直接輸入模擬電壓進(jìn)行頻率調(diào)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(shè)計要求.

圖2　電機驅(qū)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(shè)計

在本控制系統(tǒng)中,PLC程序分為自動打包子程序、手動調(diào)試子程序、參數(shù)設(shè)置子程序、故障處理子程序和保護(hù)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(nèi)置的中間繼電器MD0～MD12(觸摸屏按鈕、打包進(jìn)程標(biāo)志位、故障標(biāo)志位)進(jìn)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(jìn)行各個子程序的調(diào)用,在程序開啟的時候調(diào)用初始化子程序進(jìn)行程序的初始化,然后根據(jù)操作者在觸摸屏上的指令調(diào)用相應(yīng)的子程序.

3.2PLC程序分模塊設(shè)計

3.2.1自動打包子程序設(shè)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(shè)置好的參數(shù),例如規(guī)格大小以及打包時采用的步進(jìn)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(jìn)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(fù)位后再開始進(jìn)行自動打包,待物體到位后按照控制方案中的打包順序進(jìn)行自動打包.在打包過程中發(fā)生編碼器或限位開關(guān)故障、超出所需時間、汽缸沒有到位等故障時,將調(diào)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(diào)試子程序設(shè)計

手動調(diào)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(jìn)行打包,同時也能作為操作人員的調(diào)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(diào)試主要包括調(diào)試步進(jìn)電機2個方向的運動和單獨復(fù)位、氣缸的伸縮、所有電機的全部復(fù)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(jìn)行設(shè)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(diào)試、參數(shù)設(shè)置、故障識別等功能,我們設(shè)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(shè)置界面、報警界面等.觸摸屏人機界面結(jié)構(gòu)如圖5所示.各界面之間可以通過快選窗口進(jìn)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(diào)試時發(fā)生故障就會彈出報警界面,操作界面同時設(shè)置有菜單欄,可以讓操作人員快速地選擇需要跳轉(zhuǎn)的界面.

4.1自動操作界面

自動界面是操作人員設(shè)定好相應(yīng)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(yīng)的打包功能后停止,并在執(zhí)行自動打包的過程中進(jìn)行相應(yīng)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(jìn)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(fù)位與否的功能,當(dāng)還未復(fù)位就按下運行按鈕時,會彈出自動未復(fù)位報警提示窗口,提示操作人員按下自動復(fù)位按鈕,復(fù)位完成后方可按運行按鈕進(jìn)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(jié)構(gòu)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(diào)試界面

手動調(diào)試界面用于完成打包的單步操作和手動調(diào)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(diào)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(diào)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(fù)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(fù)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(shè)置界面

參數(shù)設(shè)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(jìn)行設(shè)置和更新的操作界面,可分為電機速度設(shè)置界面、規(guī)格參數(shù)設(shè)置界面以及單軸運動參數(shù)設(shè)置界面3個子界面.其中電機速度設(shè)置界面用來設(shè)置電機的速度(0～200 mm/s);規(guī)格參數(shù)設(shè)置界面用來設(shè)置4種常用打包規(guī)格的長寬高設(shè)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(shè)置界面用來設(shè)置打包過程中的運動參數(shù).通過設(shè)置相應(yīng)的翻頁功能使得操作人員能夠在3個參數(shù)設(shè)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(shè)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(hù)窗口以及報警窗口.操作者可以通過快選窗口快速進(jìn)入其他任何界面;對于本設(shè)計而言,規(guī)格參數(shù)是操作者可以設(shè)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(shù)人員才可修改的,故而需要利用觸摸屏對某些參數(shù)設(shè)置修改權(quán)限,所以設(shè)置了相應(yīng)的密碼輸入界面;當(dāng)發(fā)生某種故障時,通過彈出報警界面給出提示,并進(jìn)行初步的故障診斷,相應(yīng)故障指示燈亮并以0.5 s的閃爍頻率閃爍,當(dāng)故障排除后,按下故障復(fù)位按鈕,則停止報警返回上一界面.

5 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

通過在實驗室搭建模擬調(diào)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(guān)模擬各個傳感器對PLC發(fā)出相應(yīng)的信號[13].通過觸碰觸摸屏的方式實現(xiàn)對PLC的輸出進(jìn)行控制,同時通過計算機與PLC的連接,在電腦上可以進(jìn)行實時的程序監(jiān)控.當(dāng)電機速度設(shè)置50 mm/s時,進(jìn)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(fù)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(nèi).

6 結(jié) 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(diào)試的功能,可實現(xiàn)參數(shù)的快速設(shè)置和更改,并能進(jìn)行全面報警保護(hù)和故障診斷.設(shè)計并制作了通用電機驅(qū)動板,能發(fā)出4路獨立脈沖,輸出脈沖頻率0～30 k Hz可調(diào),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(jìn)行了聯(lián)機模擬調(diào)試,結(jié)果顯示它可以進(jìn)行自動打包、手動調(diào)試、參數(shù)設(shè)置、自動復(fù)位、報警保護(hù)、故障識別,滿足原位打包的功能需求.可在1 min內(nèi)完成對尺寸在400 mm×600 mm×800 mm～600 mm×800 mm×2 000 mm之間、質(zhì)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(zhì)量、實現(xiàn)工廠生產(chǎn)的無人化都將有著很好的促進(jìn)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(xué)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(xiàn)標(biāo)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(shè)計[J].廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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)