基于Controller Link网络的自动装料装置控制系统

上海师范大学机电学院(1) 华东理工大学信息科学与工程学院(2) 论述了自动装料装置的系统组成、控制方案确定、控制系统软硬件设计，并设计了基于Controller Link网络的PLC与智能终端、上位机的通信方法。自动装料装置大大提高了装料效率和装科量。 1 引言 在粉末冶金生产线上，天然矿物质需要经过十分复杂的化工分解和提取过程，得到所需要的粉状冶金材料，这种粉状材料需要烧结成不同形状的块状物料。为了提高烧结效率，需要把块状物料集中排列成共6层、每层25列×17行的料舟方式。 在实际生产中，一直是人工进行装料，劳动强度大，效率低，而且物料排列不整齐，远远达不到6层×25列×17行＝2550块物料的装料量，这样在烧结装置中进行烧结时，能同时烧结的物料数量就远远小于烧结装置的烧结能力，既浪费了大量的能源。又大大减弱了整条生产线的生产能力。本文研制的自动装料机可以按既定要求实现自动装料，可增加10％的装料量，不但减轻了人工劳动强度，而且提高了生产效率。 2 系统组成及工作过程 装料装置的测控方案如图1所示，物料传送机构1连续不断地把物料传送到机械手2位置，当满25块时，机械手动作并抓料前进，将物料准确摆放在装料格板4上，每层格板可装17行，为提高每层格板的装料量，相邻的行与行之间需要半个物料块的错位位移量。当摆满一层物料后，装料工作台3自动下降一个层高。然后电磁吸盘5分别通过X、Y方向的两个气压缸将另一块空格板白动放在装料工作台上，再重复另一层物料的装料过程，直到装满6层为止，一个装料过程循环结束。然后由电动推舟装置6将满舟物料推至辊道传送装置7，最后传送到烧结装置进行烧结。 图1 装料装置测控图 3 控制系统总体设计 3．1 控制方案 （1）机械手控制。机械手主要完成抓料、取料、送料等过程，为了充分利用空格板的有效空间容量，提高每层装料量，在第2、4、6、8、10等偶数行装料时，机械手在Y轴方向需要有半个物料直径的错位运动，每完成一行的装料过程，机械手在X轴方向的运动距离就相应变小，因此机械手在X、Y轴方向的变行程运动分别采用步进电机D1、D2控制，Z方向为固定行程，采用气缸控制机械手的上升与下降。 由于物料沿传送带“一”字形排列，所以机械手设计为长条形结构，利用气动回路进行控制机械手的抓料和放料，为防止在抓料和放料过程中损坏物料，需现场调整机械手的气动抓取力。 （2）装料工作台。为简化机械手的运动形式，当摆满一层物料后，装料工作台自动下降，下降距离为物料高度和空格板厚度的总和。为适应不同高度物料的装料，采用步进电机D3精确控制装料工作台的上升与下降。 （3）电磁吸盘。完成一层的装料过程后，采用电磁铁控制的机械吸盘可吸取装料空格板，然后利用电磁阀分别控制X、Y方向的气缸，将空格板自动放在装料工作台上。 （4）推舟装置。完成6层装料过程后，装料工作台就把装好的满舟物料升高至装料前的原始位置，推舟装置采用交流电机M2驱动，把物料推至传送辊道，要确保推舟速度慢而平稳，力矩均匀。 （5）料舟输送机构。为便于充分、均匀地烧结物料，没有在6层满舟物料外面设计其它的固定装置，这就要求输送机构必须平稳起动、运行、停止。采用交流电机M3通过机械结构驱动辊道低速而平稳地输送料舟。 3．2 控制系统硬件设计 （1）核心控制器。采用Omron公司的CJIM高速超小型PLC，采用CJIM—CPU23、32KB、CJIM—PA205R电源模块，16点输入单元CJlM-ID211，16点输出单元CJIM-OC211。双轴位置控制模块CJIM—NC203用于步进电机和交流伺服电机的精确位置控制。控制系统框图如图2所示。 （2）网络连接。Controller Link是一种控制层的N：N令牌总线网络，在装舟装置PLC上安装一块Controller Link单元CJIM—CLK21，并与生产线上其它控制设备的Controller Link单元采用双绞屏蔽电缆连接，传输速度可达2Mbps，最多可连接32个PLC站点。在工厂现场实现以一种全功能的FA网络形式连接PLC并传输数据，通过上位计算机可监控各设备的PLC操作、编辑PLC程序以及读／写PLC数据等。 （3）人机界面。在装料装置附近设置一台NS10可编程智能终端，它也是基于Controller Link网络的人机界面，它通过双绞屏蔽电缆接人Controller Link网络，其网络地位与各设备的PLC相同。这样，一台NS10可编程智能终端可与装料装置附近的多台设备实现人机交互功能，其通信速度要比利用RS-232C接口的通信方式快。通过智能终端可以迅速获取、处理系统运行过程中的数据并进行显示，可实现手动、自动等多种控制方式。除进行正常的控制操作外，还需要人工将料舟编号等信息输入智能终端，便于产品质量跟踪。 4 软件设计 4．1 主程序 程序设计采用按功能划分的模块化结构，包括主程序、机械手取料送料子程序、空格板放置及装料工作台升降子程序、推舟及满舟传送子程序等，其程序框图如图3所示。 4．2机械手定位数据的传送 位置控制模块CJIM-NC203最多只能预置20组不同的定位数据，对于同一规格的物料，机械手在X轴方向只需17组不同的位移量，可以满足定位要求。当需要处理不同规格的物料时，机械手在X轴和Y轴方向的位移量都将发生变化。利用位置控制单元的数据传送（Transfer Data）功能，可自动更新DMl022-DMl099数据通道中的内容，程序可按新传送的Se•quence00至Sequence#19中的位移指令脉冲控制机械手的运动距离。 4．3步进电机位移纠偏措施 在满足工艺要求的前提下，为简化控制系统，机械手在X、Y方向的运动和装料工作台的升降运动采用了开环步进电机控制系统。为弥补开环控制的不足，防止脉冲丢步，分别在每层第1和第8行装料时让机械手X方向步进电机重新确认原点。完成一个装料循环后，装料工作台重新确认原点。 步进电机的齿轮间隙误差一般较小，可在编程时通过脉冲预置的方法消除误差。 4．4中断程序 CJIM的CJIM—CPU23可提供4个中断输入功能，控制系统设有急停、暂停、气源压力异常、步进电机前后限位等信号作为外部中断输入，当PLC检测到这些信号时，可根据故障等级执行紧急停机、安全停机和正常停机，及时处理故障，确保设备和人身的安全。除PLC的CPU故障外，对于一般故障，系统应能保留故障前的数据状态，可以重新投入自动运行，对于严重故障，应能通过设计的手动和点动控制功能手动处理故障后的工序。 5 结束语 该装置可实现自动送料、机械手精确摆放物料、自动放空格板、自动推料舟和传送满料舟等功能，自动化程度高，并充分利用网络功能实现生产线的数据通信和资源共享，提高了生产效率，各项技术指标均符合设计要求，使用状况良好。