基于PLC的生产线供料搬运单元控制系统的设计

刘　燕，黄莎莎，邱赛赛，闵美如

（常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟215500）

基于PLC的生产线供料搬运单元控制系统的设计

刘燕，黄莎莎，邱赛赛，闵美如

（常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟215500）

摘要：根据生产线中供料搬运单元的控制要求，设计了基于PLC实现的供料搬运过程的控制系统.该系统以西门子S7-200PLC控制器为核心，结合异步电机、高分辨率伺服电机、位置传感器以及材质检测传感器等元件，实现了供料搬运生产过程的自动传送、分拣、抓取以及定位等功能.实际运行表明，该系统具有机械手抓取工件牢固，分拣工件准确，搬运定位精确等优势，满足了生产线供料搬运单元高精度的控制要求.

关键词：供料搬运；伺服驱动；控制系统；MAP应用库

供料搬运单元是机械加工生产线的主要组成部分，它是利用机械手将放置在料筒中的工件夹取并送到传送带上进行传送、分拣及搬运的工作单元.随着自动化生产线在机械加工行业的广泛应用，对供料搬运单元运行控制的要求不断提高，准确的定位、牢固的抓取，正确的分拣已成为供料搬运单元运行性能的基本要求，也成为生产线降低作业成本、提高作业能力和效率的重要保证.本文以S7-200 PLC为控制核心，设计了供料搬运生产线的控制系统.通过PLC控制机械手夹取料筒中的物料，通过变频器实现传送带速度的合理调节，通过传感器检测不同材质的工件，实现工件的有效分拣；通过伺服电机的准确定位，实现工件搬运过程的可靠运行.实际运行表明，该设计方案满足了生产线供料搬运单元高精度的控制要求.

1　供料搬运单元的结构及控制要求

1.1供料搬运单元的结构

供料搬运组合单元从结构上分为5部分，分别为料筒检测、机械手、主传送带、副传送带和移动式机械手，结构图如图1所示.

（1）料筒检测结构

料筒检测结构如图1（a）所示，其拥有两个圆柱形料筒，分别用来放置两种不同材质的工件.在两个料筒下面分别安装两个传感器，分别检测物料筒内有无工件.

（2）机械手结构

图1　供料搬运单元结构

机械手主要完成工件的位移、伸缩、夹取以及放置等工作，由5个气缸控制机械手的全部动作，如图1（d）所示.图中YV1是左右气缸，YV2是旋转气缸，YV3是升降气缸，YV4是伸缩气缸，YV5是气动手爪.用光电传感器做限位开关判断机械手在动作过程中的位置. 1B1代表机械手的左限位；1B2代表机械手的右限位；2B1代表机械手的旋转左限位；2B2代表机械手的旋转右限位；3B1代表机械手的下限位；3B2代表机械手的上限位；4B1代表机械手的后限位；4B2代表机械手的前限位.

（3）主传送带结构

主传送带主要起传送工件的作用，由三相电机拖动主传送带，通过变频器控制其启动及转速大小，如图1（e）所示.传送带边装有两个检测传感器，用于检测不同材质的工件，通过阻挡缸的动作将工件分拣至副传送带上.图中M3为三相电机；PX1为电感检测传感器；PX2为电容检测传感器；PH3为传送末端检测传感器；YV6为阻挡缸1；YV7为阻挡缸2；6B1和6B2分别为阻挡缸1的上、下限位；7B1和7B2分别为阻挡缸2的上、下限位.

（4）副传送带结构

副传送带完成不同材质物料的纵向传送.两个副传送带分别由两个直流电机带动.每个副传送带末端都装有一个传感器，当物料到达传送带末端时，通过传感器得到感应信号，如图1（b）所示. M1、M2是直流电机；PH4、PH5是料到检测传感器，

（5）移动式机械手结构

移动式机械手主要完成工件抓取及水平移动.移动式机械手由伺服驱动器控制伺服电机水平移动，其上的吸盘完成工件的抓取.通过控制气缸实现吸盘的升降和吸放，如图1（c）所示. PH6是移动式机械手左限位；PH7是移动式机械手零点位；PH8是移动式机械手右限位；8B1是吸盘上限位；8B2是吸盘下限位；YV8是吸盘升降气缸；YV9是真空吸盘.

1.2供料搬运单元的控制工艺

将圆形工件放入立式落料筒1和2中，机械手在两个料筒之间来回移动，并自由取出料筒1或2当中的工件，机械手将抓取到的工件放置到主传输带上，工件将随着主传输带移动，移动过程中通过电容、电感传感器检测工件材质，通过阻挡缸的动作将不同材质的工件进行分流，分流后的工件在副传送带传输，到达副传输带的末端后由移动式机械手的吸盘抓取工件并重新放回到料筒1或2当中，未被分流的工件沿着传送带移动到下一个单元.

2　供料搬运单元控制系统的设计方案

2.1控制系统的设计方案

供料搬运单元控制系统以PLC为主控制器，辅以执行机构变频器、伺服驱动器、电机模块（其中包括伺服电机、直流电机、三相电机）等. PLC的输入部分接供料搬运组合单元上的各类传感器和限位开关，并和控制柜面板上的各控制按钮相连. PLC输出则与要控制的相关驱动器件相连，通过PLC控制供料搬运各部分的运行.控制系统设计方案如图2所示.

图2　供料搬运单元的控制方案

（1）上位机：使用触摸屏MCGS作为人机界面，通过TCP/PPI与PLC进行通讯，实现上、下位机的双向控制，并对供料搬运单元实时监控.

（2）PLC控制器：根据控制所需I/O点数，PLC选用S7-200系列224XP，外加两个EM 223扩展模块.

（3）变频器模块：选用MM440控制主传送带的速度. PLC控制变频器的启停运行，并通过外置电位器来改变变频器的速度，实现主传送带速度的无极调节.

（4）直流电机模块：PLC控制中间继电器，由中间继电器控制直流电机，直流电机带动副传送带将物料送到指定的检测位置.

（5）伺服电机模块：伺服电机驱动器接收PLC控制器输出的脉冲及方向信号，驱动伺服电机转动，驱动移动式机械手水平运行，实现工件的水平移动及准确定位［1］.

（6）传感器：供料搬运单元使用了大量传感器，其中用光电传感器作为限位元件对工件到达的位置进行检测；使用电容、电感传感器对工件的材质进行检测.

（7）电磁阀：电磁阀主要控制机械手左右气缸、伸缩气缸、升降气缸、旋转气缸、手爪的抓取、阻挡缸的分拣、吸盘抓取的工件等工作.

2.2伺服驱动系统的控制

供料搬运单元水平移动及位置检测精度要求较高，用伺服电机实现传动定位控制［2］.图3为伺服驱动器接线图.选用合信伺服驱动器E10匹配伺服电机CTSD M16-B2012-M100.伺服驱动器E10的DI数字输入信号有伺服使能、解除报警、顺/逆时针行程限位、齿轮比切换、脉冲输入禁止、零速锁定、位置偏差清除等；DO输出有伺服准备好、报警输出、定位完成、零速检测输出等.

本设计通过编码器线将伺服驱动器与伺服电机进行连接.伺服电机接收来自驱动器的电压信号并转化为相应的转矩量和转速值驱动移动式机械手水平移动［3］.旋转编码器检测出伺服电机的转数，并将角位移转换成脉冲值，通过内置的高数计数器统计编码器发出的脉冲数，从而判断移动式机械手在水平运动过程中所处的位置.通过改变控制脉冲数的大小，就可控制伺服电机转动的角位移，从而控制移动机械手在水平方向的移动距离，实现水平方向的精确定位.

图3　伺服控制系统接线图

3　软件程序设计

根据供料搬运单元控制要求及工艺流程，控制流程如图4所示.程序按以下基本过程编写：

（1）开机后PLC进入RUN状态后，初始化系统，伺服驱动使能上电，移动式机械手寻找参考点，所有电机及气缸复位；

（2）当给出启动信号后，主传送带、副传送带启动运行；

（3）当料筒中有工件时机械手按动作程序抓取工件并送至主传送带上；

（4）工件在主传送带传输，到合适的位置后被分拣；

（5）移动式机械手吸盘抓取工件，并水平移动至料筒1或2的位置.

程序设计中采用S7-200本体PTO提供的应用库MAP SERV Q0.0输出脉冲串来控制伺服电机的运行，应用库MAP如图5所示.编程设计中应用了MAP库中的参数定义功能块Q0_0-CTRL，用于判断伺服电机的当前位置是否超出所设定的范围［4］；寻找参考点位置功能块Q0_0_Home，用于供料搬运单元在启动、运行结束后寻找参考点；停止运动功能块Q0_x_STOP，用于使移动式机械手减速直至停止；采用绝对位置移动功能块Q0_0_Move Absolute确定移动式机械手在水平方向的不同位置.

移动式机械手在料筒1、2、副传送带位置1、2等4个位置需要准确定位以便抓取、放置工件.编程中MAP库中绝对位置移动功能块Q0_0_Move Absolute实现这4个位置的定位.编程应用如图6所示，EXECUTE端是该功能块的执行位，当该端接收到脉冲信号时，伺服电机以Velocity的速度运行到Position指定的绝对位置，Done用于判断伺服电机是否到达指定的绝对位置.在编程时只要对VD100赋4个定位距离对应的脉冲数就可，当定位不准确时调整VD100对应的脉冲数.采用功能块编写程序只需直接调用所需的功能块，修改对应的参数即可，这种编程方法避免了大量繁琐的计算，既节省时间又能达到很好的效果.

图4　控制流程图

图5　应用库MAP

图6　功能块Q0_0_Move Absolute的应用

4　结束语

根据供料搬运单元的要求，设计基于PLC的控制系统.该系统能实现工件传输、分拣、抓取和移动定位等自动连续生产.在实际生产过程中，该系统具有机械手抓取工件牢固，分拣工件准确，搬运定位精确等优势，能够满足生产线供料搬运单元控制精度的要求，大大降低了劳动强度，提高了工作效率，具有很好的实际应用价值.

参考文献：

［1］王彦军，李增生.基于PLC的步进电机控制［J］.科学技术与工程，2011（5）：1077-1079.

［2］唐立平.气动物流输送及分拣系统的PLC控制系统设计［J］.液压与气动，2010（7）：54-56.

［3］刘燕.组合机床生产线加工及上下料控制系统的设计［J］.制造业自动化，2014（12）：101-104.

［4］李庭贵.基于西门子PLC和变频器的物料分拣系统设计［J］.制造业自动化，2013（6）：92-94.

A Design of Control System for Feed Handling Unit in Production Line Based on PLC

LIU Yan, HUANG Shasha, QIU Saisai, MIN Meiru
（School of Electrical and Automotive Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China）

Abstract：According to the control requirements of feeding handling unit in the production line, and the design of the control system for handling process based on PLC, the system with Siemens S7-200 PLC controller as the core, combined with asynchronous motor, high resolution servo motor, position sensor and material detection sensors element, realizes the function of the automatic transmission, sorting, grab and the location of feed handling the production process. Actual operation shows that the system has many advantages such as the firm grasping of the workpiece by the manipulator, the correct sorting of the workpiece and the accurate handling positioning so as to meet the requirements of high precision control of production line feeding handling unit.

Key words：feed handling unit；servo motor；control system；the MAP application library

中图分类号：TH181；TP273

文献标识码：A

文章编号：1008-2794（2016）02-0042-05

收稿日期：2015-06-06

通信作者：刘燕，教授，研究方向：电气工程及其自动化，E-mail：lyan@cslg.cn.