西门子常州PLC模块总代理商

　1 引言

　　随着工业自动化的不断发展， 堆垛机在玻璃生产线应用在不断扩展和深化， 为玻璃工业自动化水平发挥了巨大的作用。堆垛机在玻璃生产企业推广后节省了大量的人力物力， 把许多繁重而危险的工作用自动化机器来代替，可迅速、准确地堆放玻璃。但我国生产的浮法玻璃生产设备与国外先进水平相比， 质量上还存在很大差距。经调查，在使用国内一些浮法玻璃生产的设备时，所存在的质量问题中玻璃划伤或破碎大约占50%， 且划伤或破碎主要在堆垛阶段产生[1]。因此，如何提高浮法玻璃生产的堆垛质量对我国工程人员来说值得深入研究。

　　2 垂直堆垛机的工作机理

　　堆垛机中以垂直堆垛机应用为广泛， 其系统示意图如图1所示。

　　初始位置时， 吸盘在取片辊道上方， 当玻璃由输送辊道传送到取片辊道1 时， 光电开关发出控制信号，定位系统开始工作，将要堆垛的玻璃进行X、Y 方向定位，使玻璃位于吸盘取片机的中间位置(定位完成前一定要禁止下一块玻璃进入取片辊道以免碰坏玻璃)，再由凸轮提升机构提高一定距离。当检测机构检测到取片辊道上有玻璃时， 伺服电机在PLC 控制下通过四杆机构带动吸盘下降到要堆垛玻璃的上表面， 吸盘在吸附过程中由慢速到快速再到慢速运动的同时，真空阀打开，吸取玻璃，PLC 再次控制伺服电机带动四杆机构，将带有玻璃的吸盘抬起运动，接近垂直位置时缓慢立直，并与垂直面成大约5°夹角，运动到步退小车集装架正上方，吸盘由慢速到快速再慢速，同时真空阀关闭，压缩空气阀打开，玻璃平稳地落在步退小车的集装架上。放片完成后允许下一块玻璃进入取片辊道， 步退小车后退一段距离为放下一块玻璃留出空间，并判断集装架上玻璃是否堆满，还未堆满继续堆垛下一块玻璃， 否则的话， 步退小车旋转180°，将另一放有空集装架的步退小车送至堆垛位置，并将载有满垛玻璃的步退小车送至取走位置取走集装架，对带有空集装架的堆垛小车进行X、Y 方向定位， 准备堆垛下一垛玻璃。

　　在堆垛过程中玻璃易划伤或破碎是多方面造成的，主要是以下三点：(1) 吸盘在吸附玻璃后抬起过程中，开始运动时，一定要保证吸盘水平抬起，否则将导致玻璃受力而破碎， 并在吸盘上加一弹簧来缓冲玻璃所受的力。(2)当玻璃运动到接近垂直位置时应缓慢立直，由于在此位置时吸盘受到的力大， 速度过快容易使玻璃滑落而摔碎。(3)玻璃运动到步退小车集装架的位置要与前一块玻璃有一个小的间隙，间隙过小容易把玻璃划伤，而间隙过大会使玻璃失去平衡而摔碎。为了避免以上情况的发生，在设计时建立数学模型过程中一定要考虑全面，并在控制系统中做好运动速度的控制。

　　3 PLC 控制系统硬件配置及其功能

　　以三菱FX 系列PLC 为核心的控制系统硬件配置如图2所示。

　　整个控制系统包括：PLC 控制器及D/A转换器、显示模块、伺服电机控制系统、变频电机控制系统等。

　　3.1 PLC 控制器及扩展模块

　　(1)PLC 控制器：对整套工艺系统分析，PLC 型号可选用FX2N-32MT-001，其输入点数与输出点数均为16，且有串行通讯模块和功能扩展模块， 使用特殊功能模块或功能扩展模块，可实现模拟量控制、位置控制和联网通讯控制。

　　(2)D/A 转换器：变频电机控制系统中，将控制信号经D/A 转换后的电压信号传输给变频器， 通过模拟量控制不但可以提高加工精度，而且节约I/O 点数。其型号为FX2N-4DA，有4 个输出通道，每一通道都可进行D/A 转换，其分辨率为12 位。

　　3.2 显示模块

　　本系统显示模块采用触摸屏控制， 其型号为F940WGOT-TWO-C， 它可在触摸屏上直接对PLC 进行监控及编程。触摸屏界面由触摸屏组态软件进行设计、编译，然后通过RS232 编程电缆下载到触摸屏即可使用。用触摸屏作为人机交互器，既可以简化、方便作业管理，又可以监控和报警，在触摸屏上显示系统运行状况，通过触摸屏可进行满垛片数、板长、板宽等的设定，显示已堆片数、动态控制过程等，把所显示与设定的数据进行记录，发布控制命令来对堆垛机进行启动、停止等操作。

　　3.3 伺服电机控制系统

　　由于四杆机构的运动精度对堆垛系统控制能否正常工作起到至关重要的作用， 故在电机选取中选用控制精度、低频特性、矩频特性、过载能力、运行性能、速度响应等性能相对都比较高的伺服电机来驱动， 并在吸盘上安装一台值编码器，用来确定吸盘的位置。

　　PLC 控制器、伺服驱动器、伺服电机等组成伺服控制系统来控制四杆机构的运动进行玻璃的搬运工作。伺服电机在驱动器的驱动下，通过减速器驱动四杆机构运动，目标位置由值编码器的反馈信号反馈给PLC 控制器，在PLC 控制器的控制下保证旋转的精度，机构旋转时有编码器进行位置反馈，定位准确。其硬件配置如下：

　　(1)伺服驱动器：伺服驱动器选取型号为MR-J2S-100A，分辨率为131072 脉冲/转的位置编码器，具有位置控制模式、速度控制模式、转矩控制模式、位置/速度控制切换模式、速度/转矩控制切换模式、转矩/位置控制切换模式多种控制方式。

　　(2)伺服电机：伺服电机选取型号为HC-SFS81，额定功率为0.85kW，满载转速为1000r/min。

　　3.4 变频电机控制系统

　　取片轨道用一台变频电机驱动，PLC 通过变频器来控制电机的转速， 并装有2 只光电开关来检测玻璃板的位置，使其停止在吸盘取片机的中间;步退小车上有3 个方向(X、Y、旋转)的运动，同取片辊道驱动一样通过变频电机驱动，光电开关进行位置控制，使其玻璃停止在堆垛的佳位置。

　　使用D/A 转换功能， 将PLC 中12 位的数字信号转换成0～10V 电压信号， 变频器的输出频率在这个电压信号的控制下调节变频电机的转速， 从而改变步退小车各个方向和取片辊道的运行速度。

　　(1)变频器：变频器是实现交流电机调速的关键元器件，它是利用电力半导体器件的通断功能将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。选用FR-A540-3.7K-CH，适用于输出功率3.7kW 以下的变频电机，满足工程要求。

　　(2)变频电机：选取型号为Y90L-2，其额定功率为2.2kW，满载转速为2840r/min。

4 控制系统抗干扰设计

　　PLC 具有可靠性高、抗干扰能力强等特点。但在工业现场环境过于恶劣、电磁干扰特别强烈、突然断电等情况发生时，经常造成PLC 接受错误信号，误动作，或使PLC内部数据丢失，严重时甚至会使系统失控。因此，在系统设计时，应采取相应的可靠性措施，以消除或减小抗干扰的影响，保证系统的正常运行。

　　(1)接地保护设计：接地是抑制干扰、使系统可靠工作的主要方式。PLC 一般应与其他设备分别采用各自独立的接地装置，若有其他因素影响而无法做到，也可以采用公共接地方式， 但要禁止使用串联接地的方式或把接地端子接到一个建筑物的大型金属框架上， 此种接地方式会在设备间产生电位差，对PLC 产生不利影响;电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，产生干扰。

　　(2)供电系统设计：PLC 供电系统中可采用隔离变压器、UPS 电源、双路供电等保护措施。

　　(3)冗余设计：冗余设计的目的是PLC 已可靠工作的基础上，再进一步提高其可靠性，减少出故障的几率和故障后的修复时间。

　　5 PLC 控制系统软件设计

　　该系统软件设计包括PLC 软件设计和触摸屏软件设计。

　　5.1 PLC 软件设计

　　PLC 程序设计的是否优化， 关系到整套系统能否正常工作， 程序设计成功与否的关键在于编程人员对整套工艺系统的理解程度和程序编制技术的灵活应用。为此，程序编制采用功能模块化的子程序结构， 根据堆垛机工作机理，将整套系统的动作过程分为故障报警子程序、取 前定位子程序、取片放片子程序、左堆垛小车步退子程序、右堆垛小车步退子程序、放片前步退小车定位子程序6 个相对独立的子程序。编程时，先对各个子程序独立编程和调试， 设置好每个子程序的入口和出口参数， 利用子程序调用功能将6 个子程序连接在一起， 使整个程序层次分明、结构清楚、调试容易。其主程序流程图如图3 所示。

　　5.2 触摸屏软件设计

　　根据二维磨削力控制砂带磨削机床的控制和操作要求，设计了主界面、参数设置界面、信号监控界面、参数显示界面等。

　　6 结语

　　垂直堆垛机的优点是结构紧凑、轨迹合理、运行平稳、堆垛精度高、周期短、玻璃擦伤少、自动化程度高，但人工铺纸相对较难[2]。实践证明，该系统操作方便，运行稳定可靠，自动化程度高。