馬 群,黃 輝 ,鄒耀偉
(江西冶金職業(yè)技術學院,江西 新余338015)
負極活性材料—石墨烯在電子通訊、交通運輸?shù)阮I域應用廣泛,具有巨大的經(jīng)濟效益和發(fā)展前景。某企業(yè)在生產(chǎn)該材料時,所得產(chǎn)品的輸送過程仍采用人工操作,物料經(jīng)常堵塞,生產(chǎn)效率低,且存在一定的安全隱患。針對以上問題,企業(yè)提出技改方案,要求設計一套由PLC控制的全程自動送料裝置,并希望通過GSM控制器實現(xiàn)無人值守功能,達到降低生產(chǎn)成本的目的。為此,本文首先對設備的各零件模型進行了虛擬裝配,確定了自動送料機的機械結構;電氣動控制采用了PLC、電磁閥、GSM手機監(jiān)控系統(tǒng)等,實現(xiàn)了送料機裝料、行走、出料等過程的自動化及在線監(jiān)控,最終設計了一臺無人值守自動送料機,應用于生產(chǎn)后,成功解決了企業(yè)生產(chǎn)中存在的一個難題。
無人值守送料機的機械傳動機構如圖1所示,主要由螺旋輸送結構和送料小車兩大部分構成。螺旋輸送結構由減速電機、鏈輪、螺旋葉片、鏈條等零件組成。它的工作過程是下面的減速電機先啟動,帶動鏈輪旋轉,從而帶動螺旋葉片軸旋轉,螺旋葉片推動料往上揚升,到達一定高度落入副螺旋機構料的進料口,主螺旋輸送出料口與副螺旋輸送進料口用法蘭盤相對用螺栓連接。副螺旋機構通過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)品整體結構圖
送料小車在鋼軌道上來回移動,主要由固定板、料斗、固定桁架、驅動電機、渦輪蝸桿減速器及滑輪等零部件組成。驅動電機啟動后,通過渦輪蝸桿副帶動滑輪滾動;送料小車桁架上裝有兩個光電接近開關,當小車行程到達出料口和進料口兩個極限位時停止移動。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的電機開啟。料斗下部的出料口上還裝有電磁閥控制開關,出料時電磁閥開啟,進料時電磁閥關閉,內(nèi)部采用渦輪蝸桿機構傳動改變出料開口的大小,偏轉角度為0~100°.從而利用PLC編程可實現(xiàn)對送料小車裝料、移動和落料過程進行自動控制,實現(xiàn)了無人值守功能。
無人值守送料機邏輯運動過程如下:
送料小車在遠端限位開關處停止,料斗裝入料,到達一定時間后停止裝料,料斗驅動電機啟動,帶動料斗移動到這個螺旋輸送機構進料口正上方,接觸到極限開關后,小車停止運動,料斗最下方的出料閥門開啟,料落入到螺旋輸送機送料口。此時,螺旋輸送機主、副電機啟動,出料閥門打開進行傳料過程。當落料完畢后,出料閥門逐漸關閉,停一段時間,螺旋輸送機主、副電機關閉,完成一次送料過程。料斗小車電機再啟動,帶動料斗車回到原位。
實現(xiàn)自動送料的電氣控制系統(tǒng)包括可編程控制器(PLC)、GSM手機監(jiān)控系統(tǒng)、控制面板、光電傳感器、電磁閥、驅動電機、變頻器、繼電器等。
PLC輸入端主要采集氣缸到位信號、步進電機縱橫向限位信號、啟停按鈕等信號,輸出端采用脈沖加方向的方式控制步進電機的位移及方向,通過周期性的采集現(xiàn)場信號并進行數(shù)據(jù)處理,發(fā)出控制指令??紤]到PLC在故障判斷、人機對話等方面存在一定缺陷[1],故在系統(tǒng)中還專門配置了GSM手機監(jiān)控系統(tǒng)以實現(xiàn)送料過程的在線監(jiān)控。該系統(tǒng)控制的思路為:用戶首先利用手機發(fā)出相關命令短信息,GSM模塊將控制指令傳輸?shù)絾纹瑱C;單片機分析處理后繼續(xù)把結果傳輸?shù)嚼^電器模塊對應的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判斷料斗內(nèi)是否有料,并將信號傳輸給單片機,單片機進行相應處理后將警戒信號發(fā)送至使用者手機[2]。
對螺旋送料機進行虛擬裝配后,確定了螺旋送料機的安裝方式,再利用螺旋輸送機所需軸功率計算公式(P=KQ(ω0L+H)/367)可確定螺旋輸送機功率,從而根據(jù)計算結果對電機進行選型[3]。經(jīng)計算,主螺旋輸送機電機選定為BWY型腳板式臥裝專用電動機直聯(lián)型,即單級擺線針輪減速器,型號BWYB3-35-2.2;副螺旋輸送機電機選定為BWY型腳板式臥裝專用電動機直聯(lián)型,型號BWY-B2-59-1.1;送料小車選定驅動電機型號為NMRV075,功率為750 W,驅動電機接線圖如圖2所示。
圖2 驅動電機接線圖
根據(jù)生產(chǎn)實際情況需要,應選擇具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強、維修方便、編程簡單等優(yōu)勢可編程控制器(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用戶程序存儲器有4096字、用戶數(shù)據(jù)存儲器2560字,數(shù)字輸入點32個,數(shù)字輸出點16個;內(nèi)部電路具有光隔離功能,能保護模塊。響應時間最大延遲4.5 ms,16點固態(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PLC結構性能優(yōu)勢明顯,在相對惡劣的運行條件下,仍可以保持長期運行穩(wěn)定,從而保證送料過程運行的參數(shù)維持在合適的范圍值內(nèi)[7]。
根據(jù)本控制系統(tǒng)的產(chǎn)品動作要求,對系統(tǒng)的數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入進行端口分配,制定了PLC的I/O地址分配表,結果如表1所示。
表1 PLC的I/O地址分配表
根據(jù)I/O地址分配表對部分設備與PLC進行連線,由于送料等運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,為了在能夠正常驅動相關設備的基礎上,同時保護PLC的輸出或輸入觸點,使用中間繼電器和PLC的輸出端子相連,對輸出的信號進行轉換,對PLC起到保護作用,減少因觸點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]。所設計控制系統(tǒng)的PLC電氣接線圖,結果如圖3所示。
圖3 PLC電氣接線圖
首先需要對PLC控制系統(tǒng)運行的程序進行編寫,PLC控制系通電后,再利用編寫的程序設定基本控制參數(shù),使送料裝置按照設計的工藝流程進行工作。設定的控制程序如圖4所示。
圖4 PLC控制程序
控制面板可用于實現(xiàn)對整個螺旋輸送結構和送料小車的啟動、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的電機開啟。料斗下部的出料口上還裝有電磁閥控制開關,電磁閥開關控制送料下車進料或出料。為方便用戶的使用和操作,確保送料機實現(xiàn)參數(shù)的實時顯示與遠程監(jiān)控功能,設計了如圖5所示的控制面板,而產(chǎn)品運行過程信號燈情況如表2所示。
圖5 控制面板
表2 產(chǎn)品運行過程信號燈情況
該自動送料裝置產(chǎn)品實體造型如圖6所示,其實際生產(chǎn)應用表明:設計的主、副兩個螺旋傳動機構成功解決了解決物料的堵塞問題,同時由于分別采用了PLC和GSM手機監(jiān)控系統(tǒng)的全程控制,實現(xiàn)無人值守自動送料及遠程控制的功能,該裝置完全取代了傳統(tǒng)的人工送料,崗位工人的數(shù)量及工作強度都大幅降低,僅人工成本就每年可為企業(yè)節(jié)省30萬元,在生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的輸送量由每小時1~2 t增加到3 t左右,效率明顯增高。該自動送料裝置投入使用半年多時間,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,界面操作方便,生產(chǎn)自動化程度得到有效提升。
圖6 產(chǎn)品實體造型圖
具有主、副兩個螺旋傳動機構螺旋輸送機,利用垂直落料的方式解決物料的堵塞問題;電氣動控制采用了PLC、光電傳感器、電磁閥、GSM手機監(jiān)控系統(tǒng)等,確保實現(xiàn)送料機的裝料、行走、出料等過程自動化及在線監(jiān)控的功能。該產(chǎn)品在企業(yè)試車成功后,一直運行穩(wěn)定,未出現(xiàn)任何問題,大幅提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率,降低了企業(yè)員工勞動強度,節(jié)約了工人成本,滿足了企業(yè)的需求。