CN110053979A - 一种基于plc的铝锭码垛机控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PLC的铝锭码垛机控制系统及控制方法，属于自动控制技术领域。本发明由执行模块、测量模块、控制模块和监控模块组成，采用光电传感器感应设备对物件经行检测定位，控制铝锭的翻转。翻转好的铝锭在码垛台上排成一排，PLC接收到一层铝锭已码好的信号后控制伺服驱动器启动码垛机械臂伺服电机，将铝锭层抓起运送到激光打标传送履带上。码垛机械臂的上下移动距离靠超声波传感器与上下限位接近开关相结合进行控制，左右移动范围由两侧的行程接近开关控制，加减速由相应动作的加减速接近开关控制以及机械爪的开闭与旋转由电磁阀控制。本发明采用PLC控制，使铝锭码垛实现了自动化分拣，提高了铝锭码垛的速度，避免了危险事故的发生。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于PLC的铝锭码垛机控制系统及方法，属于自动控制技术领域。
背景技术
铝锭出厂前需经过码垛、打捆、称量等道工序。早先许多厂家铝锭码垛由人工完成，劳动强度大，且码垛不齐，以至以称重、保管、运输中出现散包现象。码垛技术是物流自动化技术领域的一门新兴技术，特别是近年来在运输工业领域占有非常重要的地位。随着国民经济的发展和生产规模的扩大以及机械自动化水平的提高，码垛技术,特别是机器人码垛技术以其在机械结构、适用范围、设备占地空间、灵活性、成本以及维护等方面的优势使其应用渐为广泛,并成为一种发展趋势。在我国电解铝行业中机器人码垛技术的发展也是日新月异。我国电解铝厂目前所采用的铝锭堆垛机有两类,一类为国产的 6t/h 半自动铝锭堆垛机和 16t/h 全自动铝锭堆垛机;另一类为进口的铝锭堆垛机。国产的半自动铝锭堆剁机,虽成本较低,但效率低,可靠性差,理论最高产量 6t/h,这些小型半连续铸造机组已在最近几年内被国产 16t/h 连续铸造生产线替代。国产的 16t/h 铝锭堆垛机效率较高,理论产量达 16t/h,自动化程度较高、操作方便,但成本比 6t/h 的堆垛机高。进口的全自动铝锭堆垛机与国产堆垛机相比操作灵活、效率高(理论上可达32t/h,实际最高为28t/h),但成本很高,比国产机价格高8～10倍,维护保养不方便、适用性不强,但仍具有广泛的市场和很强的竞争力。本发明结构简单，工作可靠且自动化程度高，采用PLC控制机械臂码垛装置，使铝锭码垛实现了自动化分拣，降低了劳动成本，提高了铝锭码垛的速度，避免了工作危险事故的发生，同时兼顾铝锭外形，提高码垛质量，杜绝散包现象以完全替代人工码垛。
发明内容
一种基于PLC的铝锭码垛机控制系统及方法，由执行模块、测量模块、控制模块和监控模块组成；
所述执行模块包括伺服电机和电磁阀，伺服电机用于控制码垛机械臂的左右行及上下运动，电磁阀用于控制机械臂的旋转与机械爪张开与闭合、翻锭装置的铝锭夹紧以及铝锭层的合拢；
所述测量模块包括光电传感器，行程开关和超声波传感器，所述光电传感器用于对铝锭进行监控来确定铝锭的状态，所述行程开关包括对机械臂的动作位置进行限定的行程限位开关和对机械臂的位置进行确定并控制机械臂的运动速度的加减速行程开关，超声波传感器固定在机械爪上，用于对铝锭打标履带上铝锭高度进行确认；
所述控制模块用于接收测量模块传回来的信号，并进行分析后传出动作指令给执行模块；
所述监控系统用于监测整个码垛过程。
所述伺服电机包括上下行伺服电机和左右行伺服电机，所述电磁阀包括旋转电磁阀、爪开闭电磁阀、挡锭电磁阀和扶锭电磁阀；
所述光电传感器设有两个，其中一个安装在翻锭装置前的第一段履带一侧，确定铝锭是否需要翻转，另一个安装于翻锭装置后的第二段履带一侧，确定铝锭层是否已经堆砌完成，进而让控制模块控制机械臂下行抓取铝锭层；
所述行程限位开关包括左行限位接近开关、右行限位接近开关、上限位接近开关和下限位接近开关，所述加减速行程开关包括左行减速开关、左行加速开关、右行减速开关、右行加速开关、上升减速开关、上升加速开关、下降减速开关和下降加速开关。
基于上述PLC的铝锭码垛机系统的控制方法，包括如下步骤：
Step1 铝锭通过第一段履带传送至翻锭装置前，第一段履带上的光电传感器每经过一个铝锭，产生导通信号，并传至控制模块中对其进行计数，前四块铝锭经过后进入翻锭装置进行翻锭，从第五块铝锭开始奇数块铝锭保持原状，偶数块铝锭进行翻锭；翻锭装置是否进行翻锭通过挡锭电磁阀实现，当进入翻锭装置中的铝锭需要进行翻转时，挡锭电磁阀驱动翻锭机构将铝锭夹持并进行翻转，当铝锭不需要翻转时，挡锭电磁阀不驱动翻锭机构动作。
Step2 铝锭经过翻锭装置后进入第二段履带继续向前传输，第二段履带上的光电传感器开始产生导通信号，并传至控制模块中对其进行计数，前四块铝锭构成第一铝锭层，此时机械臂下降，将第一铝锭层抓取并运输至第三段履带上，机械臂再上升返回至第二段履带上对第二铝锭层进行抓取，重复前述动作直到铝锭垛码好即铝锭层达到 11 层，除了第一铝锭层，其余铝锭层均由5块铝锭组成，每相邻两层铝锭层之间垂直交错排列；每一铝锭层在第二段履带上码好后，扶锭电磁阀驱动扶锭机构将每一铝锭层夹紧；机械臂下降时，机械爪通过爪开闭电磁阀驱动打开，机械臂的旋转通过旋转电磁阀驱动实现，机械臂下降的速度由下降减速开关和下降加速开关控制，机械臂上升速度由上升减速开关和上升加速开关控制，机械臂上升高度和下降高度分别由上限位接近开关和下限位接近开关控制，机械臂上升和下降由上下行伺服电机驱动；机械臂左行的速度由左行减速开关和左行加速开关控制，机械臂右行的速度由右行减速开关和右行加速开关控制，机械臂左行位置和右行位置分别由左行限位接近开关和右行限位接近开关控制，机械臂左行和右行由左右行伺服电机驱动。
Step3 铝锭垛码好后第三段履带向前运动一定距离，重复Step1- Step2直至下一铝锭跺码好。
本发明的有益效果：本发明采用PLC控制该装置，使铝锭码垛实现了自动化分拣，降低了劳动成本，提高了铝锭码垛的速度，避免了工作危险事故的发生。
附图说明
图1为基于PLC的铝锭码垛机控制系统结构图；
图2为基于PLC的铝锭码垛机控制系统铝锭码垛工艺流程图；
图3为基于PLC的铝锭码垛机控制系统铝锭机械臂动作流程图；
3（a）为机械臂下降动作流程图；
3（b）为机械臂上升动作流程图；
3（c）为机械臂左行动作流程图；
3（d）为机械臂右行动作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：一种基于PLC的铝锭码垛机控制系统由执行模块、测量模块、控制模块和监控模块组成；
所述执行模块包括伺服电机和电磁阀，伺服电机用于控制码垛机械臂的左右行及上下运动，电磁阀用于控制机械臂的旋转与机械爪张开与闭合、翻锭装置的铝锭夹紧以及铝锭层的合拢；
所述测量模块包括光电传感器，行程开关和超声波传感器，所述光电传感器用于对铝锭进行监控来确定铝锭的状态，所述行程开关包括对机械臂的动作位置进行限定的行程限位开关和对机械臂的位置进行确定并控制机械臂的运动速度的加减速行程开关，超声波传感器固定在机械爪上，用于对铝锭打标履带上铝锭高度进行确认；
所述控制模块用于接收测量模块传回来的信号，并进行分析后传出动作指令给执行模块；
所述监控系统用于监测整个码垛过程。
如图1所示，所述伺服电机包括上下行伺服电机和左右行伺服电机，所述电磁阀包括旋转电磁阀、爪开闭电磁阀、挡锭电磁阀和扶锭电磁阀；
所述光电传感器设有两个，其中一个安装在翻锭装置前的第一段履带一侧，确定铝锭是否需要翻转，另一个安装于翻锭装置后的第二段履带一侧，确定铝锭层是否已经堆砌完成，进而让控制模块控制机械臂下行抓取铝锭层；
所述行程限位开关包括左行限位接近开关、右行限位接近开关、上限位接近开关和下限位接近开关，所述加减速行程开关包括左行减速开关、左行加速开关、右行减速开关、右行加速开关、上升减速开关、上升加速开关、下降减速开关和下降加速开关。
本系统具体采用西门子S7-300PLC作为控制系统核心，PLC采用 PS307电源模块供电，型号为6ES7307-2EA00-0AA0,输出电流为 5A，CPU模块采用CP315标准模块，根据所选传感器、按键、伺服输出，DI输入模块采用型号为 6ES7321-1BH02-0AA0 输入模块，该输入模块有 16 个输入端口，驱动以及隔离更合理。DO输出模块采用型号为 6ES7322-1HH01-0AA0输出模块，该模块为 16 个继电器输出端口，PLC与PC之间用以太网线进行连接，相应的通讯模块 CP343-1。
本系统选择光电传感器，挡光一次，一个计数信号，选用国产赛加得 GL25 型号光电传感器，国外进口的光电传感器太贵。测距传感器选择超声波传感器，采用上海倍吉公司的限定距离式 S18U 超声波传感器。
驱动方式多类，本设计选择电机驱动，对于机械臂的控制，伺服电机驱动比变频器驱动以及步进电机控制误差更小，机械臂落位更加精准，本设计采用配套的ASDA-AB系列伺服器和 ECMA 系列伺服电机，根据铝锭码垛要求，翻锭伺服电机为1kw而机械臂动作电机为3kw。
系统采用的接近开关主要用于机械臂的位置限定以及机械臂加减速的开启与停止，本设计采用SN04-N电容式接近开关。
系统采用电磁阀对机械臂以及翻锭装置的细微动作进行控制，本设计采用SMC 的VF3010 系列 2 位 2 通先导电磁阀控制动作的执行，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制。
系统根据伺服驱动器型号，会得到它的允许通过的电流，然后选择合适的断路器。翻锭装置伺服驱动器ASDA-A1021-AB 通过电流为 10A，机械臂动作伺服电机ASDA-A3023-AB 通过电流为 30A。
上位监控平台由国产组态软件组态王编写界面，连接I/O点，能够实现对自动化过程和装备的监视和控制。它能从自动化过程和装备中采集各种信息，并将信息以图形化等更易于理解的方式进行显示，将重要的信息以各种手段传送到相关人员，对信息执行必要分析处理和存储，发出控制指令。
PLC控制器的I/O点数连接如表1所示。
表1 I/O接口表
实施例2：如图2所示，基于上述PLC的铝锭码垛机系统的控制方法如图2所示，铝锭首先被运输至码垛机处，判断铝锭是否翻转并组成铝锭层，机械臂抓起铝锭层，抓起后根据铝锭层数判断机械臂是否逆旋，再将铝锭层码好直至码垛完成，打标履带往前进一步，具体的过程如下：
铝锭位于第一段履带时，其上的光电传感器每经过一块铝锭，产生一个导通信号，PLC控制模块中的 C1 计数器计数，前四块铝锭翻锭，当计数器 C1 计数到五时，将当前计数值取出除以 2 求余数，根据余数判断铝锭为奇数块铝锭还是偶数块铝锭，偶数块铝锭翻锭，奇数块铝锭保持原样，第一层 4 块铝锭全部宽面朝上放置，其余各层中的相邻两块铝锭均按正、反方位放置的码垛要求翻转铝锭；第二段履带上的光电传感器同样每经过一个铝锭，产生一个导通信号，前四块铝锭构成第一铝锭层，当PLC 控制模块中的C2 计数器计数到四时，发送一个让机械臂下降的信号，等待的机械臂下降，以后的每层铝锭只有计数器计数到五时才会发送机械臂下降信号，直到铝锭垛码好即铝锭层达到 11 层，计数器又会重新复位；机械臂下降，机械臂爪处于打开状态，机械臂左侧下降距离由下降行程接近开关控制，机械臂下降到固定位置，机械臂爪闭合，铝锭层抓起，机械臂上升高度由上升行程接近开关控制，机械臂运动过程中的加减速由加减速开关控制，铝锭层数由计数器C3进行计数，机械臂根据奇偶数铝锭层来控制相邻两层铝锭的交错 90°放置，奇数铝锭层机械臂逆时针旋转90 度，然后机械臂归位左行时顺时针旋转，偶数铝锭层不旋转放置；机械臂左右行驶距离由左右两侧的行程接近开关控制。机械臂右侧的下降距离由超声波传感器根据铝锭层的高度来进行控制，根据回波测距，机械臂到达允许与铝锭的距离，机械臂爪打开，铝锭层放下，上升高度同样由上升行程接近开关来限制。
其中机械臂的下降动作如图3（a）所示，机械臂接受下降信号后，机械臂经历加速下降和减速下降至下限开关，此时判断机械臂是否为右侧下降，如果为左侧下降，则机械臂下降下限位，如果是右侧下降，则进一步判断是否有铝锭层，如果下方有铝锭层，则根据超声波信号下降至合适高度，如果没有铝锭层则下降至下限位。
机械臂的上升动作如图3（b）所示，机械臂接受到上升指令后，经过加速上升和减速上升，机械臂升值上限位。
机械臂的左行动作如图3（c）所示，机械臂接受到左行指令后，机械臂加速左行，此时判断机械臂是否顺旋，如果需要旋转则同时旋转，然后机械臂减速左行，机械臂行至左限位。
机械臂的右行动作如图3（d）所示，机械臂接受到右行指令后，机械臂加速右行，此时判断机械臂是否逆旋，如果需要则同时旋转，然后机械臂减速右行，机械臂行至右限位。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种基于PLC的铝锭码垛机控制系统，其特征在于：由执行模块、测量模块、控制模块和监控模块组成；
所述执行模块包括伺服电机和电磁阀，伺服电机用于控制码垛机械臂的左右行及上下运动，电磁阀用于控制机械臂的旋转与机械爪张开与闭合、翻锭装置的铝锭夹紧以及铝锭层的合拢；
所述测量模块包括光电传感器，行程开关和超声波传感器，所述光电传感器用于对铝锭进行监控来确定铝锭的状态，所述行程开关包括对机械臂的动作位置进行限定的行程限位开关和对机械臂的位置进行确定并控制机械臂的运动速度的加减速行程开关，超声波传感器固定在机械爪上，用于对铝锭打标履带上铝锭高度进行确认；
所述控制模块用于接收测量模块传回来的信号，并进行分析后传出动作指令给执行模块；
所述监控系统用于监测整个码垛过程。
2.根据权利要求1所述的基于PLC的铝锭码垛机控制系统，其特征在于：
所述伺服电机包括上下行伺服电机和左右行伺服电机，所述电磁阀包括旋转电磁阀、爪开闭电磁阀、挡锭电磁阀和扶锭电磁阀；
所述光电传感器设有两个，其中一个安装在翻锭装置前的第一段履带一侧，确定铝锭是否需要翻转，另一个安装于翻锭装置后的第二段履带一侧，确定铝锭层是否已经堆砌完成，进而让控制模块控制机械臂下行抓取铝锭层；
所述行程限位开关包括左行限位接近开关、右行限位接近开关、上限位接近开关和下限位接近开关，所述加减速行程开关包括左行减速开关、左行加速开关、右行减速开关、右行加速开关、上升减速开关、上升加速开关、下降减速开关和下降加速开关。
3.一种基于PLC的铝锭码垛机控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
Step1 铝锭通过第一段履带传送至翻锭装置前，第一段履带上的光电传感器每经过一个铝锭，产生导通信号，并传至控制模块中对其进行计数，前四块铝锭经过后进入翻锭装置进行翻锭，从第五块铝锭开始奇数块铝锭保持原状，偶数块铝锭进行翻锭；
Step2 铝锭经过翻锭装置后进入第二段履带继续向前传输，第二段履带上的光电传感器开始产生导通信号，并传至控制模块中对其进行计数，前四块铝锭构成第一铝锭层，此时机械臂下降，将第一铝锭层抓取并运输至第三段履带上，机械臂再上升返回至第二段履带上对第二铝锭层进行抓取，重复前述动作直到铝锭垛码好即铝锭层达到 11 层，除了第一铝锭层，其余铝锭层均由5块铝锭组成，每相邻两层铝锭层之间垂直交错排列；
Step3 铝锭垛码好后第三段履带向前运动一定距离，重复Step1- Step2直至下一铝锭跺码好。
4.根据权利要求3所述的基于PLC的铝锭码垛机控制方法，其特征在于：所述Step1中翻锭装置是否进行翻锭通过挡锭电磁阀实现，当进入翻锭装置中的铝锭需要进行翻转时，挡锭电磁阀驱动翻锭机构将铝锭夹持并进行翻转，当铝锭不需要翻转时，挡锭电磁阀不驱动翻锭机构动作。
5.根据权利要求3所述的基于PLC的铝锭码垛机控制方法，其特征在于：所述Step2中的每一铝锭层在第二段履带上码好后，扶锭电磁阀驱动扶锭机构将每一铝锭层夹紧。
6.根据权利要求3所述的基于PLC的铝锭码垛机控制方法，其特征在于：所述Step2中机械臂下降时，机械爪通过爪开闭电磁阀驱动打开，机械臂的旋转通过旋转电磁阀驱动实现，机械臂下降的速度由下降减速开关和下降加速开关控制，机械臂上升速度由上升减速开关和上升加速开关控制，机械臂上升高度和下降高度分别由上限位接近开关和下限位接近开关控制，机械臂上升和下降由上下行伺服电机驱动；机械臂左行的速度由左行减速开关和左行加速开关控制，机械臂右行的速度由右行减速开关和右行加速开关控制，机械臂左行位置和右行位置分别由左行限位接近开关和右行限位接近开关控制，机械臂左行和右行由左右行伺服电机驱动。
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