李曉林， 趙賢林

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 江蘇 南京 210031)

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基于PLC的PU在線振搖機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

李曉林， 趙賢林

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 江蘇 南京 210031)

針對一種PU在線振搖機(jī)設(shè)計了基于PLC的氣缸驅(qū)動的電氣控制系統(tǒng)。首先介紹了振搖機(jī)的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)以及它的工作流程和原理，然后根據(jù)振搖機(jī)的工作原理與工藝過程，完成了系統(tǒng)的硬件配置與軟件設(shè)計，包括控制電路的分析、PLC的機(jī)型選擇、I/O地址分配及接線、PLC程序設(shè)計。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全自動、急停、復(fù)位等功能，具有操作簡單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。其次，系統(tǒng)基于MCGS嵌入版組態(tài)軟件，設(shè)計了MCGS觸摸屏作為人機(jī)交互界面，使其與PLC進(jìn)行通訊，獲取實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)，同時加入了系統(tǒng)手動調(diào)試界面，為系統(tǒng)的調(diào)試帶來了很大的方便。該系統(tǒng)經(jīng)過一個月的現(xiàn)場運(yùn)行測試，表明本系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠，能夠滿足現(xiàn)有的30瓶/次的在線實(shí)時振搖。

可編程邏輯控制器； 振搖機(jī)； 組態(tài)軟件

0 引 言

聚氨脂泡沫(Polyurethane Foam, PU)在線振搖機(jī)是一種在生產(chǎn)流水線上對已經(jīng)封裝完成的化學(xué)藥劑進(jìn)行搖晃使其充分混合均勻的設(shè)備。在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域都離不開振搖這一環(huán)節(jié)，如在農(nóng)藥[1]、噴霧劑、消毒液[2]等領(lǐng)域中，都有化學(xué)藥劑封裝后必須將其進(jìn)行搖晃使其混合均勻的工藝過程。研究一種適于流水線振搖機(jī)自動控制系統(tǒng)代替人工振搖動作是適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新的需要[3]。本文針對PU在線振搖機(jī)設(shè)計了一套基于PLC的自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對它的在線實(shí)時控制。首先介紹了振搖機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作流程與原理以及可編程邏輯控制器的結(jié)構(gòu)等；然后根據(jù)振搖機(jī)的工藝流程來設(shè)計了控制系統(tǒng)的硬件電氣原理圖、系統(tǒng)控制程序。該系統(tǒng)通過實(shí)際在線調(diào)試，表明整個自動控制是穩(wěn)定、可靠的，符合工業(yè)生產(chǎn)的在線控制要求。

1 PU在線振搖機(jī)簡介

1.1 結(jié) 構(gòu)

PU在線振搖機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、容易維修等特點(diǎn)，對藥劑的充分混合具有很好的效果。該設(shè)備結(jié)構(gòu)主要由前端制動星輪、后端擋板、機(jī)械臂、提升裝置、氣囊、接近開關(guān)、光電開關(guān)組成。

制動星輪安裝在流水線生產(chǎn)臺上機(jī)械臂的前端處，負(fù)責(zé)是否阻止藥劑瓶進(jìn)入機(jī)械臂；光電開關(guān)安裝在制動星輪和后端擋板的位置，來記錄進(jìn)入機(jī)械臂和從機(jī)械臂出去的藥劑瓶的數(shù)量；后端擋板安裝在藥劑瓶從機(jī)械臂出去的位置，當(dāng)藥劑瓶進(jìn)入機(jī)械臂時阻擋藥劑瓶從機(jī)械臂后端離開；提升裝置安裝在機(jī)械臂的下端，用來將機(jī)械臂提升到振搖位置；氣囊安裝在機(jī)械臂兩側(cè)，用來給機(jī)械臂提供振搖動力；機(jī)械臂用來夾緊進(jìn)入兩臂之間的藥劑瓶；接近開關(guān)用來判斷機(jī)械臂、提升裝置的位置[4]。

1.2 工作流程及原理

振搖機(jī)設(shè)備所有的可以動作的部件都由氣缸的收縮來驅(qū)動。在生產(chǎn)過程中，當(dāng)封裝好的藥劑瓶通過該設(shè)備時，首先通過前段擋板處，此時前端制動星輪處于收縮放行狀態(tài)，后端擋板處于伸張關(guān)閉狀態(tài)，在前段制動星輪處裝有一光電開光負(fù)責(zé)計數(shù)[5]。當(dāng)計數(shù)完成達(dá)到預(yù)設(shè)的數(shù)目時，前端制動星輪馬上處于伸張關(guān)閉狀態(tài)，阻止流水線上的藥劑瓶進(jìn)入前后擋板之間，同時機(jī)械臂的一只臂伸張將進(jìn)入兩擋板之間的藥劑瓶夾緊，然后提升裝置將夾著藥劑瓶的機(jī)械臂提升到一定位置，通過接近開關(guān)檢測到機(jī)械臂提升到位后鎖緊氣缸將提升裝置下端鎖緊，防止機(jī)械臂搖晃時導(dǎo)致提升裝置下降出現(xiàn)事故，之后機(jī)械臂在氣囊的鼓動下來回?fù)u晃，使藥劑混合均勻[6]。在后端氣囊處裝有一個接近開關(guān)來記錄振搖次數(shù)，當(dāng)振搖次數(shù)達(dá)到提前所設(shè)定的數(shù)目后，氣囊停止工作，機(jī)械臂停止振搖，此時，鎖緊氣缸收縮，然后提升裝置下降，下降到位后機(jī)械臂的一只臂收縮不再夾緊，后端擋板處于收縮放行狀態(tài)，藥劑瓶在皮帶的作用下依次從擋板間離去，同樣在后端擋板出也裝有一個光電開關(guān)負(fù)責(zé)計數(shù)，當(dāng)計數(shù)完成時，后端處于擋板伸張關(guān)閉狀態(tài)，前端制動星輪處于收縮放行狀態(tài)，此時開始下一個循環(huán)[7]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 研究內(nèi)容

依據(jù)振搖機(jī)的工作原理及生產(chǎn)工藝過程來進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(包括硬件與軟件編程)和人機(jī)界面的設(shè)計[8]。其中主控系統(tǒng)采用PLC控制，能夠滿足振搖機(jī)的生產(chǎn)工藝要求，能夠?qū)崿F(xiàn)自動、半自動以及手動操作，便于調(diào)試，運(yùn)行中可實(shí)現(xiàn)正常停止、急停。人機(jī)界面采用組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計，可以設(shè)置管理員賬戶和密碼，還可以進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，查看當(dāng)前的振搖次數(shù)、進(jìn)入振搖機(jī)的產(chǎn)品個數(shù)、離開振搖機(jī)的產(chǎn)品個數(shù)等數(shù)據(jù)，方便工作人員監(jiān)視查看。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制器選型的根據(jù)主要是機(jī)械設(shè)備工作時的流程和特點(diǎn)。PLC以及相關(guān)設(shè)備器材應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)的、集成的，依照容易與工業(yè)生產(chǎn)控制的系統(tǒng)構(gòu)成一個整體和易于擴(kuò)展功能的規(guī)則[9]。根據(jù)PU在線振搖機(jī)的工業(yè)過程，選用西門子S7-200PLC作為主控制器[10]。通過控制中間繼電器來控制電磁閥,通過電磁閥來控制氣缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)振搖機(jī)工作[11]。電磁閥需要24 V直流供電， 并且PLC的輸入端和輸出端也需要24 V直流供電。根據(jù)振搖機(jī)控制系統(tǒng)的要求，對系統(tǒng)控制的I/O地址進(jìn)行了具體分配如表1所示。

表1 輸入輸出I/O地址分配表

2.3 控制系統(tǒng)外部接線原理圖設(shè)計

現(xiàn)根據(jù)以上的統(tǒng)計和選擇對控制系統(tǒng)的外部接線原理圖設(shè)計如圖1所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)流程圖

根據(jù)振搖機(jī)的工作流程及生產(chǎn)工藝畫出系統(tǒng)的工作流程圖，見圖2。

圖1 PU在線振搖機(jī)機(jī)械設(shè)備實(shí)物圖

圖2 系統(tǒng)流程圖

3.2 程序調(diào)試

在程序設(shè)計中，根據(jù)工藝要求，當(dāng)后端計數(shù)完成后，前端制動星輪才會縮回。所以需要針對此問題優(yōu)化調(diào)試程序如圖3所示。將后端計數(shù)分別用兩個計數(shù)器來計數(shù)，當(dāng)C30計數(shù)到5個時，前端制動星輪縮回，C10開始計數(shù)，當(dāng)C10計數(shù)到25時，后端擋板伸出[12]。在主程序運(yùn)行時，會調(diào)用復(fù)位子程序和振動子程序。當(dāng)調(diào)用這些子程序，執(zhí)行完子程序后，返回到主程序繼續(xù)運(yùn)行如圖4所示。

3.3 人機(jī)界面設(shè)計

為能夠?qū)崟r獲取工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，設(shè)計組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，對振搖機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和一些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行讀取，從而在監(jiān)控界面中，方便工作人員及時了解振搖機(jī)的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)。界面編制用到組態(tài)軟件，它具有開發(fā)周期、開放性好、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)[13]。

圖3 主程序調(diào)試

圖4 子程序調(diào)試

圖5 手動調(diào)試窗口

當(dāng)振搖機(jī)發(fā)生事故或故障時，設(shè)計了振搖機(jī)手動調(diào)試窗口如圖5所示。

在組態(tài)工程建立完畢之后，在MCGS嵌入版組態(tài)軟件的文件下拉菜單中選擇進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境選項，在彈出的窗口中點(diǎn)擊工程下載，點(diǎn)擊啟動運(yùn)行，進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境，在此界面中可以登錄系統(tǒng)和進(jìn)行賬戶設(shè)置，在賬戶設(shè)置里可以修改密碼和添加用戶，不過只有管理員負(fù)責(zé)人有權(quán)限添加和刪除用戶[14]。點(diǎn)擊登錄，輸入相關(guān)負(fù)責(zé)人或操作員的用戶名和密碼，點(diǎn)擊確定會到成功登錄界面，登錄到系統(tǒng)[15]。點(diǎn)擊進(jìn)入系統(tǒng)后，會首先進(jìn)入到PU振搖機(jī)實(shí)時監(jiān)控平臺，在這個界面可以監(jiān)控當(dāng)前進(jìn)入機(jī)械臂之間的藥劑瓶數(shù)量和從機(jī)械臂出去的藥劑瓶數(shù)量，以及從啟動到停止從機(jī)械臂出去的瓶子的總數(shù)，還可以監(jiān)控當(dāng)前振搖次數(shù)，并且通過增加和減少震動次數(shù)可以修改振搖次數(shù)。系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 實(shí)時監(jiān)控界面

圖7 電氣控制系統(tǒng)實(shí)物圖

點(diǎn)擊切換，會切換到PU振搖機(jī)手動調(diào)試界面，如圖，在此頁面可以翻邊地控制振搖機(jī)設(shè)備的每一個動作，可以手動控制振搖機(jī)一步一步運(yùn)行，通常是在機(jī)械設(shè)備出故障的情況下維修的時候使用，非工作調(diào)試人員請勿隨意點(diǎn)擊此界面，尤其是在運(yùn)行過程中，否則將會導(dǎo)致事故發(fā)生。繼續(xù)再當(dāng)前頁面點(diǎn)擊切換的會切換到監(jiān)控界面，點(diǎn)擊返回，會返回到登錄成功的界面。

5 系統(tǒng)調(diào)試分析

根據(jù)系統(tǒng)工藝以及硬件和軟件設(shè)計方案，設(shè)計電氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2014年7月在南京浦口氣霧劑專用設(shè)備制造廠進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，經(jīng)過一個月的運(yùn)行測試，結(jié)果表明本系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠，完全能夠滿足現(xiàn)有的30瓶/次的在線實(shí)時振搖。

6 結(jié) 語

本文介紹的PU在線振搖機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計，具有操作簡單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，對藥劑的充分混合具有很大的作用。目前已經(jīng)開始應(yīng)用于GQZY-30型機(jī)器流水線上，并獲得實(shí)用新型專利[15]。本設(shè)計可通過進(jìn)一步的改造，更廣泛應(yīng)用于其他類似需要進(jìn)行振搖控制的儀器設(shè)備，市場前景頗為廣闊。

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·名人名言·

聰明的資質(zhì)、內(nèi)在的干勁、勤奮的工作態(tài)度和堅韌不拔的精神。這些都是科學(xué)研究成功所需的其他條件。

——貝費(fèi)里奇

Design of Control System of PU Online Vibration Rolling Machine Based on PLC

LIXiao-lin,ZHAOXian-lin

(College of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210031， China)

For a kind of PU online cylinder driving vibration machine, its control system was designed based on PLC. First, the basic mechanical structure of the vibration machine and its working process were introduced. Then according to the principle of vibration wave machine and the technological process, the hardware configuration and software design of the system were completed, including the analysis of the control circuit, PLC model selection, I/O address allocation and PLC program design. The functions of automatic control, stop, reset etc were realized. The system has the advantages of simple operation, high reliability, strong anti-interference ability, stable and convenient maintenance etc. Second, human-computer interaction interface was designed via configuration software MCGS embedded edition. It can communicate with PLC and get real-time monitoring data. At the same time, a manual debugging interface was added, it could bring great convenience for the system debugging. The result of a month field running test showed that the system was stable, reliable and could satisfy the 30 bottles/online real-time vibrating.

programmable logic controller; rolling machine; configuration software

2015-08-13

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)-科研平臺實(shí)驗(yàn)技術(shù)人才基金資助 (KJSY201518)

李曉林(1973-)，女,土家族,貴州思南人,本科，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：實(shí)驗(yàn)室儀器的應(yīng)用與開發(fā)。

Tel.：13851637152; E-mail：lixiaolin@njau.edu.cn

TP 273

A

1006-7167(2015)12-0110-04