基于PLC的自动码垛系统在制造领域的研究与应用

沈立秋，沈湘宁

（中材科技（九江）有限公司，九江332000）

人工智能在我国不断的快速发展，制造车间在未来全面实行智能化和自动化是大势所趋[1]。目前，在钢瓶生产制造车间中，还有些设备陈旧，自动化程度低，特别在转运钢瓶时，有一部分工序还是靠人工把钢瓶搬运到待转料框中，这样对操作人员的劳动强度大，而且钢瓶在滚动过程中也产生了很大的噪音，还有些钢瓶经过旋压热加工工序后，特别是完成收底或者收口工序后，瓶底余温很高，在这种情况下，钢瓶车间存在很大的安全隐患。为了能降低劳动强度，减少噪音，降低安全隐患，只有不断提高产线的自动化技术水平，才能提高产能效益，才能不断为公司创造更高的价值，为此，通过研究设计了该自动码垛控制系统，其基本框架如图1所示。

图1 基本框架Fig.1 Basic structure

1 系统设计

1.1 系统功能要求

该码垛系统主要是从物流架上抓取钢瓶到料框上，然后将钢瓶转移到下一道工序进行加工。该码垛系统主要有这几方面的功能：①PLC 是三菱FX3U-48MT 晶体管输出，由24 点输入、24 点输出组成，主要提供步进驱动器的脉冲供给，保证定位，提供上下料每个动作的输出指令；②电磁铁主要用于控制抓料和卸料，采用LMSDMLWH 型电永磁吸盘控制器，冲退磁的电流能达到50 A，能吸取重量达400 kg、能抓取直径Φ204 mm～Φ356 mm 的钢瓶；③步进电机驱动器主要用于运动的准确定位和控制步进电机合适的运动速度，同时，为了减少丢步和显示准确的位置，用编码器来实现闭环的控制；④用台达触摸屏型号为DOP-B04S410 作为人机界面，主要提供数字的输入和参数的设置，自动码垛运行画面的监控，定义了各种手动操作按钮、自动启动和暂停按钮，I/O 监视，报警输出，自动和手动按钮，提示灯等，这样维护方便快捷。在机械和电气方面的设计时，采用各种保护装置，以便设备在运行当中稳定可靠，保证人身安全[4]。

1.2 系统工作原理

当有料感应时电磁阀发生动作，进入对中装置中，对中后，磁铁下降到钢瓶合适位置时，电磁铁发生动作吸合钢瓶，吸合钢瓶后，延时1 s，待钢瓶稳定后气缸上升，升到限位开关位置时，延时1 s，小车开始移动，移动到第一个料的位置时，用M8029（脉冲完成标志）置位停机，延时1 s 后气缸下降，下降到限位开关位置时，把钢瓶投放在料框的合适位置后，延时1 s，磁铁退磁，退磁后，气缸上升，升到限位开关位置时，小车往原点方向行走，回到原点位置，用M8029 置位，停在原点位置，再进行第二个料的码放，周而复始，直到料的数量达到设置值和层数时，回到原点后自动停止，并提示把码放好的钢瓶挪走。

1.3 系统主要设计原理

该设计采用FX3U 的PLC的移位控制指令来实现每个瓶子的不同位置进行定位，以实现一层、二层和三层的码放。通过对中后，使钢瓶摆放整齐美观。

设计原理如图2所示，以原点为起点，也就是对中装置的中心点，以d1为定长的长度固定不变（触摸屏设置，卷尺测量），以料框长度为d1-d4的长度（触摸屏设置，卷尺测量），钢瓶的半径为r，直径为d（触摸屏设置），料框上钢瓶个数为n（n≥1，n个数视料框的长度而定，同下）。从左至右，以料框上第一层第一个料的中心位置的距离长度为d2，也就是d2=d1-r的长度，则第二个钢瓶的中心位置为d3=d2-d，第三个钢瓶的中心位置为d3-d，以此类推，逐个相减；当最后一个钢瓶的中心位置达到d1-r-（n-1）d

图2 设计原理图Fig.2 Schematic diagram

为了减少丢步和转堵，该系统采用旋转式编码器，型号为RD-2T500BF，用PLC 发送脉冲指令给步进电机驱动器，然后驱动器根据PLC的指令让步进电机稳定运行，并且一直把位置信号反馈给PLC，当编码器检测到的实际位置与步进电机所到达的位置一致时，PLC 停止输出脉冲[6]；当编码器检测到步进电机丢步或者没有到达指定的位置时，步进电机的实际位移与目标位移相比较，并将其具体位置反馈给PLC，PLC 按照反馈给的信号再发指令给驱动器让步进电机到达指定位置。编码器分辨率为500P/R，为提高抗干扰能力，用屏蔽电缆连接编码器与PLC，金属部分与编码器地线连接。为实现高速计数，采用两相双向计数器指令C251，编码器的A 相接PLC的X0，B 相接PLC的X1，红线接PLC的24 V+端，蓝线接COM 端，这样A，B 两相连接，能判断正反向的计数和测速，当回到原点位置时编码器数据清零。为了尽可能地减少转堵情况，步进电机驱动器的脉冲指令采用加减速指令（DPLSY），用M8029 置位作为脉冲指令的结束标志。编码器用联轴器连接双轴步进电机尾部，小车运动采用齿轮条式导轨，步进电机驱动器采用3ND2283-600，驱动器脉冲数设置为1600 P/R，步进电机为三相混合式，型号为130BYG-350D，步距角为1.2°，在计算位移时还需知道脉冲当量，脉冲当量也就是发一个脉冲步进电机每走的位移量，脉冲当量与步距角的关系见式（1），电源电压为220 V。PLC 输出公共端（COM1）接+0 V，驱动器的控制正极接5 V，如果接24 V 的电源，需要串联2.2 k 的电阻，不然容易损坏驱动器。用Y0作为脉冲的输出，Y1作为电机的方向信号，用D8140 计数Y0 发出的脉冲总数。

式中：∂为脉冲当量，单位为mm/pls；D为模数；Z为齿数；θ 为步距角，m为细分数；P为脉冲数；S为位移，单位为mm。

动作原理：该系统主要用到移位指令（ROL）、传送指令（DMOV）和斜坡指令（RAMP）等，当料架有料时，在开启自动的状态下，翻料气缸就会动作，钢瓶进入对中位置，用2 个接近开关，通过减速机正反转进行对中，对中后，磁铁气缸下降到合适的位置，然后，磁铁进行吸料，延时1 s 上升，到位后延时1 s，电机才开始运转。每当吸料后气缸上升1 次，然后移位1 次，再通过相减得到钢瓶的中心位置，逐个移位和相减，当钢瓶的中心位置偏离料框长度时，跳转到第二层，再逐个移位和相减，循环反复，直到钢瓶数量达到触摸屏预设的数量停止工作。移位和传送部分程序见图3。为实现断电记忆，部分功能采用M500 以上的辅助继电器。

图3 部分移位、计数程序Fig.3 Partial shift and counting program

电磁铁固定座设计：不同规格的钢瓶弧形度不一，在不能完全吻合的情况下，当瓶身较重时，磁铁不能有效吸合。为了能与不同规格钢瓶的弧形部完全与磁铁的弧形部完全吻合，在原点不变的情况下，磁铁底座采用左右自由活动式，上端连接气缸，见图4，在磁铁下降到位时，磁铁的弧度与不同规格的钢瓶贴合时，会左右自由活动，以寻找最大的结合面，在吸合时，以保证磁铁最大的吸合力。

图4 磁铁底座Fig.4 Magnet foundation

2 系统调试

经过设计和安装调试后，码垛主程序流程见图5，码垛子程序流程见图6，总体框架见图7，按照表1 完成设计程序，然后连接触摸屏，触摸屏的通讯参数设置通讯接口选择COM1，制造商选择Mitsubishi，系列选FX 系列，通讯界面选RS422，PLC 默认站号选0，波特率9600，连接PLC 后，首先输入定长长度，定长首先需要用直尺测量（原点到料框最边缘的长度d1），定好整体的长度，设置好步进电机的参数，触摸屏设置钢瓶直径，料框的长度，电机的速度，加减速时间，物料架和小车底座必须焊接牢固，中心点固定牢固，进行系统的调试。

表1 I/O 分配表Tab.1 I/O distribution list

图5 码垛主程序流程Fig.5 Main program flow chart of palletizing

图6 码垛子程序流程Fig.6 Subprogram flow chart of palletizing

图7 总体框架图Fig.7 Frame diagram

3 系统验证

该系统现场调试好后，开始运行生产，达到了预期要求。电机运行界面如图8所示，钢瓶直径规格根据现场不同的规格来确认，料框长度根据现场的实际料框长度输入[15]。状态显示如图9所示，该界面主要监视在生产中该系统运行时钢瓶的位置情况，有料区域代表料框上有钢瓶，是钢瓶在料框的实际位置区域，第一层的无料区域代表料框实际长度较短，没有钢瓶，在实际生产运行中由于料框的长度差异会显示到不同位置，为方便，统一料框的长度。

图8 运行界面Fig.8 Operation interface

图9 状态显示Fig.9 Status display

4 结语

根据半年多的运行情况，该控制系统在生产过程中能24 h 连续全自动生产，平均1 个/1.5 min，运行稳定可靠，故障率少，这样提高了效率，降低了成本，而且减少了噪音污染，减少了人工劳动强度；并且操作简便，换工装快捷方便，主要避免人在工作中，钢瓶瓶体高温发生烫伤和滚动时发生压伤的风险，从而提高产能效率，特别适用于钢瓶表面温度较高，钢瓶直径大，周转料次数多，重量重的场合；且具有调试灵活、拆卸简便，可靠性高的特点，这样在生产车间中为钢瓶上下料的搬运和周转待料提供了有利条件。