基于PLC的自動填料機控制系統設計

楊智勇，張凱洋，吳 專，王 君，楊 盼

YANG Zhi-yong1 , ZHANG Kai-yang1, WU Zhuan2, WANG Jun1, YANG Pan2

（1.湖北工業大學 機械學院機器人技術研究中心，武漢 430068；2.湖北省地質勘查裝備中心，武漢 430034）

0 引言

隨著我國經濟快速發展，各種礦產資源需求量急劇增加，為節約資源，避免對礦產資源粗放型的開采，因而對各種地質礦物的成分、含量都要有比較清楚地了解。地質礦產部門常常采用光譜分析方法勘查地質元素成分，該方法步驟為：首先，在野外采集巖土樣品，并在實驗室將樣品粉碎、研磨；其次，將研磨后樣品按批次放入坩堝內，并向坩堝中加入粉狀催化劑，利用振動攪拌儀器將坩堝內混料混合均勻；然后，將混合均勻后的樣品粉料裝填到相應結構的石墨電極內；最后，將裝有樣品混料的石墨電極進行光譜分析，計算樣品元素成份[1-4]。其中，光譜石墨電極主要應用于發射光譜、原子吸收光譜、氣體分析等領域，是光譜實驗分析中的重要載體。目前，上述四個步驟是相對獨立，且現有實驗室樣品填料工序主要通過人工作業，通過玻璃棒攪拌，使不同物品混合均勻，然后由填料工人將混料填充到碳棒內，該方式勞動強度大，生產效率低，混料攪拌均勻度不高，且在整個過程中礦樣粉末長時間暴露于空氣中，易產生粉塵飄散，污染實驗環境和其他實驗樣品，甚至對人體產生危害。

為提高實驗樣品元素成分光譜分析檢測效率，避免將攪拌均勻后的混料樣品移至自動填料裝置過程中造成樣品浪費及污染，提高檢測數據可信性，設計一款填料功能的智能化裝置顯得尤為重要。目前，工業自動化設備多采用PLC系統、DCS系統或工業PC系統等，其中，PLC系統適用于控制機械的生產過程，利用一種可編程存儲器執行邏輯運算、順序控制、定時、計算等操作，結合數字或模擬輸出輸入傳感器，對各種類型的機械自動化設備或生產過程進行控制；DCS是一種新型集散控制系統，該系統具有分散操作、集中控制、分級管理，組網靈活、組態方便等特點，從而使其系統可塑性強、可靠性高和開放性高，該系統主要應用于大型、復雜的工業控制系統，且控制效果良好；工業PC普遍用于自動化管理層，借助互聯網和信息化技術，通過工業PC構建服務器和客戶機自動化控制集群，實現企業內部集管理與控制于一體的信息交互綜合控制系統[5,6]。目前，Compact PCI 工控機是使用最為廣泛的工業PC。

目前，針對礦粉樣品填充至石墨電極流程中的控制需求，市場上并無相關功能需求的自動化設備，因此設計一套能實現礦粉樣品全自動填充裝置（簡稱自動填料裝置）顯得尤為重要?？紤]自動填料裝置控制系統主要執行邏輯運算且控制對象為邏輯控制，控制模式以流程控制為主，因此，本系統控制器選用PLC。其中，自動填料裝置控制系統的控制器采用三菱FX5U的PLC為核心控制器，以觸摸屏為人機界面，根據系統功能需求分析，搭建系統軟硬件架構，通過控制器分析處理自動填料裝置各類傳感器信號，使各功能模塊執行部件間有序控制，實現礦樣樣品自動進料與裝填，廢料回收及成品自動擺放等全自動化過程。

1 自動填料機結構組成及動作流程

如圖1為自動填料裝置實體圖，由圖可知，這些執行部件按實現功能可劃分為四部分：石墨棒下料模塊、石墨棒填料模塊、石墨棒收納模塊和清洗模塊。為實現裝置四部分功能模塊協調配合運行，完成礦粉密實填充至碳棒內，自動填料裝置執行部件由5套直線伺服電機模組、2套旋轉模組和9套氣動組件構成。其中，各功能模塊實現過程如下所述：

圖1 自動填料裝置實體圖

石墨棒下料模塊：該模塊工作流程為通過控制設置于料盒4正下方的擺動氣缸進氣與否帶動料盒前后往復移動，將料盒內部的石墨棒篩落至其正下方的料槽內，通過推碳棒直線模組7將料槽內的石墨碳棒推至均布于加工轉盤11上的漏斗孔內。

石墨棒填料模塊：首先，上料夾爪直線模組1的伺服電機順時針方向轉動，直線模組1的螺母帶著氣動夾爪14向前運動至放置于上料轉盤3上的坩堝正上方；然后，直線氣缸將放置于轉盤3上的坩堝2推出，并由夾爪14夾取坩堝；其次，直線模組1的伺服電機逆時針轉動帶著氣動夾爪14運動至漏斗15正上方，控制旋轉氣缸13進氣轉動，將坩堝2內的礦物樣品倒入漏斗15內；最后，控制塞料氣缸12前后移動將礦粉樣品壓入石墨棒內。

石墨棒收納模塊：該模塊由下料X軸直線模組6、下料Y軸直線模組9和下料Z軸直線模組8組成，通過各軸的位置控制將已加工好的石墨碳棒準確插入至收納盒10相應孔中。具體步驟為：石墨棒塞料工序完成后，控制器通過直線模組8和9的位置控制將氣動夾爪運動至接料位置，同時，直線模組6的伺服電機順時針轉動，帶動氣動夾爪運動至碳棒前方，由夾爪夾取碳棒；然后，控制旋轉氣缸將石墨棒豎直放置，通過直線模組6的伺服電機逆時針轉動帶動氣動夾爪運動至料盒10對應碳棒插孔的正上方；最后，由直線模組8正向運動，將碳棒插入孔內，完成已填料完畢后的石墨棒收納功能。其中，收納盒內的孔位均勻分布，各孔位置坐標已知，位置序號與上料轉盤坩堝序號一一對應。

清洗模塊：由于每個坩堝內礦粉樣品具有一定差異性，將礦粉樣品填充至碳棒后，需對加工轉盤11相應填料工位進行清洗，避免礦粉樣品殘余物影響下次填充礦樣的純潔度，造成礦粉樣品元素成分光譜分析檢測結果不準確，因此，該流程十分重要，填料裝置每填充完一根碳棒，均需對填料工位進行清洗，方便下次使用。該流程通過加工轉盤上的清洗氣嘴將附著于轉盤11漏洞上的礦粉樣品殘留物揚起，然后由吸塵氣嘴將含有礦粉樣品殘留物的粉塵吸除。

2 控制需求與策略分析

2.1 自動填料裝置需求分析

自動填料裝置采用三菱FX5UPLC控制器，通過威綸通觸摸屏與PLC控制器進行人機交互，需實現如下功能：

1）為保證系統穩定性和可靠性，需對設備各執行單元運行狀態實時監控，并能在觸摸屏上顯示其狀態信息。當設備發生故障時，設備能自動停止工作，蜂鳴器和警示燈發出警報信號，并能在觸摸屏上查詢設備運行日志，記錄故障發生時刻、類型及原因，待故障解除后，再次按下啟動鍵，設備能繼續工作。

2）緊急停止請求，設備運行過程中可能會出現非操作性故障，如料盒卡料、電機丟步和碳棒損壞等，所以應在設備上安裝急停開關，一旦發現設備出現故障，實驗人員按下急停按鈕，設備能立刻停止工作，減少損失。

3）自動填料裝置各功能模塊應能按動作規劃有序運行，填料效率為25秒/根。

4）通過觸摸屏能對各模塊參數指標在線修改，能手動控制各執行部件。

5）自動填料裝置對各執行部件的配合精度要求較高，搭建控制系統時要盡可能保證其精度。

2.2 控制策略

通過傳感器信號變化監控裝置各功能模塊運行狀態，PLC控制器綜合分析和處理多個傳感器信號變化，根據不同類型的信號變化，控制各執行功能模塊采取相應策略[7,8]。如圖2為自動填料裝置控制系統框圖，由圖可知，該控制系統由狀態檢測系統、控制決策系統、執行機構及動作引擎庫構成，其中，狀態監測系統包括功能模塊各類傳感器，如原點位置檢測傳感器、極限位置檢測傳感器、磁性開關傳感器、碳棒檢測傳感器和坩堝檢測傳感器等，通過各類傳感器的狀態信息實時監控動作引擎庫內各類執行機構的運行狀態，PLC作為控制決策處理器，根據狀態檢測系統內各類傳感器信息，控制執行機構內各功能模塊的驅動器和電磁閥實現相應動作需求。

圖2 控制系統框圖

人機交互模塊選用威綸通的觸摸屏，通過觸摸屏作為上位機顯示系統各模塊工作狀態，如傳感器信號變化、電機運行參數和氣動執行器的動作狀態等，并能在線修改各功能模塊的運行參數及對各功能模塊發送控制指令；此外，當裝置發生報警或者其他運行錯誤時，能在觸摸屏報警窗口上顯示錯誤信息，為系統的故障查找及排除提供參考。如圖3為自動填料裝置系統伺服軸間信號交互圖，由圖可知，人機交互模塊作為系統的上位機，對自動填料裝置的各功能模塊進行控制；各功能模塊通過PLC控制器對各軸所設置的狀態標志位進行修改，實現自動填料裝置工作流程的銜接，實現所需功能，具體操作流程為：首先，操作人員按下觸摸屏界面上的啟動控件，系統對各軸發送初始化指令，控制各軸運動至原點位置；然后，控制器發送上料請求信號，抓料軸夾取上料轉盤上的坩堝，運動至加工轉盤漏斗正上方，并發出請求推棒信號；碳棒推至填料工位后，發送請求放料信號，抓料軸通過旋轉氣缸將坩堝內的礦料倒入漏斗，由塞料氣缸將礦粉樣品密實填充至碳棒內；動作完成后，控制推碳棒軸、抓料軸和上料轉盤軸回到待工作位置，并發送上料完成信號；上料完成后，發出請求碳棒收納請求，控制下料XYZ軸將已填料碳棒放入至收納盒對應孔內，并通過氣泵和離心泵清洗模塊，至此，整個工作流程結束。

圖3 伺服軸信號交互圖

3 自動填料機控制系統軟硬件設計

3.1 硬件設計

為了保證系統控制的精準性，且滿足系統的功能需求，自動填料機硬件部分由PLC模塊、觸摸屏模塊、傳感器檢測模塊、電機及其驅動器等組成。如圖4為自動填料機硬件結構圖，三菱FX5UPLC作為整個控制系統的控制器，結合多源傳感器信息融合技術，通過綜合分析處理各傳感器的信號變化，判斷自動填料機的運動狀態，同時發出相應的驅動指令控制對應的執行部件協調動作，完成系統各部分的工作任務。

3.1.1 PLC控制模塊

圖4 自動填料機硬件結構圖

PLC選型之前需要根據控制要求，分析控制系統所需的輸入設備（開關、傳感器、磁性開關等）及輸出設備（伺服電機驅動器、報警指示燈、電磁閥等），從而確定PLC的I/O點數[9]。根據自動填料裝置功能需求，選用日本三菱微型可編程控制器，型號為FX5U-80MT/ES-A，其輸入點數為40，輸出點數為40，內置4軸定位。自動填料裝置系統PLC控制器的輸入輸出I/O分配如圖5所示，由圖可知，PLC控制器I/O分配包括輸入模塊和輸出模塊。其中，輸入模塊用來接收和采集輸入信號，如伺服軸的原點信號、極限限位信號、磁性開關信號和光纖信號等；輸出模塊用來接收控制器處理過的數字信號，將其轉化為執行部件能夠接收的信號，控制放大器、電磁閥和警示燈。

根據自動填料裝置執行部件需求分析可知，控制系統需要七根軸完成相應動作需求，而選用的三菱FX5UPLC控制器只能控制四根軸，故需要添加定位模塊，增加控制軸的數量。定位模塊選用三菱可編程控制器MELSEC IQ-F系列的簡易運動控制器模塊，型號為FX5-40SSC-S，其自身內置4軸定位，通過SSCNETⅢ/H總線與伺服放大器連接。

圖5 PLC輸入輸出分配圖

3.1.2 傳感器檢測模塊

為了提高自動填料裝置系統穩定性和自動化程度，需要安裝合適的傳感器檢測自動填料裝置各部分的運行狀態，并將傳感器的信號變化反饋給PLC控制器[10]，PLC通過綜合處理各類傳感器的信號變化，依次發送程序指令執行下一步動作流程。自動填料裝置系統使用的傳感器型號及其作用如表1所示。

表1 傳感器型號及其功能

由于對系統工作精度要求較高，光電傳感器具有檢測精度高，響應速度快等優點，因此選其作為直線模組的位置檢測信號；為提高系統的穩定性，需對系統中的氣動部件的運動狀態進行檢測，故在各個氣動元件上安裝磁性開關以達到檢測目的；為保證自動填料裝置工作過程的容錯率和效率，在各夾爪末端安裝對射光纖檢測夾爪是否完成夾取動作，在料盒底部安裝反射光纖檢測料盒內有無碳棒，避免系統在未夾取成功時進行空流程運行，影響工作效率。

3.2 軟件設計

3.2.1 人機交互

為方便操作人員操作、控制、修改系統參數，自動填料裝置系統配置人機交互模塊顯得尤為重要。人機交互模塊需要體現系統的運行參數及工作狀態，為提高系統的智能化程度，人機交互模塊需添置錯誤診斷功能，便于操作人員維修系統。自動填料裝置系統選用維綸TK6070i型觸摸屏作為人機交互界面，與主控制器PLC通過的RS-485串口通信。觸摸屏作為自動填料機系統的上位機，操作人員可通過觸摸屏對當前自動填料機設備進行初始化、啟動、暫停、停止操作，也可以通過觸摸屏修改設備的運行參數，監控設備的運行狀態。系統發生故障報警時，報警信息將在觸摸屏上顯示，方便操作人員及時檢查設備的問題并解決故障。

觸摸屏界面采用維綸界面編制軟件Utility Manager進行設計，觸摸屏界面的主界面包含對其他各個操作界面的集成，通過主界面可以進入其他操作界面；運動控制界面主要包括對設備的啟停操作；手動操作界面是對各個氣缸進行手動操作；監控界面包括對系統運行到哪一工位進行實時監控和對系統故障的顯示，當系統出現報警時，相應的信號燈會閃爍并且蜂鳴器會啟動，提醒操作人員系統故障。操作者可以通過觸摸屏對設備進行啟停操作、運行監控、參數設置等操作。觸摸屏主要界面如圖6所示。

圖6 人機界面

3.2.2 PLC主程序設計

自動填料裝置系統使用三菱PLC的編程軟件GX Works3對主控制器進行編程，根據被控對象的工作流程和控制要求，將自動填料裝置總流程劃分為四個模塊，為了降低程序的復雜度，使程序設計、調試和維護等操作簡單化，在程序設計上也對各功能采用模塊化編程，對各伺服軸進行子程序設計，在模塊化程序設計時，反復調用子程序，實現各部分功能。各模塊完成各自工作后，將改變程序輔助繼電器的標志位，通過標志位的變化，同時結合傳感器信號，實現各模塊間的有序協作。主程序設計采用梯形圖編程，使用順序控制法實現編程。主控制器PLC的程序通過以太網端口與電腦進行上傳與下載。

根據系統的控制需求，PLC控制流程如圖7所示，由圖可知，系統啟動后，在觸摸屏上點擊復位按鍵對控制系統進行初始化操作，初始化成功后，點擊啟動按建，系統開始運行；當系統啟動后，石墨棒下料模塊開始率先工作，同時石墨棒填料模塊和石墨棒收納模塊進入到待加工的工位，等待下料模塊流程結束信號；收到結束信號后，兩個工位開始協調動作，直至完成各部分的工作流程后，重新回到待加工工位繼續等待新一輪的下料流程結束信號，同時下料模塊又重復新一輪的工作，周而復始，實現流水線生產加工。

圖7 PLC程序流程圖

自動填料裝置系統在工作過程中，通過傳感器信號，控制器要對執行機構的運動位置實時控制，絲桿模組的定位取決于伺服電機的動作，選用的控制伺服電機的方式是位置控制，通過控制器給伺服放大器脈沖數，控制電機的運轉。在多個工作位置均需要高精度的定位完成，所以PLC程序需要對各工作位置進行實時監控并反映在觸摸屏上，以上料模塊程序監控部分為例，PLC梯形圖的程序如圖8所示。

4 實驗結果分析

如圖9為自動填料裝置，由圖可知，該裝置由人機交互模塊、工作結構和控制柜等構成，自動填料裝置分上下兩層，其中人機交互模塊和工作結構位于機箱上層，控制柜位于機箱下層。人機交互模塊作為系統的上位機對自動填料裝置的工作狀態進行實時監控；圖10(a)為工作結構圖，工作結構由石墨棒下料模塊、填料模塊、收納模塊和清洗模塊等組成；圖10(b)為自動填料裝置的控制箱，控制箱由空氣開關、PLC控制器、驅動器和電磁閥等組成，其中，空氣開關為整個裝置控制電路正常工作提供安全保障；PLC為系統的主控，用于實現整個裝置的動作流程控制；驅動器和電磁閥與PLC的輸出模塊相連，用于接收PLC的指令并驅動相應的執行機構動作，各功能模塊間協調有序工作，實現自動填料功能。

圖8 上料模塊位置監控程序

圖9 自動填料裝置

圖10 工作結構和控制柜實物圖

為提高自動填料裝置的填料效率和可靠性，對自動填料裝置各功能模塊間的動作協調性進行改進優化，通過對動作順序和節拍進行優化，并調整伺服驅動器的增益參數。下面對優化內容說明：

1）優化動作順序。優化部分為石墨棒下料模塊和石墨棒填料模塊之間的動作順序，未優化前動作順序為：推碳棒軸將碳棒推至待加工工位后，上料夾爪軸夾取坩堝并運動至加工轉盤漏斗的正上方，并將坩堝內的礦料倒入漏斗內，待碳棒填料完成后，推碳棒軸和上料夾爪軸運動至等待位置后加工轉盤軸再運動；優化過后的動作順序為：推碳棒軸和上料夾爪軸同時動作，完成各自的動作后再返回等待位置，與此同時加工轉盤軸并行動作。

2）優化動作節拍。減少石墨棒填料模塊動作的等待時間，將上料夾爪夾取坩堝的延遲時間由1S改為0.3S；將頂料氣缸接坩堝縮回延時時間由0.8S改為0.3秒；將塞料氣缸工作縮回延時時間由0S改為0.3S。

3）優化驅動器參數。減小速度積分時間常數，具體為將電機啟動加速時間和減速時間由1S改為0.1S，以提高電機驅動的加減速率。

自動填料裝置上料轉盤整盤料個數和收納盒孔位數均為54個且一一對應，以填料完整盒料盒作為一個實驗單元，為了驗證優化效果，現分別對動作順序、節拍和驅動器增益參數調整前后各做10組實驗，表2為實驗數據記錄表，圖11為實驗結果數據分析圖。

表2 實驗數據記錄表

表2 （續）

圖11 驗結果數據分析圖

由實驗結果可知，未優化前每根石墨棒的平均加工用時為24.92秒，加工整盒料平均用時1346秒；優化動作流程后每根石墨棒的平均加工用時為23.61秒，加工整盒料平均用時1275秒，較優化前單根石墨棒加工用時提高了1.31秒，加工整盒料平均用時較優化前提高近1分鐘；優化動作節拍后每根石墨棒的平均加工用時為24.24秒，加工整盒料平均用時1309秒，較優化前單根石墨棒加工用時提高了0.68秒，加工整盒料平均用時較優化前提高了37秒；優化驅動器參數后每根石墨棒的平均加工用時為22.80秒，加工整盒料平均用時1231.2秒，較優化前單根石墨棒加工用時提高了2.12秒，加工整盒料平均用時較優化前提高了近兩分鐘；同時優化動作流程、節拍和驅動器參數后每根石墨棒的平均加工用時為21.85秒，加工整盒料平均用時1180.6秒，較優化前單根石墨棒加工用時提高了3.07秒，加工整盒碳棒平均用時較優化前提高了近3分鐘。從實驗結果得出，對自動填料裝置的動作順序、節拍和驅動器參數同時進行優化后，效果提高顯著，加工整盒料平均用時提高近三分鐘，且自動填料裝置系統的運行穩定，可靠性高，正常工作過程中無出錯情況。

5 結語

針對制作光譜實驗分析石墨棒所存在的問題及難點分析，設計一套光譜實驗樣品智能處理系統。該系統采用PLC控制器、觸摸屏及傳感器技術研制一款高自動化實驗裝置，能實現光譜石墨棒上料、填料、下料和清洗等功能。該設備彌補了我國光譜實驗室制作填料石墨棒通過自動化設備的技術空白，通過實驗證明該裝置能有效克服石墨棒填料過程中所遇到的相關問題，提高了填料效率，降低了人工成本，增強了我國光譜實驗室的自動化水平。該裝置具有十分可觀產業化前景。