布糧機(jī)器人電氣控制以及PLC系統(tǒng)設(shè)計方式探究

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(jī)器人，采取PLC控制方式進(jìn)行糧倉布糧。結(jié)果顯示應(yīng)用布糧機(jī)器人顯著提高了糧倉布糧的效果，布糧機(jī)器人和PLC系統(tǒng)應(yīng)在糧食倉儲管理中進(jìn)一步推廣。

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

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

糧食進(jìn)入倉庫后，工作人員須對其頂部的糧面進(jìn)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(jī)械設(shè)備——布糧機(jī)器人進(jìn)行糧倉管理?；赑LC控制器的電氣化系統(tǒng)是布糧機(jī)器人的控制核心，本文對其進(jìn)行研究。

1 布糧機(jī)器人以及可編程序控制器技術(shù)原理分析

1.1 布糧機(jī)器人工作原理

布糧機(jī)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(jī)器人的機(jī)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(jī)構(gòu)、水平傳送帶以及布料架，其中糧食上料傳送帶與運(yùn)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(yùn)輸，最后由分料機(jī)構(gòu)整平糧食表面。分料機(jī)構(gòu)由流量調(diào)節(jié)、分料管、布料管、電機(jī)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(jìn)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(jìn)行邏輯運(yùn)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(qiáng)，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(yùn)行，具有自診斷和故障處理功能，還能根據(jù)實(shí)際需要對輸入、輸出模塊以及功能模塊進(jìn)行靈活擴(kuò)充，滿足不同控制要求。

2 布糧機(jī)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(jī)器人的上料傳送帶、水平輸送帶、往返式布料架和螺旋推進(jìn)器均由三相電機(jī)進(jìn)行控制。電機(jī)配置變頻器，能夠進(jìn)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(jī)進(jìn)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(jī)、伺服電機(jī)、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(jī)器人的多項(xiàng)運(yùn)動由變頻控制器和三相電機(jī)進(jìn)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(jìn)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(yùn)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(jī)，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(jī)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(jī)器人的設(shè)備控制流程如下：啟動機(jī)器人→由上料皮帶進(jìn)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(jìn)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(jìn)行布糧→移動布料架，使其往返運(yùn)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(jī)→檢測是否存在異?！袛嘤袩o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(jìn)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(jī)構(gòu)按照初始控制程序自行運(yùn)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(yùn)動控制模塊設(shè)計

機(jī)器人運(yùn)動控制模塊的作用為帶動伺服驅(qū)動器，進(jìn)而控制伺服電動機(jī)。運(yùn)動控制模塊利用電子齒輪控制機(jī)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(jī)旋轉(zhuǎn)1圈的脈沖數(shù)；IAL為電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈的機(jī)械移動量；IAM為單位倍率。

參數(shù)IAL的取值受到機(jī)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(jìn)給蝸輪的導(dǎo)程；為控制減速比例的參數(shù)。

在運(yùn)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(jī)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(jìn)器。變頻器的頻率為可變參數(shù)，可以改變機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行速度。電機(jī)轉(zhuǎn)速的計算過程如公式（4）所示。

（4）

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

機(jī)器人三相異步電機(jī)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(jìn)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(jìn)器的轉(zhuǎn)速，取值為75 r/min；T為運(yùn)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(jī)器人現(xiàn)場總線采用CC-Link網(wǎng)絡(luò)，利用CC-Link網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(jī)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(jìn)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(diǎn)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(dú)立的程序分支，可方便地對程序進(jìn)行修改與管理。當(dāng)輸入輸出點(diǎn)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(hù)。在獨(dú)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(jìn)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(yùn)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(jìn)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(jìn)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(jī)，利用CC-Link對設(shè)備站進(jìn)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(jìn)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(yùn)行，其他設(shè)備仍然以初始速度運(yùn)行，布管內(nèi)流始終維持在中間位置，進(jìn)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(yùn)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(jìn)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(jìn)行全面自動化布糧，系統(tǒng)使用計算機(jī)集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）和上位機(jī)，系統(tǒng)支持管理人員使用計算機(jī)向PLC控制器發(fā)送指令，改變設(shè)備的運(yùn)行模式[5]。CIM利用TIBCO Rendezvous控件向工控機(jī)發(fā)送指令，工控機(jī)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(diǎn)，例如生產(chǎn)線上的糧食總進(jìn)庫量、總出庫量、每日進(jìn)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(diǎn)，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(jī)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(jī)界面，工作人員可以利用MXComponent組件軟件包對PLC數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(yùn)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(jī)自動與各站點(diǎn)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(jī)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(jìn)行檢查。

5 實(shí)時監(jiān)聽上位機(jī)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(jī)進(jìn)行信息交互，上位機(jī)根據(jù) XML格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行定時傳送。在對TIBCO控件進(jìn)行初始化前，工作人員將上位機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的有關(guān)參數(shù)。上位機(jī)與CIM交互流程如圖3所示。

6 結(jié)語

布糧機(jī)器人由糧食上料傳輸帶、水平傳送帶、糧食分料機(jī)構(gòu)和布料架組成，其利用變頻器和三相電機(jī)調(diào)節(jié)各個組件的速度。CIM利用上位機(jī)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(jī)器人各個組件。本文分析機(jī)器人電氣系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)的設(shè)計方案。

參考文獻(xiàn)

[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(jī)器人的碼垛工作站控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)電工程技術(shù)，2023，52（11）：130-133.

[3]卿湘運(yùn)，陸聰.機(jī)器人用伺服系統(tǒng)性能測試加載系統(tǒng)的設(shè)計[J].電機(jī)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(jī)器人隨動抓取技術(shù)的應(yīng)用研究[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2023，36（10）：32-33.

[5]石進(jìn)水.基于視覺技術(shù)的磚坯搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計[J].現(xiàn)代機(jī)械，2023（5）：15-18.