基于PLC的推丝机在自动包装系统中的控制设计

1月权威3：基于PLC的推丝机在自动包装系统中的控制设计

由于化纤行业的生产工艺复杂，产品包装步骤多、标准严，企业对自动包装生产线的要求也越来越高，因此自动设备运行效率和大容量丝箱库的缓存在自动包装系统中显得尤为重要。目前，国内化纤行业自动化包装线大部分采取丝车转运丝饼，此类转运模式对丝车的需求量较大，而且转运效率低，不利于自动化包装的整体运行[1]。因此研究采用丝箱存储丝饼，利用推丝机系统逐层拆分的作业方式，推丝机与丝箱相互配合工作，推丝机系统是化纤包装线上重要作业设备。本文以某化纤企业自动化包装出库推丝机系统为例，介绍推丝机系统的设备组成、结构特点、软硬件设计、提出并优化推丝机的工作流程，针对性研发了故障诊断报警系统。

化纤行业自动包装系统涉及多道生产工艺环节，从装载丝饼的丝箱自动上线开始，系统可以进行自动拆分、丝锭喷码、分级、套袋、码垛、整包打带、整包缠膜、成品暂存自动立体仓库等工作，实现了单锭丝饼到成品丝垛过程中拆分、转运、码垛的全程机械化、自动化。其中自动拆分环节是整个包装流程的起始点，主要完成对装载丝饼丝箱的逐层拆分工作，而推丝机系统则是丝箱自动拆分环节的关键设备，其作业的稳定性，高效性将直接影响拆分工作的正常运行，从而影响整个自动包装系统的运行效率。因此推丝机系统在整个自动包装系统中的应用显得尤为重要，深入研究其控制方法与调度过程具有重要意义。

推丝机系统主要用于化纤包装线上满丝箱的拆分工作。它主要由推丝机本体、链式机系统、人机交互界面、控制系统等部分组成。其中推丝机本体由行走机构、推板机构、检测机构等部件组成；链式机系统由若干顶升移栽链式机和平移链式机组成；人机交互系统由一台西门子KTP1200触摸屏和相关操作界面组成；控制系统由上位机和下位机结合PLC程序组成[2]。

在某化纤包装现场，推丝机本体布置在抓取工位移栽机后端，与满丝箱出库链式机系统配合使用，推丝机系统布局及位置关系如图1和图2所示，出库链式机系统的功能定义如表1所示。推丝机本体的机械部分由电机、链条、齿轮、滑轨组成的行走机构和推杆、推板本体组成的推板机构结合而成[2]。机械设计合理，特点突出，推丝机推板采用活动式机械结构设计，其优点是推丝动作时推板可以上下自由移动，紧贴丝箱挂杆，补偿丝箱丝杆过长产生的挠度问题，使推丝机运行更加稳定可靠，推丝机构造如图3所示。

图1 推丝机系统布置图

图2 推丝机位置关系图

图3 推丝机构造图

在生产现场，整个推丝机系统工作时，各部分设备相互配合、协调动作，根据包装任务的需要，判断作业工位上丝箱的状态，执行PLC的程序逻辑输出，完成对出库丝箱上丝饼的拆分工作。丝箱结构如图4所示。

图4  丝箱结构图

表1 链式机系统功能定义

根据设备硬件布置和功能定义，推丝机系统的工作流程如图5所示。

图5 推丝机系统工作流程图

首先，丝箱库堆垛机收到上位机出库指令以后，根据包装任务运送满丝箱放置到满丝箱出库链式机L1上，出库链式机L1根据顶升移栽机Y1的状态判断是否满足送货条件。正常情况下，顶升移栽机Y1处于上位，此时由出库链式机L1将满丝箱运送至顶升移栽机Y1上，顶升移栽机Y1执行下降动作，下降到位后由抓取工位输送链式机L2将满丝箱输送至抓取工位顶升移栽机Y2位置，Y2进行顶升动作，顶升到位后推丝机根据上位机下发的丝饼类型、验证次数等相关信息，执行推丝动作，逐层将丝饼推出，由出库机器人按顺序抓取丝饼放置到小托盘上，直至满丝箱上的丝饼全部抓取完毕，推丝机执行后退指令，到达最后端原点位置停止，完成整个满丝箱拆分动作。

然后，系统判断丝箱抓取完毕且推丝机回到原位后，顶升移栽机Y2下降，抓取工位输送链式机L2将空丝箱输送至链式机L3上，顶升移栽机Y3执行上升动作，并将空丝箱输送至入库工位链式机L4，入库工位链式机L4给堆垛机发送取货请求指令，由堆垛机将空丝箱接走送入丝箱库，至此完成整个推丝机系统的工作流程。 

推丝机的控制系统主要由西门子PLC、上位机、安川变频器、光电式增量编码器、西门子高速计数模块等部件组成。其主要工作原理为：PLC读取推丝机上传感器输入信号的状态，结合上位机调度指令，根据程序逻辑得出运算结果，并将运算结果转化为数字量信号输入给变频器多功能端子，变频器接收到信号后开始工作，驱动行走机构电机执行相应的动作，另外编码器将编码值反馈给PLC，PLC通过比较实际编码值与设定值的差异，输出运行/停止的动作指令，实现对推丝机的闭环控制[3][4]，推丝机控制原理如图6所示。

图6 推丝机控制原理框图

推丝机行走机构电机采用安川A1000变频器控制，可以实现多段速切换；推丝机可执行前进和后退两个动作指令，前进和后退可以设置不同的频率。前进/后退运行时PLC输出多段速1指令，即高速运行；当前减速/后减速传感器感应到信号时PLC输出多段速2指令，即低速运行；变频器上多段速1和多段速2的设置频率分别为50Hz和20Hz[5]。另外行走机构电机上安装有光电式增量编码器，编码器与高速计数器的联合运用能有效的进行长度测量和精确定位控制。高速计数器能准确的计算出小于PLC扫描周期脉宽的高速脉冲，编码器则是将电机轴上的角位移有效的转换成脉冲值，高速计数器再将编码器发出的脉冲个数进行统计，达到定位控制的目的[6]，高速计数器模块硬件组态如图7所示。

图7 高速计数器模块硬件组态

1.推丝机的电路设计

推丝机的控制设计包括主电路和控制电路的设计。主电路如图8所示，采用安川A1000变频器，电机抱闸采用独立式抱闸。控制电路如图9所示，主要包括输入信号、输出信号和编码器信号。

图8 推丝机主电路图

图9 推丝机控制电路图

输入信号：前减速、前到位、前限位、后减速、后到位、后限位、变频故障报警和丝饼检测。

输出信号：正转、反转、故障复位、多段速1、多段速2和抱闸。

编码器：选择了增量式光电编码器，型号为Baumer GM400.Z103，它由A相、B相和Z相三组方波脉冲组成，其中A相和B相为正交脉冲信号，Z相为参考零点标志脉冲信号[7]。

2.工作方式

推丝机的工作方式主要分为自动模式、手动模式和示教模式，如图10所示。

图10 推丝机工作模式选择界面

正常情况下，在触摸屏上点击“自动模式”按钮，推丝机处于自动运行状态；当需要手动操作时，在触摸屏上点击“手动模式”按钮，即推丝机切换至手动状态。因此，操作人员可以根据实际情况在触摸屏上方便快捷地切换推丝机工作方式。

(1)自动模式

在自动模式下，可自动根据丝箱抓取工位的状态，与上位机通讯，接受PLC或上位机下发的指令，接收上位机下发的纸管类型、抓取位置等参数，满足抓取条件后进行推丝作业。若上位机返回的状态不正确或抓取工位不满足抓取条件，推丝机不动作，直到任务的条件全部满足，推丝机开始执行推丝动作。同时向PLC返回状态信息、故障信息，并在触摸屏上显示作业步骤、动作状态、故障等信息。

(2)手动模式

正常情况下，推丝机都处于自动运行状态，接受总控状态反馈，执行PLC发出的动作指令。当总控返回信息错误或者在推丝过程中，推丝机发生推送超时、编码异常，或变频器报警等故障时，可人为切换至手动运行状态。仅需操作触摸屏按钮，即可简单地完成推丝机构的操作，以达到快速消除故障的目的。

(3)示教模式

示教模式下，可以点击触摸屏操作面板的“回原点”按钮，系统自动回原点，编码值清零，设备恢复初始化状态。

3.控制流程

自动运行状态下，变频器接受PLC发出的控制指令，输出相应的频率给电机，电机通过链条传动带动推板机构运行，完成相应的动作。并且由编码器将电机转动的角位移转化成编码值传输给PLC，显示至触摸屏上；另外，推丝机动作前需进行系统的状态判断，以防止发生误动作，造成设备损坏。

(1)初始化判断

当设备断电重新上电，或者认为处理完故障以后，推丝机处于手动状态，通过传感器信号及编码器反馈值判断当前推丝机是否处于原位，人工确认无误以后切换至自动运行状态；若有问题，需手动操作推丝机，使其退回原位，编码器清零后，再进入自动运行状态。

(2)调度过程

推丝机的运行主要取决抓取工位顶升移栽机Y2上丝箱的状态。当满丝箱到达抓取工位以后，PLC将当前任务丝箱号上传至上位机，上位机根据任务信息下发丝箱状态至PLC，人机界面显示丝箱抓取验证成功，并读取丝箱的相关参数，PLC输出正转指令给变频器，推丝机开始动作，同时编码器开始计数，并将转化的编码值反馈给PLC，对推丝机推出的距离进行精准定位。从第一层依次将丝饼推出，直到丝饼任务层数全部推完，PLC下发推板机构收回的指令，推丝机电机反转，退回原点，完成一个丝箱的拆分动作。当上位机返回丝箱抓取验证失败时，则PLC不会给推丝机下发动作指令，推丝机无动作[8]。

推丝机运动过程中，编码器将电机旋转的角位移转化为编码值传输给PLC，如图11所示，可以在人机界面上对推丝机推出的距离进行设定，一般设置推丝机的首次推出值和每次推出值，实际的推出值等于首次值加上每次推出值乘以推出次数。

图11 推丝机参数设置界面

另外，推丝机的实际位移编码器值与位移理论值会存在一定误差，因此需要根据编码器反馈的实际值与计算值加误差值进行位置校验，得出当前推丝机的推出次数，以便于精准确定推出位置[9]。当实际推出次数与上位机下发验证次数相同时，判定丝箱拆分完毕，推丝动作完成，位置校验计算过程如图12所示。

图12 位置校验计算过程

4.故障诊断的设计

推丝机的故障诊断功能主要包括以下四种情况：

(1)设备运行故障报警

设备运行故障报警主要包括：急停、推出超时、收回超时和变频器故障等。

(2)限位保护

限位保护：推丝机行走机构的前端和后端分别安装有前限位和后限位行程开关，用于限定推丝机运行的位置。当推丝机运行至极限位置，触发限位开关后，自动切断推丝机电机的电源，起到限位保护功能。

(3)丝饼检测报警

丝饼检测报警：丝饼检测开关用于检测最外层丝饼是否推落掉下。正常情况下，推丝机推出到位时，丝饼检测开关无信号，当推丝机逐层推丝过程中丝饼检测开关有信号时，判定为推出丝饼的位置异常或检测到丝饼掉落，此时，丝饼检测报警，推丝机停止动作。

(4)编码器报警

编码器报警分为3种情况：

①编码值异常报警：推丝机运行时，在速度一定的情况下，编码值与运行时间呈线性关系或阶梯型线性关系，当编码器值与时间不呈明显的线性关系时，判断编码值异常，推丝机报警。

②编码值幅值报警：当推丝机前进至最大极限位置，得出最大编码值；后退至最小极限位置时，编码值清零。推丝机运行过程中当前编码值小于最小值0或大于最大值+设定的误差值时，推丝机报警。

③编码值位置校验报警：推丝机推第一层丝饼时，当前编码值<首推值；推第二至最后一层丝饼时，当前编码值<每推值×推出次数或当前编码值>(每推值×推出次数）+设定误差值，则推丝机实际编码值校验异常报警。

综上所述，当推丝机在运行过程中发生了报警，推丝机立即停止动作，人机界面上推丝机状态灯显示红色并显示报警日志，排除故障后恢复正常运行。故障诊断功能可以准确有效的显示故障类型和原因，帮助设备维护人员快速排除故障，减少故障时间，提高设备运行效率。

推丝机系统以向下发布调度信息的上位机为管理层，以传感器、增量式编码器为感知层，以PLC 控制系统为执行层。管理层、感知层以及执行层三者协同作业，并通过 PROFINET 工业以太网进行实时信息交互，具有操作简单、人机界面友好、故障处理快捷等优点，因此在国内化纤包装行业得到广泛应用。与丝箱相互配合使用的工作模式，有效的解决化纤行业空间不足、丝饼存储量小、丝饼转运速度慢等难题，有助于提高化纤包装效率，节约人力物力，降低企业生产成本，有效提高企业生产运行效率。