基于PLC控制的瓷砖分级打包机

胡国纬

摘 要：本文着重从系统组成、系统设计及程序编写三方面，介绍利用可编程控制器（PLC）和变频器驱动系统，实现瓷砖分级堆垛打包的自动化控制，对减少人工及工作强度、提高产品质量、增强陶瓷行业现代化管理水平具有广泛意义。

关健词：PLC；变频驱动系统；分级堆垛打包

1 前言

在瓷砖生产线中，包装好的成品瓷砖需要工人从生产线上取下，堆放在托架上。常规的瓷砖尺寸为600×600 mm，甚至达到1000×1000 mm，每箱瓷砖一般都在100 kg左右，堆垛工人的劳动强度非常大，而且在当今人力资源匮缺的大背景下，重体力生产工人日益难招。瓷砖分级堆垛机的就是在这样的背景下应运而生，它的推出既减轻工人的劳动强度，又可提高经济效益。

以下就基于PLC控制的瓷砖分级堆垛机解决方案的系统组成和控制方面进行阐述，并说明了系统的工作流程，希望能给同行们以探讨、借鉴，来共同为提高我国陶瓷业的现代化水平而努力。

2 多规格分级打包机的技术指标

这套设备是可以生产二个规格的瓷砖，分别是： 800×800；600×600，因此，设计时，整线要考虑调节转产功能。可同时生产两个级别的瓷砖，分开堆放。

首先，我对瓷砖分级打包机的全貌做个描述，让大家对该设备有个整体的认识。这是一个整条瓷砖包装线的系统工程，由于该整线系统工程，设备较多，各个设备的功能也各不相同。限于篇幅，这里只对该整线工程的最后一套设备--瓷砖分级打包机，做详细的介绍。如下图所示，虚线中的部分，就是瓷砖分级打包機。

瓷砖分级打包机位于整条生产线的最后端，负责把生产线上出来的A、B两个级别的整包瓷砖分开堆垛成“回”字砖垛，然后再由工人整垛捆绑，再传动到最尾端，翻转，最后由叉车叉走。

2.1 分级打包机系统组成概述：

为了便于把复杂的问题分解开来，变成一个个相对独立的小系统。我把瓷砖分级打包机分为六大系统组成，分别是：1、直角调头系统；2、瓷砖分级检测系统；3、翻转系统；4、推砖及左、中、右定位系统；5、夹砖升降及平移系统；6、整垛传动及翻转系统。这六大系统组成是通过对整套设备分析总结后，把功能关联紧密或者该系统可完成一个相对独立的工作，把这些块分成一个系统，在编程时，做为一个相对独立的程序段来设计。

3 各系统的设计过程论述

3.1 直角调头系统

捆扎好的整包瓷砖，从捆扎机出来就进入了分级打包机，在现场做实地测量时，发现如果不经直角调头，瓷砖分级打包机不够位置放。

直角转弯系统如下图所示：

由于场地限制，不得不设计这直角调头系统。故进入了分级打包机后的第一个系统就是直角调头系统，打包机的直角调头系统上边连接捆扎机，下边连接打包机的翻转系统，该系统由调头气缸和托起气缸组成动力系统，其工作过程如下所述：

当调头电眼7.00无信号1.5秒，调头复位感应开关6.11无信号，调头气缸就复位，调头气缸复位完成，再充许捆扎机来砖；当调头电眼有信号1.5秒，入口调头气缸105.01开始调头，当调头到位感应开关6.10有信号，完成调头；当瓷砖分级检测系统、翻转系统、推砖及左、中、右定位系统全都无信号，入口托起气缸105.00托起，当托起气缸到位6.08有信号2秒，入口托起气缸105.00复位，同时入口调头气缸105.01也复位，当入口托起、调头气缸都复位完成后，充许捆扎机来砖，完成循环运行。

3.2 瓷砖分级检测系统

由于前面生产线上的来砖有两个级别，分别是A级和B级。要分辨出这两个级别，才能分开堆放，通过现场观察，分析比对，综合考虑，最终采用了用颜色传感器来分辨出这两个级别。

瓷砖分级检测系统要区分的A级和B级瓷砖如图5所示，通过下图，我们可看出A级瓷砖的包装箱以红色为主，B级瓷砖的包装箱以绿色为主，因些，我们要分清是A级还是B级，只要分清红色和绿色即可。

通过多方面了解、调查和实际实验，最终，我们选择了德国劳易测公司的颜色传感器，如图6所示。

颜色传感器是通过将物体颜色同前面已经示教过的参考颜色进行比较来检测颜色，当两个颜色在一定的误差范围内相吻合时，输出检测结果。该款颜色传感器有三个可独立示教的颜色通道，可以用来检测三种不同的颜色。具体的示教、设置方法等，这里就不再赘述。

颜色传感器具体的电气安装图如图4所示，因为颜色传感器只能检测所示教的颜色，所以要和普通光电开关配合使用。普通光电开关用来检测物体，颜色传感器用来检测颜色，当普通光电开关有信号的过程中，颜色传感器有瞬间信号，即可确定通过的是哪一种包装颜色的瓷砖，进而判断出通过的瓷砖是A级的，还是B级的。

3.3 翻转系统

刚进入打包机的包好的整包瓷砖是翻过来的，如下图7所示，而在最终，打包机需要把瓷砖堆垛成“回”字形，如图8所示，这就需要有一半的瓷砖需要翻转，而另一半的瓷砖不需要翻转，故翻转系统需要根据来砖的级别、该包瓷砖将要放的位置来判断是否需要翻转，还是不翻转直接通过。

如图8所示，打包机工作时，堆垛的顺序如图中的1、2、3、4所示，四个状态工位分别是：1、底层竖放（简称：竖1）；2、底层平放（简称：平1）；3、第二层平放（简称：平2）；4、第二层竖放（简称：竖2）。结合图7所示，我们可以分析出：平1和竖2需要翻转，因为四个状态工位的放砖数量是可以在人机介面按需设定的，所以，当瓷砖分级检测系统区分出来砖是A级或B级后，就要马上计算出该包砖将要放到哪边的哪个状态工位，进而根据要放的那个状态工位来判断是否要翻转。

翻转系统的电气安装正视图如图10所示，当翻转到位电眼有信号0.2秒，翻转内传动停止，此时，如果机构处于左翻转到位，并且根据上述条件判断需要翻转，就向右翻转，翻转到右到位，停止翻转；如果机构处于右翻转到位，并且根据上述条件判断需要翻转，就向左翻转，翻转到左到位，停止翻转。因为，无论是左转180度，还是右转180度，对砖的翻转效果是相同的。所以，翻转180度后，不需要复位，可继续进砖。

翻转系统的左右翻转是要注意保护功能的，除了必要的机械保护以外，还要注意电气运行方面的保护。翻转系统的安装图右视图如图9所示，如果是左翻砖，当系统左翻到左翻砖减速电眼7.03有信号时，左翻转速度开始由高速变为低速，当左翻到左翻砖到位电眼7.04有信号时，左翻转停止；如是右翻砖，当系统右翻到左翻砖减速电眼7.05有信号时，右翻转速度开始由高速变为低速，当右翻到右翻砖到位电眼7.06有信号时，右翻转停止；翻砖的高速可通过触摸屏设定，翻砖的低速直接在变频器设定。这样，通过高低速的分段设计，既可保证翻砖的效率，又可保证翻砖系统的平移性。

翻转完成后，要根据该包砖将要放到哪边的哪个状态工位，进而判断推砖及左、中、右定位系统是否准备就绪，如没就绪，就停止，等待推砖及左、中、右定位系统准备就绪后，再传动出砖。

3.4 推砖及左、中、右定位系统

推砖及左、中、右定位系统，包括两部分：推砖定位部分、左右翻砖部分。该系统的作用可概述为：先把进来的整包瓷砖推整齐，然后，再根据系统的整体需求来确定是否左翻砖、右翻砖或不翻砖。下面，针对该系统的这两个部分的详细介绍如下：

3.4.1 推砖定位部分

推砖定位部分的作用是把进来的整包瓷砖推整齐，为夹砖升降及平移系统夹砖运行或本系统的左右翻砖做准备。该部分的安装图如图11所示。

推砖条件分为两种情况，情况一：当推砖电眼2.00出现一个下降沿时，认为有砖进入了推砖機构，此时，推砖气缸102.00动作，开始推砖，推砖2秒后，认为已把砖推好，推砖气缸102.00结束动作复位；情况二：当该套设备一开自动，入砖到位电眼2.01就有信号，说明该系统内已停有一包砖，此时也要进行一次情况一中的推砖动作，以确保在接下来的动作中，该包砖是整齐的。

3.4.2 左右翻砖部分

要搞清楚该部分的工作流程，要从打包机最终堆垛好的瓷砖的状态来分析，打包机最终堆垛好的瓷砖如图8所示，从图中我们可以看出，要先放下层，再放上层；下层又分为两部分，要先放竖的部分，再放平的部分；上层也分为两部分，但是上层要先放平的部分，再放竖的部分。从瓷砖分级打包机全貌俯视图（图2）中，我们可以看到左右两个不同级别的瓷砖堆放工位是对称的，因此，每来一包瓷砖，我们首先要判断这包瓷砖的级别，确定了级别后，就知道了该包瓷砖要放左边工位，还是右边工位。确定了左右工位后，要再判断是放该工位的上层还是下层。确定了放该工位的上层还是下层后，还要再判断是该层的平放部分还是竖放部分。最后就可以确定来的该包瓷砖是应该左翻砖，不翻砖或者是右翻砖。左右翻砖部分的安装图如图12所示。

3.5 夹砖升降及平移系统

夹砖升降及平移系统是该套设备中控制难度最高、最复杂的系统。该系统的左右工位的上层和下层都有一个水平放砖的位置，这个位置要通过人机介面来设定；而左右工位上层和下层的竖放位置是分别通过碰压对应的小气缸，对应的小气缸上的感应开关没信号，来实现左平移到位或右平移到位的，这样做的目的是使竖放的砖排列紧密。但有一个缺点就是每次有一个平移压到砖的动作，如果对应的小气缸压力太大，就会使压砖力度较大，造成机架晃动，使机台振动较大；如果对应的小气缸压力太小，就会使抓手在拿砖完平移的过程中，砖的一些晃动，就有可能触发平移到位信号，造成在平移未到位的过程中，就下降放砖，产生故障。所以，升降和平移都需用编码器来实现每次到位前的减速，PLC计算出减速位置，减速距离可分别通过人机介面设定。

如果在瓷砖分级检测系统中检测到来砖是A级的，系统就会自动分配到左工位，然后，再根据左工位现已堆放的状态来判断，该来砖是该平放还是竖放，如需平放，抓手就去中间位置等待；如需左竖放，抓手就去左竖放拿砖位等待。当推砖及左、中、右定位系统把来砖处理好平放还是竖放的位置后，抓手先高速下降，当快要接近砖时，变为低速，低速接近，直到到位信号触发，停止下降。至此，抓手完成下降动作。

当抓手完成下降动作后，抓手气缸动作，抓手夹紧砖，气缸动作1.6秒后，认为已夹紧了砖。开始设计时，是安装有夹砖到位感应开关的，当夹砖到位感应开关有信号，认为夹紧了砖，但是，在实际的使用过程中发现，有时砖已夹紧，但是还是不能触发夹砖到位感应开关。造成无夹砖完成信号，不能进行下面的动作。

当抓手完成夹砖后，抓手开始上升，如果放下层，则抓手只上升到下层平移位，无需上升的升降原点，下层平移位这个参数可以在人机介面设定；如果要放上层，则抓手要上升到升降原点。这样的设计可以减少放下层时，每次升降的距离，节能且可明显提高效率。

当抓手完成上升后，开始平移，当快要接近竖放的砖时，要边平移边稍做下降，这个开始稍做下降的平移位置及下降多少的下降值，都可以通过人机介面进行设定。这个设计的目的是为了使竖放的砖在贴近已放好的竖放砖时，尽可能的低，以提高竖放砖时的可靠性。而平放砖时，则无需在平移过程中进行垂直方向的下降。

当平移完成后，抓手下降到降到位信号有，下降停止。抓手松开，抓手上升，如果是下层，则抓手只上升到下层平移位，无需上升的升降原点，下层平移位这个参数可以在人机介面设定；如果要是上层，则抓手要上升到升降原点。为了提高效率，在上升一段距离后，确保抓手脱离了砖后，可进行同时进平移，这样设计可明显提高回位的效率。

在回位的过程中，如果在瓷砖分级检测系统中没有检测到来砖，则回位到平移的原点；如果有检测到来砖的级别，则要根据来砖的级别，确定将要放到左工位还是右工位，再根据左工位或右工位的堆放情况，来确定是去到左竖放位、平移原点或右竖放位等待。等待推砖及左、中、右定位系统把来砖处理好平放、左竖放或右竖放的位置后，再开始下降拿砖。如果两边托砖都已满砖，则抓手回到平移原点等待。

3.6 整垛传动及翻转系统

整垛传动及翻转系统负责把空托架传动进放砖位，把堆垛好的整垛砖传动出放砖位，来到穿带捆扎位，手动进行整垛砖的捆绑，再传动到翻砖位，手动进行翻砖，最终由叉车叉走的整个过程。下面，我们对左整垛传动及翻转系统进行详细的介绍。左整垛传动及翻转系统电气安装图如图14所示。

在自动运行的过程中，如果左检测砖架光电没有信号超过4秒，声光报警灯就会响起，提醒工人放砖架上去。放上去的空砖架经过左工位传动1的传动，到左砖架定位光电处，当左砖架定位光电有信号1.5秒后，左工位传动1停止传动，这样设计的原因是，为了使左砖架定位光电能够完全照到砖架，达到位稳定检测，以免在放砖的过程中，砖架晃动，使砖架定位光电开无信号，造成误动作。

当左砖架定位完成后，夹砖升降及平移系统就可以向左砖架上放砖了。当左砖架上放满砖后，M8左工位传动1以及M9左工位传动2同时启动，将放好的整托架砖传动到M9左工位传动2上的左穿带位置处，当左穿带位置光电有信号1.5秒后，M9左工位传动2停止传动，在这里等待工人将整托砖捆扎好。

当将整托砖捆扎好后，如果最后的工位托架翻转处于复位状态，那么就可以通过旋动出砖旋钮，M9左工位传动2和M10左工位传动3同时传动，将整托砖传动到M10左工位传动3的辊台上，当左停止位置有信号时，M9左工位传动2和M10左工位传动3同时停止传动。此时，工人可以在托架的侧面塞入木制砖架，如图8所示中打包机最终堆垛好的瓷砖的状态那样。

当工人在整托砖的侧面塞入木制砖架后，就可以通过旋转旋钮来实现整个托架的翻转了，左整垛翻转系统电气安装图如图15所示。旋钮可实现点动式翻转，这样设计主要是从安全方面考虑，因为整托砖非常重，翻转要比较慢，如发现异常，可随时停止。当没复位时，如果误操作了出砖旋钮，，M9左工位传动2和M10左工位传动3不会传动。只有在翻转系统复位后，且左停止位置光电开关没有信号，这样出砖旋钮才有效。

当整托砖翻转到翻砖到位光电开关有信号时，停止正向翻转，此时，即使旋转翻砖操作旋钮也不会再向正向翻转，这样设计的目的是为了防止工人误操作，确保安全。翻砖到位和复位都是双重保护的，即使翻砖到位或复位的光电开关损坏，还有极限位的行程开关做为最终的安全保护。

整垛传动及翻转系统分为左、右两个部分，这两个部分的工作原理及流程都是相同的。对于右整垛传动及翻转系统，在这里就不再赘述。

4 结语

该套瓷砖分级打包机已在国外某陶瓷厂顺利投产两年多，经过了长时间的实际生产考验，达到了预期设计目标。该套设备各个系统之间配合良好，运行稳定。由于采用了PLC和变频器控制，后期故障率低，且便于检修，维护方便，得到了客户的一致认可和赞同。

如果说到不足，主要是从效率方面考虑，由于国外陶瓷厂的生产速度，通常比国内陶瓷厂要低好多，比如该套设备在国外陶瓷厂要求的产量是每分钟4包瓷砖，可国内像这样的生产线通常要求产量要达到每分钟7至8包瓷砖。而现在该套瓷砖分级打包机的设计产量是每分钟4至5包瓷砖。要适合国内市场，就要考虑改变机构，改变流程，来提高产量。

由于本套设备的程序接近4000行，限于篇幅，在这里就不列出程序了。由此造成的不便，还请大家多多包涵。最后，希望通過本文的阐述，能给同行们以启发、借见。

参考文献

[1] 李明河. 可编程控制器原理与应用[M]. 合肥工业大学出版社， 2009.

[2] 谢克明， 夏路易. 可编程控制器原理与程序设计[M]. 电子工业出版社， 2010.