基于PLC的粉末冶金生产线取放装载输送控制系统

摘要

本发明提供一种基于PLC的粉末冶金生产线取放装载输送控制系统，控制机构通过执行其内部自动控制程序控制工作装置，运用电机的启动、停止及各气缸的开、闭动作来完成对整个系统的自动化控制功能；工作装置包括机械手、输送装置及升降提送装置；工作装置由PLC控制，完成机械手取放，伺服与装载步进自动控制以及推送气压制动控制、输送线步进和异步电机行程控制、逻辑操作和故障保护功能；触摸屏对生产现场进行监控和参数设定，实现人机对话的现场操作。它利用PLC对粉末冶金生产线的取放装载输送工步进行全过程的自动控制，改变其传统的手工操作模式，节省了人力，减轻了工作人员的劳动强度，降低了产品的制造成本；该系统稳定、快速、准确和可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及粉末冶金零件生产过程的自动化控制技术领域，尤其是涉及一种基于可编程序逻辑控制器的粉末冶金生产线取放装载输送控制系统；该发明改变了传动的生产方式，并从技术装备上实现了精益的生产方式。

背景技术

粉末冶金生产线工序包括：配料-混料-压制-烧结-整形-后处理，即首先将配制的高纯度的混合粉装于模具中，于一定压力下压制成形，然后将压坯在可控气氛炉中，并在低于基体材料熔点的温度下进行烧结，使粉末颗粒之间形成冶金结合。

传统的冶金生产方式大都采用批量生产，生产效率低、劳动力成本高。为减轻一线操作人员劳动强度，提高劳动生产率，对压制和烧结生产过程中其两者之间的衔接采用自动控制是非常必要的手段。为确保生产的稳定、可靠和安全，并有效地降低控制系统开发的难度和成本，粉末冶金生产线自动控制取放装载输送方式成为业内需要解决的问题，目前尚未有涉及基于PLC的粉末冶金生产线取放装载输送控制系统的方案面市。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种控制稳定好、可靠性高，大大降低人工劳动强度的基于PLC的粉末冶金生产线取放装载输送控制系统。

本发明的目的是这样实现的：基于PLC的粉末冶金生产线取放装载输送控制系统，主要包括控制机构、触摸屏和工作装置；其特征在于，所述控制机构通过执行其内部自动控制程序控制工作装置，运用电机的启动、停止及各气缸的开、闭动作来完成对整个系统的自动化控制功能；工作装置包括机械手、输送装置及升降提送装置；由PLC控制完成：机械手取放，伺服与装载步进自动控制以及推送气压制动控制、输送线步进和异步电机行程控制、逻辑操作和故障保护功能；触摸屏对生产现场进行监控和参数设定，实现人机对话的现场操作。

所述控制机构中的PLC采用台湾台达公司的DVP80EH00T2型和DVP14SS型PLC各1台作为其控制核心，两者之间通过自配的RS485接口构成主从式PLC网络互相通讯；PLC的主要功能是：采集各外围信号，包括各气缸磁性开关、线体各光电开关、各种按钮开关信号；经PLC内预先编制好的程序，执行其逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令：发送高速脉冲适时控制驱动器，完成各气缸及电磁阀、旋转和步进电动缸、步进电机及异步电机的动作，并将两台全自动粉末成型机压制出来的产品输送、装载传至全自动加热炉中。

所述触摸屏采用台湾台达公司的DOP-B07S200型彩色触摸屏作为图形显示终端，用于生产管理及生产流程监控，除系统开关外，所有的人机处理工作均由它来实现。

所述输送装置由四级输送线和两组滑槽构成：第一级、第二级输送线由承重固定架、步进电机、步进驱动器及PU皮带等组成，分别用于两台粉末成型机的不同脱模产品的输送；第三级输送线由承重固定架、异步电机及减速器、不锈钢滚筒及链条组成，将空或盛装不同产品的舟盒输送；第四级输送线由承重固定架、异步电机及减速器、不锈钢块结构皮带及链条组成，用于输送盛有已烧结产品及空的舟盒。

所述升降提送装置包括两台升降提送装置：每台升降提送装置分别由上、下滑槽、提篮、直线气缸或电动缸等组成，通过气缸传动方式实现前、后工步的连接。

所述工作装置包括三台机械手，控制部分均由PLC开发而成其全闭环位置型控制系统，以实现机械手的工艺动作及在各工步的转换控制。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明取放装载输送控制系统实现了一个流的按需要进行准时、准量的生产方式。避免了生产资金的积压，生产反应快，能最大限度满足市场需求，提高了产品的品质。

(2)本发明取放装载输送控制系统利用PLC对粉末冶金生产线的取放装载输送进行全过程的自动控制，改变其传统的手工操作模式，不仅节省了人力，减轻了操作人员重复劳动的工作强度，而且降低了产品的制造成本，提高了生产率，提升了粉末冶金生产线的自动化水平。

(3)本发明取放装载输送控制系统解决了加热炉与粉末成型机的传输控制，具有系统稳定、快速、准确和可靠的特点，满足了高效生产对取放装载输送控制系统的要求。

附图说明

图1是一种粉末冶金生产线取放装载输送控制系统结构示意图；

图2是本发明控制系统的PLC控制程序结构示意图；

图3是本发明取放装载输送控制流程框图；

图4是本发明控制系统的系统控制主电路示意图。

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详细说明。

本发明系统结构示意图如附图1所示。该粉末冶金生产线取放装载输送控制系统，是在20吨和100吨全自动粉末成型机及全自动加热炉基础上的一条延伸生产线，主要完成：分别从两台粉木成型机抓取脱模产品，再将两种产品分组分线输送，之后分组产品被分类分别按序放置于同一输送带上的两只空舟盒之一中，当装载完毕(50~70件产品)，整个舟盒将被推入加热炉烧结，烧结后的产品及舟盒被自动滑出炉尾，随即便被自动返回取放装载输送控制系统的输送线上，当输送的盛载舟盒达到设定的累积数目时，则提示(光声报警)操作人员卸载，产品则进入后续加工流程，空舟盒则再次被放置于输送线上，即完成一次工作循环，再重复以上流程。除烧结后产品的卸载需人工外，整个系统的所有工艺动作、各工位的转换、工件运行控制、管理与检测均由PLC控制实现，操作人员通过触摸屏控制生产。

取放装载输送控制系统为加热炉与粉末成型机的联系纽带，其取放装载输送速度直接影响全自动粉末成型机和全自动加热炉的生产节奏，而先进的机械设备和控制方法，是保证该系统稳定、快速和准确的前提。

本发明基于PLC的粉末冶金生产线取放装载输送控制系统，主要包括控制机构、触摸屏及工作装置，控制机构通过执行其内部自动控制程序控制工作装置，运用电机的启动、停止及各气缸的开、闭动作来完成对整个系统的自动化控制功能；工作装置包括机械手、输送带及升降提送装置等组成的具有至少22个工位的环行控制线；工作装置由PLC控制，能完成机械手取放，伺服与装载步进自动控制以及推送气压制动控制、输送线步进和异步电机行程控制、逻辑操作和故障保护(信息检测)等功能；触摸屏对生产现场进行监控和参数设定，实现人机对话的现场操作。

本发明控制机构中的PLC采用台湾台达公司的DVP80EH00T2型和DVP14SS型PLC各1台作为其控制核心，两者之间通过自配的RS485接口构成主从式PLC网络互相通讯。PLC的主要功能是：采集各外围信号，包括各气缸磁性开关、线体各光电开关、各种按钮开关信号；经PLC内预先编制好的程序，执行其逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令；发送高速脉冲适时控制驱动器，完成各气缸及电磁阀、旋转和步进电动缸、步进电机及异步电机的动作，并将两台全自动粉末成型机压制出来的产品输送、装载传至全自动加热炉中。

所述触摸屏采用台湾台达公司的DOP-B07S200型彩色触摸屏作为图形显示终端，用于生产管理及生产流程监控，除系统开关外，所有的人机处理工作均由它来实现。触摸屏的主要功能是：提供操作面板并发布生产操作命令、工艺流程动态监控画面；对系统中各个组成部分进行实时监控，及时地反应系统运行过程中的各种参数、状态和故障报警；实现系统运行时间、舟盒数量等各种生产数据当前值的统计、完成对故障的报警以及历史数据记录和显示，对一些重要的物理量如输送线运行方向和速度、机械手动作延迟时间等能实时显示在主界面上，便于操作人员及时掌握系统的运行状态，实现对系统的操作控制。在任何状态下，一旦系统发生故障，均会弹出报警窗口，并发出报警声，提醒操作人员进行处理。本发明控制系统中所用触摸屏兼容性极强，配有RS-232/422/485三个串行通讯口(COMO：RS-232、COM1：RS-422和COM2：RS-485)；通过计算机对其控制界面、图像参数或曲线进行离线编辑，并通过COMO串行通信接口下载至内存；生产线运行过程中，通过COM1串行通信接口与PLC通信，获取生产线的实时数据，实现人-机对话的现场操作；同时还可以方便地设定产品在1级、2级输送线上的移动及装载层数和排数等，以实现各工位的精确定位。

所述输送装置由四级输送线和两组滑槽构成：第一级、第二级输送线由承重固定架、步进电机、步进驱动器及PU皮带等组成，分别用于两台粉末成型机的不同脱模产品的输送；第三级输送线由承重固定架、异步电机及减速器、不锈钢滚筒及链条等组成，将空或盛装不同产品的舟盒输送；第四级输送线由承重固定架、异步电机及减速器、不锈钢块结构皮带及链条组成，用于输送盛有已烧结产品及空的舟盒。取放装载输送控制系统通过输送带的输送方式来完成产品的输送处理，其目的是将各阶段的产品及舟盒送往将要到达的目的地。

所述机械手包括了三台机械手，其中1#机械手和2#机械手功能相同，为单轴结构。根据生产工艺要求，采用伺服电机、伺服控制器及伺服驱动器、电机编码器、气缸及电磁阀、导轨等设计为机电伺服控制的高速精确定位的高性能机械手；伺服与负载之间的传动结构采用5：1减速机，并通过滚球丝杆带动导轨滑台移动，实现定位；可实现上下左右移动及180度旋转，分别用于快速抓取两台不同粉末成型机的不同脱模产品；还可根据产品形状改换不同规格的手爪。3#机械手为单轴双爪结构。根据生产工艺要求，采用步进电动缸、直线和夹爪气缸及电磁阀和2/5的双控电磁阀等设计为气动元件驱动做低速点对点运动控制的低端机械手，可实现上下左右移动及90度旋转，用于装载每排(组)待烧结产品。为尽量避免机械手的停机时间和工艺需要，手臂上安装了两支成90度的手爪；该组合可实现对两种分组产品的分别抓取和按产品种类分别放置于两只不同舟盒中。三台机械手的控制部分均由PLC开发而成其全闭环位置型控制系统，并实现机械手的工艺动作及在各工位的转换控制。

所述升降提送装置由承重固定架、上、下滑槽、提篮、直线气缸或电动缸等组成，两台升降提送装置分别完成接载第一级、第二级输送带上整列(分组)后的产品并送至于3#机械手的夹持位。升降提送装置的作用是通过气缸传动方式来实现前、后工序的连接，且安全可靠，方便快捷。

所述软件部分包括PLC控制程序和触摸屏应用软件部分，其采用WPLSoft-(2.08版本)编程软件和顺序控制梯形图编程方法及步进梯形指令、触摸屏与PLC的通信协议，并根据取放装载输送控制系统生产工艺要求和编程与工程实践经验，综合地应用计算机、机械、气动、传感器等技术，具有灵活方便、操作简单的控制系统界面软件，使其能很好地完成产品输送功能。

人机界面采用触摸屏控制系统，并以配套的Screen Editor 2.00.05软件为平台进行二次开发，实现了可靠性高、实时性强、界面友善和操作简单的全中文图形化人机界面，并设置了不同等级的操作权限，便于生产的组织和管理。

整个程序结构如附图2所示，其PLC程序模块组成：初始化模块、主控程序模块、原点调试模块、产品选择模块、手动/调整模块、自动运行模块、设备故障诊断模块、故障检测与诊断程序模块和故障停车模块。PLC程序设计采用模块化结构，具有可方便增加或删减程序模块，便于针对不同程序模块进行完善的优点。所述PLC控制程序主要完成：系统参数的初始化；各种检测开关的读取；电压、电流等的读取；电机、驱动器、电磁阀等的控制。

初始化模块完成系统各种参数的初始化处理，包括对一些需要初值的参量赋值。若对参数作了修改，下次运行时则会自动用新参数初始化；若系统中无参数时，系统禁止运行，只有在系统参数输入后，系统才会按照设定值自动运行。对从机进行检测，若从机连接正确则向下运行程序，否则返回停止程序运行。

主控程序模块监控运行画面的触摸键并对其功能加以实现，完成对各子程序功能模块的调用及切换、各种上限报警子程序的处理及保护功能等。

原点调试模块主要完成3轴自动找原点的功能以及软极限设置；

产品选择模块通过对产品选择寄存器值的读取与判断，并将对应的产品参数送给指定的寄存器，同时使选中的产品参数画面切换到产品参数按钮的当前画面；

手动调整模块实现各种控制状态的手动操作。主要用于系统安装调试和故障检查以及当所压制的产品规格(尺寸大小)变化时调整系统的参数设定。在手动运行模式下，一只触摸键对应一个输出，简单明了，操作方便。

自动运行模块实现各种电机等运行过程的控制。正常生产以自动运行模块为核心实现整个取放装载输送系统的实时运行控制，根据需要，部分手动触摸键也可在自动运行模式下使用。

设备故障诊断模块故障诊断可分设备故障(线路及器件故障)和操作设备故障，一个操作指令对应一组设备的动作，系统根据检测到的电流数据判断设备是否有故障，各类故障均用语音提示并指导故障处理方法。

故障检测与诊断程序模块随时对PLC等内部电路进行检测，一旦发生错误，立即作出紧急处理，如：报警、保护数据、封锁信号输出等。

故障停车模块在运行过程中，设备发生故障时，设备应瞬时停车，故障点以后流程应顺序延时停止工作；当压制产品的数量已满足需求时，即前一道工序工作结束，可在自动循环运行过程中退出自动运行模式，完成此次循环后，循环自动停止。

所述触摸屏应用软件是在Screen Editor 2.00.05软件环境下，根据系统的控制要求，利用其文本、线、矩形、数据输入、数据输出，分别设计了动态流程图、状态监控图、参数测量显示图、参数趋势曲线图以及报警记录、报表生成、打印等功能。当系统上电(PLC和触摸屏得电)，其PLC初始化完成后，便进入主控程序模块并扫描通信模块实现与触摸屏的通信，获取操作信息，再结合PLC的输入接点的状态，调用相应的功能模块，完成相应的控制操作，同时将相关数据和参数状态通过通信模块传至触摸屏实现时实监控显示。在任何时刻系统参数出现异常时，PLC都会调用联锁保护模块，使系统处于保护待机状态，并将故障显示到触摸屏的操作界面中。

控制系统设置：在界面主操作画面中轻触“点击进入”触摸键，则进入选择画面，再轻触相应触摸功能键，则进入下一层相应功能画面。若轻触“M2参数设定”键，则进入下一选择画面，即可使1级输送带上放置的产品按所设定的时间、速度、单个及每排(分组)间距移动；若轻触“M1参数设定”键，则进入又一选择画面，即可使3#机械手按所设定的层数、排数装载产品。

本发明控制系统的控制主要包括：输送线控制和取放装载输送控制两部分，下面详细介绍其控制过程。

1、输送线控制

取放装载输送控制系统的输送线为单向运行，由PLC控制，其运行模式有手动、自动和步进三种：当系统控制柜面板上的“选择开关”置于“手动”位置时，操作人员只能在现场触摸屏上独立对所有的终端设备单独进行启停控制；当“选择开关”置于“自动”位置时，只需在其面板上按下“系统启动”按钮，则输送线将根据全自动粉末成型机生产状况及所预置的参数控制程序运行；在顺序开车启动过程中，系统控制柜面板上的顺序开车指示灯以闪烁方式提示操作人员，启动完毕后闪光转为平光；在顺序停车制动过程中，系统控制柜面板上的顺序开、停车指示灯交替闪烁，停车完毕后顺序停车指示灯闪光转为平光，顺序开车指示灯则熄灭；启动时，也可先在手动运行模式下分别启动各单机，运行正常后，通过选择开关将装置转入自动运行模式，还可以在正常运行时将自动模式解除，而分别停车。在装置自动运行模式下，当第一级或第二级输送线停车时，后续输送线便立即自动停车，并声光报警；当后续输送线出现故障停车时，所有前级输送线将立即自动停车，声光报警并显示故障输送线的级数；“步进”旋钮位置对应“步进”和“步退”两个实体按钮，在手动动作完成后按工艺可进行“步进”和“步退”的操作，以方便调试设备和调整各个磁性开关的位置等。

2、取放装载输送控制

取放装载输送控制流程框图如附图3所示。因1#、2#机械手功能相同，本说明书仅就1#机械手所辖区域对其系统的取放装载输送控制过程进行说明：正常状态下由操作人员通过系统控制柜面板按钮启动系统，再通过触摸屏设置参数，当开始执行用户程序前，系统初始化使1#机械手回到初始状态等待前一道工序工作结束，若在前一道工序的工位上有工件(脱模产品)，即系统检测到脱模信号，1#机械手便从原位状态(垂直气缸应伸出，水平气缸应缩回，夹爪气缸应伸出处于松开状态)出发，1#机械手臂(由YV1水平气缸驱动)向前推出，推到行程后，1#机械手爪则夹紧产品并保持，(由YV3夹爪气缸驱动)，然后1#机械手臂(由YV1水平气缸驱动)向后缩回于压制机出料口，此时1#机械手爪松开产品(由YV3夹爪气缸驱动)，产品便自动从压制机出料口旁的倾斜滑槽滑至到下一道工步位置(1级输送带上)，此时1#机械手回到初始位置，动作过程结束，即完成一只产品的抓取、放置，再重复上述流程；若压制产品形状为下小上大，1#机械手所抓取的产品则应先放置于夹持器中(夹缝大小可根据所夹持产品的尺寸直径进行调节)，此时光电开关检测到信号，夹持器(由YV2旋转气缸驱动)便顺时针旋转180度，再将产品放置于压制机出料口旁的倾斜滑槽中。

1级输送带上的每只产品按程序步进向前移动(由M2步进电机驱动)，当所放置的产品数量为设定的某数值(一组)时，则1级输送线自动转换为快速移动该组产品；之后输送线又处于步进运行，当产品放置数量又为一组时，输送线又处于高速运行，如此反复；当某组产品移至到位(1#升降提送装置上滑槽右口边)，此时B41电子式接近开关检测到信号，YV4水平气缸便将该组产品通过上滑槽推置于#1提篮(YV5原点)中并返回，随后1#提篮下降(由YV5垂直气缸驱动)，运行到底后(1#升降提送装置下滑槽右口边)，此时YV6水平气缸将1#提篮中的产品通过下滑槽推置于3#机械手的夹持位(YV10的位置)并返回，同时YV5返回原点，即完成一组产品的接、送，再重复上述流程。

3#机械手通过YV8垂直气缸和M1步进电动缸实现二维联动使YV10对准一组产品的中心，YV9垂直气缸使YV10至夹持位，之后手爪夹紧一组产品(由YV10夹爪气缸驱动)并向上移动(由YV9垂直气缸驱动)，再按程序将每组产品按序排列(由M1步进电机缸驱动)放置于3级输送带上的两只空舟盒之一中(当两台全自动粉末成型机同时工作并压制两种不同产品时)，随后3#机械手爪(由YV9垂直气缸驱动)向下移至舟盒内再松开(由YV10夹爪气缸驱动)，即完成一组产品的取、送，再重复上述流程；当3#机械手夹持位放置的产品为100吨压制机生产产品时，3#机械手臂(由YV14旋转电动缸驱动)则顺时针旋转90度，使另一支手爪(由YV11夹爪气缸驱动)来夹持其产品，再按程序将其放置于另一个舟盒中；当舟盒所放置产品的数量达到设定值时(50~70件)，即装载完毕；装载后的舟盒通过炉前门滑槽被YV7水平气缸推至于炉前门外并返回，此时B43电子式接近开关检测到信号，则启动3#输送线，下一只空舟盒便被放置于上述装载位，再重复上述流程。

当一只盛装产品的舟盒完成烧结并自动从炉尾门滑出于炉后门倾斜滑槽中再滑入4级输送带上时，此时B34光电开关检测到信号，炉前门便被自动打开(由YV20垂直气缸驱动)，此时放置炉前门外的舟盒通过YV12垂直气缸和YV13旋转气缸二维联动被推入加热炉烧结，随后炉前门关闭(由YV20垂直气缸驱动)，如此反复。

4级输送线启动的间隔时间应与加热炉每一盒产品的出炉时间设置一致，当4级输送带上所移入的舟盒数量为设定值时，则提示(光声报警)操作人员卸载，产品则进入后续流程，空舟盒则再次被置于4级输送带上，当4级输送带上的空舟盒移至到与3级输送带交接处，此时B36光电开关检测到信号，3级输送线便立即启动并运行10秒，4级输送线则延时停车，使一只空舟盒完成传递，并至于3级输送带最尾端，再重复上述流程，空舟盒便依次成线置于3级输送带上；当下一次间隔时间到，4级输送线再次被启动，如此反复，从而实现取放装载输送控制系统合理并入粉末冶金生产线，以完成流水线连续作业。

正规和合理电器布线安装是系统提高环境适应能力的基本要求，特别是强弱电共存的系统，电磁兼容和电磁干扰是不可忽视的问题。总电源控制由带有机械自锁功能的按钮开关实现总控。当出现意外时，可紧急切断总电源而实现保护，防止意外事故发生和扩大；对来自配电系统的干扰，在220V电源供给侧加抗干扰交流隔离变压器，使配电系统的干扰降至最小；系统控制柜采用金属壳，PLC主机放置于此并设计安装PLC的专用接地线，接地电阻小于4Ω，构成屏蔽外壳，以防止电磁辐射干扰；PLC输入点均利用小型密封中间继电器实现电路上的隔离。系统所有的电磁阀组成阀岛安装在电控柜右侧，只需将相应的气管引出即可，电控柜为上进线上出线方式，将气管各各种电缆线一并由电控柜上方引入坦克链，再到系统各个设备。

系统终端执行设备主要有普通三相异步电机2台、步进电动机2台、步进电动缸1台、伺服电机2台，执行气缸电磁阀22只；控制设备主要是触摸屏和PLC；外围输入设备(器件)主要是各个气缸的磁性开关和控制输送电机的光电开关。本发明控制系统的控制主电路图如附图4所示(图中省略2台伺服电机)。