基于PLC的特殊容器自动装卸装置控制系统设计

2023-10-07范志恒杨大志黄仁杰柳忠彬段林

机床与液压 2023年17期

范志恒，杨大志，黄仁杰，柳忠彬，段林

(1.四川轻化工大学机械工程学院，四川宜宾 644000；2.中核建中燃料元件有限公司，四川宜宾 645154)

0 前言

随着社会进步和科技发展，作为提高人类生活质量的特种设备——特殊压力容器的使用量日益增加。目前使用最多的是具有分离、储存、反应等功能的容器。此设计主要针对用于危险品储存的移动式压力容器。

移动式压力容器在全球贸易中扮演着重要作用，它可以用于运输维持人类生存和科技发展必需的生活原料、工业原料、化学原料，如液化气、有机化学合成原料、放射性原料等[1]。移动式压力容器的使用与危险品息息相关，若操作不当会造成环境污染甚至人员伤亡。目前该种容器大多还是由人工进行装配和拆卸。为了减小这种危险，使这种容器的封装、拆卸更加标准化；也为了解放劳动力，降低人工成本，本文作者提出由PLC与触摸屏构成控制系统，以实现容器的自动化装配。

1 系统总体设计方案

特殊容器自动装卸装置结构主要有部件抓取模块、光纤定位模块、工位回转台、螺栓就位机械手、螺栓拧紧平台、防脱落安全联锁模块等[2-3]。部件抓取模块主要包含了丝杆模组、真空抓盘、伸缩电缸、驱动电机、光纤传感器、物位开关等。系统各模块主要功能为：

(1)部件抓取模块。气爪开合由电磁阀控制，抓取部件时由水平丝杆模组与垂直电缸模组定位部件坐标，抓取时开启真空负压将物体表面牢牢吸附。由光纤传感器判断部件夹取位置是否合理，以及运动过程中部件是否脱落。

(2)光纤定位模块。系统每次启动时，均要对各部件进行定位，判断位置是否合理，不合理则配合工位回转台进行位置调整。

(3)螺栓就位机械手。采用气缸控制引导丝迫使螺栓沿引导丝轨迹运动，从而改变螺栓当前状态。例如将螺栓扶正准备拧紧，或将螺栓拨下准备拆卸部件。

(4)螺栓拧紧模块。由4个对称测力矩套筒对螺栓定量拧紧或旋松。套筒内部配备扭矩传感器，用于监测实时扭矩值。4个套筒固定于1个平面，通过气缸和导向杆实现整个平台的稳定运动。

(5)安全联锁模块。气爪上配备光纤传感器，用于判断抓取位置是否合理和监测抓取部件是否脱落，若发生脱落则系统停止并报警；拧紧平台下方也具有光纤传感器，若部件在拧紧过程脱落，则系统报警；最后水平模组与垂直电缸模组均在合适位置配备接近开关，当模组移动位置抵达接近开关时装置自动停止，防止机构损坏甚至人员损伤。

图1 特殊容器自动装卸装置结构简图

2 系统硬件设计

2.1 控制系统设计方案

此系统采用2台西门子S7-1214C+HMI的控制模式。PLC与HMI之间采用Enthernet通信，三者通过工业交换机构成小型局域网，并结合多种传感器、电机及电磁阀等执行元件，使其具有数据采集、运动控制、故障报警等功能[4]。

驱动器采用雷赛CL86H型，其运用32位DSP电机控制芯片和闭环控制技术，彻底克服了开环步进电机丢步的问题，电机性能显著提升，并且电机发热状况进一步降低。采用8台步进电机及1台伺服电机进行系统运动控制，并额外为交流伺服外加继电器抱闸，防止装置意外失电时抓取物掉落产生事故。根据PLC各I/O状态及逻辑关系，系统可持续刷新各机构状态并实时显示在触摸屏上。另外系统运行时会为气动管路施加0.6 MPa气压，并利用PLC控制两位五通电磁阀使机构进行运动，至此完成整个控制系统架构[5-6]。

图2 控制系统配置

2.2 控制系统I/O分配

控制分为两部分：一部分为1214C DC/DC/DC外加2个1223 16 DI/16 DQ模块，该部分使用35路输入点，31路输出点；另一部分为1214C DC/DC/RLY外加SM1222 16DQ与SM1231 4AI，这部分使用10路输入点，20路输出点，4路模拟量输入。系统主要I/O分配见表1。

表1 PLC1输入输出点定义

表2 PLC2输入输出点定义

表3 扭矩传感器主要参数

第二部分PLC主要是控制拧紧机构，并对扭矩传感器采集到的模拟量信号进行处理转化，同时对机构状态进行监控，最终将这些数据进行转换后呈现至触摸屏[7]。或通过触摸屏改变数值来操控螺栓拧紧机构的运行速度、运作方式、操作阈值等。

2.3 旋转定位装置设计

旋转定位装置主要由2台24 V光纤信号放大器组成，放大器收发信号端搭配2 m光纤探头，其有效距离为200 mm。当光源经过入射光纤送入调制区，然后编程被调制的信号光，最后经过解调器获得各被测参数呈现到显示屏上。

该装置中设定螺栓连接处为定位位置，PLC采集到信号放大器输出信号时，经过程序处理做出相应位置调整[8]。相关计算过程如下：

螺栓连接处弧长为L，代入公式(1)可得对应圆心角度数n1(°)为

L=n1πR

(1)

回转台以角速度ω旋转时间t，走过的路程l为

l=ωRt

(2)

将式(2)代入式(1)可得此时圆周角为n2(°)，然后补偿角度N为

N=n2-n1

(3)

将计算得到的补偿角度N发送给轴工艺对象，若N为正值，则回转工作台逆时针旋转N；若N为负值，回转工作台顺时针旋转N。

旋转过程中通过固定旋转靠模与气缸伸缩式定位轮实现外桶定心，防止运动过程中容器偏移中心位置。螺栓旋转定位装置如图3所示。

图3 螺栓旋转定位传感器

2.4 拧紧平台的设计

升降平台主体为位于同一平面的4个套筒扳手，其驱动力由4台步进电机提供，并配备减速比为1∶20的减速器[9]。拧紧平台是装置核心部件，故电机选型尤为重要。若电机功率过小，很容易出现“小马拉大车”的现象，使电机长期过载过热从而损坏；若电机功率过大，则功率因数和效率都较低，加重供电系统负荷，浪费电能[10-11]。

此装置针对的螺栓公称直径8 mm，强度等级为6.8，屈服强度480 N/mm2，根据普通螺栓拧紧力矩国家标准可知螺栓拧紧力矩范围为17～23 N·m，根据此项计算电机需求最低扭矩：

(4)

其中：T为扭矩；P为电机功率；n为电机转速。结合电机功率与转速，与需求拧紧力范围比较，即可选出合适的电机型号[12]。

套筒与螺栓的结合、分离由气缸与4根导向柱配合完成，升降平台较重且内部空间有限，故需要根据气缸输出拉力选择合适的型号。

(5)

由式(5)得知：可根据平台拉力F与气缸工作气压选择合适缸径D的气缸[13]。

螺栓拧紧(拆卸)控制模式由程序进行预定，采用对称均衡作业方式，按力矩梯度分2次拧紧。拧紧套筒内部连接扭矩传感器，用于实时扭矩监测。此装置选用上海隆旅LONGLV-NJL101系列扭矩传感器，其综合精度为0.5%FS(线性+重复性+滞后)，即0.25 N·m，输出灵敏度1.0～2.0 mV/V，响应时间不大于100 μs，在0～50 N·m内有效，满足控制需求。搭配LONGLV-62C扭矩信号放大器，可在18～30 V DC激励电压下，实现0～10 V的标准电压信号的变送输出，供PLC读取扭矩值。

拧紧过程中，通过比较设定扭矩与实时扭矩值控制扳手启停。PLC2读取扭矩传感器数值并进行模拟量处理，模拟量转换使用子程序标准化NORM_X和缩放 SCALE_X，转换公式为

(6)

式中：Xout为实际测量值；X1value为信号输入模拟量；X1max为传感器模拟量上限；X1min为传感器模拟量下限；X2max为传感器量程上限；X2min为传感器量程下限。

3 软件系统设计

3.1 控制主体流程

工人将部件放置于指定工位后启动装置，启动设备时定位机构与锁紧气缸将部件限制在正确位置。然后水平与垂直模组电机驱动机械爪抓取部件并组装。再利用引导丝配合旋转平台迫使螺栓状态改变，最后由扭力扳手进行定量拧紧后将成品送出。

程序执行时，首先会对各部件进行位置纠正，直到感应开关感应到正确位置。定位模块系统流程如图4所示。然后机械手对各部件进行组装，将组装后的容器送入拧紧工位，扶正机构会将螺栓全部扶正。最后拧紧平台对螺栓进行拧紧，第一次是对各螺栓预拧紧，一组螺栓拧紧后，外桶回转切换另一组螺栓，直至每颗螺栓预拧紧完成。预拧紧完成后进行正式拧紧，拧紧力矩达到设定值后完成整个工艺，最终将容器送回初始工位。控制系统流程图如图5所示。

图4 光纤定位模块流程

图5 控制系统流程

3.2 上位机程序设计

上位机采用MCGS昆仑通态触摸屏，该触摸屏自带组态与仿真开发工具。组态界面分为五大功能块：自动装配、自动拆卸、参数设置、手动控制、工艺组合[14]。

通过交换机连接触摸屏HMI与PLC，三者之间只需将PLC与HMI触摸屏IP地址设置到同一网段即可进行信息交互。如图6所示，调试界面下可以实时监测系统运行状态及相关参数。调试界面包含了各回转台调试、螺栓拧紧平台内部调试、气动系统调试等，可对整个工艺流程进行详细监控以及实现参数的可视化呈现[15]。

图6 HMI触摸屏界面

为了优化操作人员对设备的控制，通过HMI参数设定界面可以实时查询设备预设的各参数，并对运动参数等进行快速修改，从而确保设备运行时的高效及准确性。不仅如此，此套设备还具备报警功能，系统正常运行时，绿灯闪烁；设备运行故障时，红灯闪烁，并在HMI触摸屏界面输出故障代码，便于工人查看故障原因，从而有效进行快速检修，降低损失。