基于磁力驅動的物料輸送線監(jiān)控系統(tǒng)設計

周建華，唐敦兵，呂 梟，嚴煥迪

(1.南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016)

(2.青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266031)

基于磁力驅動的物料輸送線監(jiān)控系統(tǒng)設計

周建華1，唐敦兵1，呂 梟2，嚴煥迪1

(1.南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016)

(2.青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266031)

根據磁力驅動的物料輸送線的工作原理和工作流程，設計出了以可編程控制器為系統(tǒng)控制核心及基于組態(tài)軟件的觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)的實現方案，給出了其硬件和軟件的設計方法。實驗表明，該監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的控制性能和操作性能，運行穩(wěn)定可靠。

輸送線;可編程控制器;組態(tài)軟件;監(jiān)控系統(tǒng)

鏈式輸送線作為遠距離物料輸送技術得到了廣泛的應用，其技術發(fā)展相對成熟，但鏈式輸送線存在較大缺點:能耗高;產量柔性差;需全線潤滑，易造成現場滴油污染;運行過程中噪聲較大，工作環(huán)境不良。針對上述問題，提出了將磁力驅動應用于物料輸送線領域的設計方案，該技術為非接觸式驅動，噪聲低，工作環(huán)境良好;能耗低;性能穩(wěn)定;維護成本低。為了使磁力驅動的物料輸送線具有更好的運行性能，設計開發(fā)高可靠性的監(jiān)控系統(tǒng)是其必然要求。

1 磁力驅動器簡介與輸送線工作原理

輸送線采用分布式接力驅動，當軌道小車進入某一驅動點時，控制系統(tǒng)檢測到軌道小車位置并發(fā)出信號使磁力驅動器通電，驅動軌道車運行。當小車進入下一驅動點時，控制系統(tǒng)接通軌道小車所在驅動點的磁力驅動器電源，同時關閉前一磁力驅動器的電源，實現軌道車的接力式運行，以此類推，直至運行到預定的位置。

根據磁力驅動器的工作原理及輸送線的特點，構建了基于磁力驅動的物料輸送線的試驗模型，如圖1所示。

本輸送線中，磁力驅動器(如圖2所示)主要由電機、連接在電機上的驅動輪、與軌道小車固聯(lián)的驅動桿組成。其中所述驅動輪外圓周以隊列方式嵌有一圈永磁體，相鄰的永磁體極性相反，并覆蓋有保護層;在驅動桿與驅動輪外緣相對的平面上呈隊列方式布置永磁體，且相鄰永磁體極性相反。驅動輪的外圓周永磁體與驅動桿上的永磁體間保持一定的距離，使兩者之間產生足夠強的磁力耦合，電機轉動帶動驅動輪上的永磁體轉動，驅動輪上轉動的永磁體產生旋轉的磁場，驅動桿上的永磁體受到旋轉磁場作用產生向前的作用力，驅動桿被推動，從而驅動軌道車［1］。

圖1 磁力驅動輸送線示意圖

整個試驗系統(tǒng)由8個磁力驅動器、16個傳感器、地面和懸掛軌道、地面和空中軌道小車、移載平臺及道岔等組成。其中，道岔由電動推桿、小車及兩個傳感器組成，電動推桿推動小車在兩個傳感器之間運動，實現軌道的分流。移載平臺由步進電機、電動推桿及兩個傳感器構成，其工作原理是電動推桿驅動“x”形剪架，實現載物平臺上下方向的運動，步進電機驅動齒輪，通過齒輪與齒條的嚙合使載物平臺前后移動，通過移載平臺可以實現物料在地面軌道小車與懸掛軌道小車之間移載。

圖2 物料輸送線磁力驅動器結構示意圖

整個輸送線需要完成的任務是:接收和處理光電位置傳感器和金屬探測傳感器的信號、控制磁力驅動器驅動地面軌道小車和懸掛式軌道小車、控制電動推桿驅動變軌裝置、控制步進電機完成移載平臺的前后伸縮運動、控制電動推桿完成移載平臺上下運動、控制中間換向繼電器完成軌道車運行方向的互換。監(jiān)控系統(tǒng)的功能在于協(xié)調上述控制任務，并監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計

監(jiān)控系統(tǒng)采用主從式結構，通過控制電路組成運行過程控制系統(tǒng)和實時監(jiān)視系統(tǒng)［2］，其監(jiān)控系統(tǒng)總體結構如圖3所示，上位機采用PC機，主要完成監(jiān)控系統(tǒng)相關程序的開發(fā)與調試;下位機采用功能強大、可靠性高、維護方便、配置靈活、編程方便的可編程控制器(PLC)，實現傳感器信號的采集和處理，控制磁力驅動器、道岔和移載平臺的運動順序和方向，并與觸摸屏進行通信;觸摸屏主要實現對輸送線的控制操作，并實時顯示輸送線的運行狀態(tài)。

本系統(tǒng)硬件主要由可編程控制器S7－200 PLC和觸摸屏MP 277組成，軟件包括組態(tài)軟件SIMAITIC WinCC和PLC編程軟件STEP 7 MicroWIN V4.0。PLC與PC機和觸摸屏之間分別通過PPI協(xié)議、PROFIBUS協(xié)議進行通信。PLC控制程序和觸摸屏組態(tài)程序分別用STEP 7和WinCC flexible軟件進行設計［3］。

圖3 控制系統(tǒng)結構框圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.1 可編程控制器程序設計

基于可編程控制器(PLC)完成系統(tǒng)的順序控制，其主要作用是:(1)采集和處理軌道小車、道岔、移載平臺的位置信號等;(2)對驅動點進行分布式供電，并控制軌道小車的正反運行;(3)與觸摸屏通信，實現輸送線運行控制和檢測。

根據系統(tǒng)工作原理，PLC接口電路原理如圖4所示，PPI接口實現PLC與PC機的通信，完成PLC程序的下載;PROFIBUS接口實現PLC與觸摸屏之間的通信，完成對物料輸送線的控制和實時監(jiān)測［4］。

根據輸入、輸出信號的數量和屬性編制了PLC的I/O口的分配表，為實現觸摸屏的監(jiān)控功能，同時給觸摸屏程序中相關器件和按鈕分配了觸摸屏的地址，見表1。

表1 控制系統(tǒng)I/O口分配表

圖4 PLC接口電路原理圖

硬件設置完成后，由于涉及的控制量較多，且系統(tǒng)需實現自動控制方式和手動控制方式的轉換，因此本文先根據系統(tǒng)的工作流程編寫PLC程序的流程圖，此基礎上，通過STEP 7編程軟件編寫PLC的梯形圖控制程序。

3.2 組態(tài)軟件監(jiān)控界面設計

WinCC flexible是面向機器的自動化概念的人機接口(Human Machine Interface，HMI)軟件，提供了對面向解決方案概念的組態(tài)任務的支持，用于組態(tài)用戶界面的設計，以操作和監(jiān)視機器與設備。組態(tài)程序開發(fā)流程如圖5所示［5］。

圖5 組態(tài)程序開發(fā)流程圖

啟動程序后，建立用戶項目，選擇相對應的通訊設置(SIMATIC S7 200)，定義組態(tài)變量，實現邏輯連接，然后建立過程畫面，指定系統(tǒng)屬性;組態(tài)程序編譯完成后，用變量模擬器測試過程畫面;測試成功后，將程序下載至觸摸屏［6］。

觸摸屏程序分為控制部分和監(jiān)視部分。控制部分分為自動控制和手動控制，自動控制能實現系統(tǒng)循環(huán)運動、暫停、恢復和停止等功能，手動控制可以通過觸摸屏上相應的按鈕，實現對應的磁力驅動器、變軌裝置或者移載平臺控制。監(jiān)視部分通過采集傳感器的信號，實時顯示系統(tǒng)各部分的運行狀態(tài)，以實現對系統(tǒng)的監(jiān)測。根據設計需要，設計了人機交互界面(如圖6所示)。

圖6 觸摸屏人機交互界面

3.3 通信接口設計

本監(jiān)控系統(tǒng)中，通過組態(tài)軟件WinCC flexible和STEP 7建立MP 277與PLC之間的動態(tài)數據交換與通信聯(lián)系。觸摸屏與PLC的通信基于PROFIBUS協(xié)議，使用2個PROFIBUS接頭實現PLC與MP 277的網絡連接。用WinCC flexible組態(tài)軟件和STEP7對相關通信參數進行定義，配置通信驅動程序為SIMATIC S7 200，通信網絡為DP，MP277設備地址為1，通信速率9.6Kb/s，PLC地址為2。同時設置STEP 7中相應通信參數，PLC地址為2，通信速率9.6Kb/s，與觸摸屏的通信波特率保持一致［7］。WinCC與PLC通訊接口設置如圖7所示。

圖7 WinCC與PLC通訊接口設置

本系統(tǒng)基于PPI協(xié)議實現PLC與PC機之間的通信。用RS232接口轉換器連接PC機和PLC，在SETP 7中設置好各站地址和正確的波特率，保證通信正常。

在上位機PC上編寫好程序，并下載至PLC和MP 277后進行系統(tǒng)的調試，系統(tǒng)正常工作后，PLC和MP 277即可脫離PC機，在PLC和MP 277之間構成相互通信的完整的監(jiān)控系統(tǒng)，又能彼此獨立工作。一旦MP 277出現故障，PLC可脫離MP 277獨立工作，確?，F場設備安全、可靠連續(xù)運行。

4 輸送系統(tǒng)的構建與聯(lián)合調試

磁力驅動器作為磁力驅動的物料自動化輸送線中動力源，也是最重要的組成部分之一。在設計好結構和驅動力合適的磁力驅動器后，根據磁力驅動器的布置方式和實驗室場地情況，采用三維建模軟件SolidWorks設計了輸送線的結構模型，包括磁力驅動器、運送軌道、軌道車、移載平臺、變軌裝置等，并進行了相應的運動分析和干涉檢查，最后構建了整個輸送線。

根據輸送線的結構和功能，在合理的位置安裝傳感器，通過傳感器對軌道車、移載平臺、變軌裝置的狀態(tài)進行實時檢測并將信號反饋給PLC，再通過觸摸屏與PLC的數據交換實現系統(tǒng)監(jiān)控，達到人機交互的目的。最后對系統(tǒng)進行聯(lián)合調試，結果表明，整個輸送線運行穩(wěn)定可靠，達到了設計要求?；诖帕︱寗拥奈锪陷斔途€的試驗模型如圖8所示。

圖8 基于磁力驅動的物料輸送系統(tǒng)

5 結束語

本文對物料輸送線中的磁力驅動器工作原理進行了介紹，重點分析和設計了其監(jiān)控系統(tǒng)。采用STEP7+WinCC flexible和PLC+MP 277作為軟硬件開發(fā)平臺，能精確、可靠地完成對物料輸送線中各運動機構的協(xié)調控制;縮短監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和調試時間;實時顯示輸送線的運行狀態(tài)，具有良好的人機交互功能。該輸送線經安裝和調試，運行平穩(wěn)，工作可靠，能夠實現物料輸送線的基本功能，具有一定的應用價值。在后續(xù)的研究中，可以進一步優(yōu)化磁力驅動器的驅動性能，并研究輸送線中有多輛軌道車時的調度問題。

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Design of Monitoring System of Conveying Line Based on Magnetic Force Driving

ZHOU Jianhua1，TANG Dunbing1，LV Liang2，YAN Huandi1
(1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Jiangsu Nanjing，210016，China)
(2.Qingdao Sifang Vehicle Research Institute Co.，Ltd.，Shandong Qingdao，266031，China)

According to the working principle and process of magnetic force driving conveying line，the monitoring system based on PLC and touch panel is proposed，and the design of hardware and software are given.Experimental results show that the monitoring system has a good control performance and handle ability，and runs stablily and reliably.This system is valuable in engineering application.

Conveying Line;Programmable Logic Controller(PLC);Configuration Software;Monitoring System

TH238

A

2095－509X(2013)02－0045－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.02.012

2012－11－14

國家自然科學基金資助項目(51175262);江蘇省產學研前瞻項目(SBY201220116);江蘇省杰出青年基金資助項目(SBK201210111);南京航空航天大學研究生創(chuàng)新基地(實驗室)開放基金資助項目(kfjj20110218)

周建華(1988—)，男，湖南婁底人，南京航空航天大學碩士研究生，主要研究方向為磁力驅動機械的設計與仿真。