物料堆垛的PLC控制優(yōu)化分析

徐文文

（上海市公用事業(yè)學(xué)校，上海 200030）

0 序言

隨著PLC技術(shù)和步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，給工業(yè)設(shè)備的控制方式帶來了新的方向。本文首先對設(shè)備的物料堆垛過程進(jìn)行簡要介紹，對步進(jìn)電機(jī)的工作原理、構(gòu)造種類及特點(diǎn)特性進(jìn)行分析，并討論了PLC應(yīng)用于升降臺物料堆垛的控制研究及其優(yōu)化，從步進(jìn)電動機(jī)的定位及正反轉(zhuǎn)的控制角度，對兩種方案進(jìn)行了比較，分析利與弊，優(yōu)化升降臺物料堆垛[2]。

1 物料堆垛控制概述

圖1 物料運(yùn)輸?shù)墓ぷ髁魉€

設(shè)備是一個(gè)物料運(yùn)輸?shù)墓ぷ髁魉€[1]，如圖1所示。其中，物料堆垛臺如圖2所示。設(shè)備的下料單元傳感器檢測物料后，下料單元雙軸氣缸伸出，到位后，氣動機(jī)械手通過氣動吸盤吸取物料，延時(shí)幾秒后，雙軸氣缸縮回，到位后，無桿氣缸右移，到位后，步進(jìn)電機(jī)由原點(diǎn)上升至第一塊物料堆垛位置，氣動機(jī)械手的氣動吸盤關(guān)閉[8]，把物料放下，完成第一塊物料的堆垛，步進(jìn)電機(jī)退回，退回到位后，無桿氣缸左移，到位后，繼續(xù)循環(huán)工作流水線，等待下一塊物料到達(dá)下料單元傳感器位置，重復(fù)以上過程，進(jìn)行升降臺的物料堆垛，直至完成五塊物料的堆垛。

升降臺下降至最低，由左極限限位；升降臺上升至最高，由右極限限位。升降臺還有一個(gè)原點(diǎn)位置限位，用于初始化升降臺的位置。

圖2 物料堆垛臺

2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理

物料堆垛是通過步進(jìn)電機(jī)定位升降臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)是一種控制精度極高的電機(jī)，在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛑本€位移的執(zhí)行元件[5]。在非超載的情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的角位移和轉(zhuǎn)速與單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)（即脈沖頻率）成正比，其輸出位移與輸入脈沖數(shù)量成正比、其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。因此，通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的；通過改變電機(jī)繞組通電的相序，從而達(dá)到改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的目的[2]。

步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差、轉(zhuǎn)子慣量低、定位精度高、控制簡單等特點(diǎn)，使得步進(jìn)電機(jī)成為速度、位置等運(yùn)動控制領(lǐng)域的主要執(zhí)行元件之一[3]。

步進(jìn)電動機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，上位機(jī)是個(gè)人計(jì)算機(jī)，作為控制面板、控制軟件編制環(huán)境，通過與PLC的通信，實(shí)現(xiàn)操作監(jiān)控功能：PLC發(fā)出脈沖、方向信號，通過驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)[3]。

3 PLC實(shí)現(xiàn)物料堆垛的控制分析

可編程序控制器（通稱PLC）是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，以微處理器為核心，具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、高速處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、多種控制功能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和優(yōu)越的性價(jià)比等，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)于一體的一種新型的工業(yè)控制裝置[6]。PLC具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性極高、編程方便，可進(jìn)行在線修改，維護(hù)便捷，體積小、重量輕、功耗低，設(shè)計(jì)施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置之一。

本論文基于天煌教儀公司的THPHDW-1型液壓與氣動系統(tǒng)裝調(diào)與維護(hù)設(shè)備（物料運(yùn)輸?shù)墓ぷ髁魉€）的升降臺物料堆垛的調(diào)試，升降臺上升下降由PLC控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)[1]。PLC對步進(jìn)電機(jī)也具有良好的控制能力，利用PLC控制步進(jìn)電機(jī)，其脈沖分配由軟件實(shí)現(xiàn)，其輸出端步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)量Y0、步進(jìn)電機(jī)方向Y1均可產(chǎn)生高速脈沖。

通過分析得到兩種控制方式，分別是：時(shí)間（或位置）控制方式實(shí)現(xiàn)物料堆垛；步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)量控制方式實(shí)現(xiàn)物料堆垛[7]。

（1）時(shí)間（或位置）控制方式實(shí)現(xiàn)物料堆垛

物料堆垛部分由三個(gè)位置檢測傳感器：升降臺原點(diǎn)檢測傳感器X007，左極限檢測傳感器X010，右極限檢測傳感器X011。

舉例：升降臺位置控制方式，實(shí)現(xiàn)升降臺第一塊物料堆垛程序[4]，如圖3所示。給步進(jìn)電機(jī)設(shè)置號脈沖數(shù)量Y0=180 000；上升到接第一塊物料的位置（右極限X011），設(shè)置好標(biāo)志位M1。升降臺上升不到標(biāo)志位M1的位置就步進(jìn)電機(jī)就一直保持上升狀態(tài)（線圈Y1保持得電狀態(tài)），吸盤一直保持吸住物料；當(dāng)上升到右極限的位置X011后，M1標(biāo)志位常開閉合，為升降臺停止作準(zhǔn)備；M1標(biāo)志位常閉斷開，步進(jìn)電機(jī)方向Y1斷電，升降臺停止上升，開始下降；同時(shí)，吸盤Y012放開，將物料放到升降臺上；當(dāng)升降臺下降到升降臺的原點(diǎn)位置傳感器X007處時(shí)，X007閉合，給步進(jìn)電機(jī)設(shè)置好脈沖數(shù)量Y0=0，步進(jìn)電機(jī)停止，升降臺停止，堆垛好第一塊物料。

圖3 位置控制實(shí)現(xiàn)物料堆垛程序

舉例：升降臺時(shí)間控制方式，實(shí)現(xiàn)升降臺第五塊物料堆垛程序[4]，如圖4所示。給步進(jìn)電機(jī)設(shè)置號脈沖數(shù)量Y0=180000；上升到接第五塊物料的位置（時(shí)間繼電器T7計(jì)時(shí)時(shí)間1 s到），設(shè)置好標(biāo)志位M1。升降臺上升不到標(biāo)志位M1的位置就步進(jìn)電機(jī)就一直保持上升狀態(tài)（線圈Y1保持得電狀態(tài)），吸盤一直保持吸住物料；當(dāng)上升到標(biāo)志位M1線圈閉合時(shí)，M1標(biāo)志位的常閉斷開，吸盤Y012放開，將物料放到升降臺上，計(jì)時(shí)器T8開始計(jì)時(shí)；同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)方向Y1斷電，升降臺停止上升，開始下降；當(dāng)計(jì)時(shí)器T8計(jì)時(shí)時(shí)間1 s到，給步進(jìn)電機(jī)設(shè)置好脈沖數(shù)量Y0=0，步進(jìn)電機(jī)停止，升降臺停止，堆垛好第五塊物料。

同理，升降臺位置控制方式與時(shí)間控制方式相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)升降臺第二、三、四塊物料堆垛程序。此處不再論述。

圖4 時(shí)間控制實(shí)現(xiàn)物料堆垛程序

（2）步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)量控制方式實(shí)現(xiàn)物料堆垛

PLC對步進(jìn)電機(jī)也具有良好的控制能力，利用PLC控制步進(jìn)電機(jī)，其脈沖分配由軟件實(shí)現(xiàn)，其輸出端步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)量Y0、步進(jìn)電機(jī)方向Y1均可產(chǎn)生高速脈沖。采用可調(diào)速脈沖輸出指令“DPLSR”[4]，通過PLC的Y0輸出端給步進(jìn)電機(jī)賦脈沖數(shù)量，Y1輸出端控制步進(jìn)電機(jī)的方向，而步進(jìn)電機(jī)則驅(qū)動蝸輪蝸桿，控制升降臺的上升還是下降，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)升降臺的物料堆垛。

控制步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)量方式實(shí)現(xiàn)物料堆垛程序[4]，如圖5所示。一開始吸盤Y12一直保持工作，并設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器C1（運(yùn)送物料的數(shù)量，本文這里以2塊物料為例來闡述）。PLC控制步進(jìn)電機(jī)的方向Y1，步進(jìn)電機(jī)有正轉(zhuǎn)趨勢，使得升降臺準(zhǔn)備上升來接第一塊物料，當(dāng)計(jì)數(shù)器C1計(jì)數(shù)到1時(shí)，賦值60 000脈沖給D0，Y0=60 000，說明開始給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送60 000個(gè)脈沖數(shù)量。這時(shí)，步進(jìn)電機(jī)Y0、Y1都就位，升降臺上升；當(dāng)60 000個(gè)脈沖數(shù)發(fā)送完畢后，吸盤放松，物料下落到升降臺，同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)方向Y1失電，升降臺上升停止，步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)備反轉(zhuǎn)，新賦值60 000脈沖給D0，Y0=60 000，說明開始給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送60 000個(gè)脈沖數(shù)量。這時(shí)，步進(jìn)電機(jī)Y0就位，升降臺開始下降，直到60 000個(gè)脈沖數(shù)發(fā)送完畢后，下降停止，堆垛好第一塊物料。

第二塊物料的堆垛，通過改變D0的賦值，也就是改變步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)量Y0，來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動多少角位移，也就是升降臺上升到達(dá)、下降到達(dá)的位置，從而實(shí)現(xiàn)第二塊物料的堆垛。

第三塊、第四塊、第五塊物料的堆垛，同理，不再贅述。

（3）時(shí)間（或位置）控制方式與脈沖數(shù)量控制方式的利與弊

圖5 步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)量控制方式實(shí)現(xiàn)物料堆垛部分程序

時(shí)間（或位置）控制方式，著重控制時(shí)間繼電器或位置傳感器，通過時(shí)間繼電器或位置反饋信號，控制升降臺的上升極限位置和下降極限位置，從而實(shí)現(xiàn)物料的堆垛。這種方法，需要時(shí)間位置控制方式，相對繁瑣，尤其是運(yùn)送第二三四塊物料時(shí)，需要時(shí)間和位置控制方法相互結(jié)合使用，程序維護(hù)相對復(fù)雜。

步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)量控制方式，著重控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)量，通過脈沖數(shù)量的多少來控制步進(jìn)電機(jī)的上升極限位置和下降極限位置。這種方法，簡單方便，只要通過數(shù)據(jù)寄存器D0來修改脈沖數(shù)量，通過計(jì)數(shù)器C1修改運(yùn)送的物料數(shù)量，程序理解和維護(hù)方便，非?？煽?。

4 結(jié)語

本文利用PLC通過對步進(jìn)電機(jī)的位置控制，使得升降臺上升和下降，配合吸盤動作，從而可靠的實(shí)現(xiàn)了物料堆垛。通過比較分析，時(shí)間位置控制方式和步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)量控制方式兩種方法，均能實(shí)現(xiàn)各種步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)、停止，完成升降臺接料、堆垛等各種復(fù)雜的工作。但是比較后，發(fā)現(xiàn)PLC控制改變步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)量的方法優(yōu)化了程序，使用起來，方便靈活，簡單易行，提高了控制系統(tǒng)的柔性和可靠性[3]。

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