基于PLC控制的瓷磚分級打包機(jī)

胡國緯

摘 要：本文著重從系統(tǒng)組成、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及程序編寫三方面，介紹利用可編程控制器（PLC）和變頻器驅(qū)動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)瓷磚分級堆垛打包的自動化控制，對減少人工及工作強(qiáng)度、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)陶瓷行業(yè)現(xiàn)代化管理水平具有廣泛意義。

關(guān)健詞：PLC；變頻驅(qū)動系統(tǒng)；分級堆垛打包

1 前言

在瓷磚生產(chǎn)線中，包裝好的成品瓷磚需要工人從生產(chǎn)線上取下，堆放在托架上。常規(guī)的瓷磚尺寸為600×600 mm，甚至達(dá)到1000×1000 mm，每箱瓷磚一般都在100 kg左右，堆垛工人的勞動強(qiáng)度非常大，而且在當(dāng)今人力資源匱缺的大背景下，重體力生產(chǎn)工人日益難招。瓷磚分級堆垛機(jī)的就是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生，它的推出既減輕工人的勞動強(qiáng)度，又可提高經(jīng)濟(jì)效益。

以下就基于PLC控制的瓷磚分級堆垛機(jī)解決方案的系統(tǒng)組成和控制方面進(jìn)行闡述，并說明了系統(tǒng)的工作流程，希望能給同行們以探討、借鑒，來共同為提高我國陶瓷業(yè)的現(xiàn)代化水平而努力。

2 多規(guī)格分級打包機(jī)的技術(shù)指標(biāo)

這套設(shè)備是可以生產(chǎn)二個規(guī)格的瓷磚，分別是： 800×800；600×600，因此，設(shè)計(jì)時，整線要考慮調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)產(chǎn)功能。可同時生產(chǎn)兩個級別的瓷磚，分開堆放。

首先，我對瓷磚分級打包機(jī)的全貌做個描述，讓大家對該設(shè)備有個整體的認(rèn)識。這是一個整條瓷磚包裝線的系統(tǒng)工程，由于該整線系統(tǒng)工程，設(shè)備較多，各個設(shè)備的功能也各不相同。限于篇幅，這里只對該整線工程的最后一套設(shè)備--瓷磚分級打包機(jī)，做詳細(xì)的介紹。如下圖所示，虛線中的部分，就是瓷磚分級打包機(jī)。

瓷磚分級打包機(jī)位于整條生產(chǎn)線的最后端，負(fù)責(zé)把生產(chǎn)線上出來的A、B兩個級別的整包瓷磚分開堆垛成“回”字磚垛，然后再由工人整垛捆綁，再傳動到最尾端，翻轉(zhuǎn)，最后由叉車叉走。

2.1 分級打包機(jī)系統(tǒng)組成概述：

為了便于把復(fù)雜的問題分解開來，變成一個個相對獨(dú)立的小系統(tǒng)。我把瓷磚分級打包機(jī)分為六大系統(tǒng)組成，分別是：1、直角調(diào)頭系統(tǒng)；2、瓷磚分級檢測系統(tǒng)；3、翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)；4、推磚及左、中、右定位系統(tǒng)；5、夾磚升降及平移系統(tǒng)；6、整垛傳動及翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)。這六大系統(tǒng)組成是通過對整套設(shè)備分析總結(jié)后，把功能關(guān)聯(lián)緊密或者該系統(tǒng)可完成一個相對獨(dú)立的工作，把這些塊分成一個系統(tǒng)，在編程時，做為一個相對獨(dú)立的程序段來設(shè)計(jì)。

3 各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程論述

3.1 直角調(diào)頭系統(tǒng)

捆扎好的整包瓷磚，從捆扎機(jī)出來就進(jìn)入了分級打包機(jī)，在現(xiàn)場做實(shí)地測量時，發(fā)現(xiàn)如果不經(jīng)直角調(diào)頭，瓷磚分級打包機(jī)不夠位置放。

直角轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)如下圖所示：

由于場地限制，不得不設(shè)計(jì)這直角調(diào)頭系統(tǒng)。故進(jìn)入了分級打包機(jī)后的第一個系統(tǒng)就是直角調(diào)頭系統(tǒng)，打包機(jī)的直角調(diào)頭系統(tǒng)上邊連接捆扎機(jī)，下邊連接打包機(jī)的翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由調(diào)頭氣缸和托起氣缸組成動力系統(tǒng)，其工作過程如下所述：

當(dāng)調(diào)頭電眼7.00無信號1.5秒，調(diào)頭復(fù)位感應(yīng)開關(guān)6.11無信號，調(diào)頭氣缸就復(fù)位，調(diào)頭氣缸復(fù)位完成，再充許捆扎機(jī)來磚；當(dāng)調(diào)頭電眼有信號1.5秒，入口調(diào)頭氣缸105.01開始調(diào)頭，當(dāng)調(diào)頭到位感應(yīng)開關(guān)6.10有信號，完成調(diào)頭；當(dāng)瓷磚分級檢測系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)、推磚及左、中、右定位系統(tǒng)全都無信號，入口托起氣缸105.00托起，當(dāng)托起氣缸到位6.08有信號2秒，入口托起氣缸105.00復(fù)位，同時入口調(diào)頭氣缸105.01也復(fù)位，當(dāng)入口托起、調(diào)頭氣缸都復(fù)位完成后，充許捆扎機(jī)來磚，完成循環(huán)運(yùn)行。

3.2 瓷磚分級檢測系統(tǒng)

由于前面生產(chǎn)線上的來磚有兩個級別，分別是A級和B級。要分辨出這兩個級別，才能分開堆放，通過現(xiàn)場觀察，分析比對，綜合考慮，最終采用了用顏色傳感器來分辨出這兩個級別。

瓷磚分級檢測系統(tǒng)要區(qū)分的A級和B級瓷磚如圖5所示，通過下圖，我們可看出A級瓷磚的包裝箱以紅色為主，B級瓷磚的包裝箱以綠色為主，因些，我們要分清是A級還是B級，只要分清紅色和綠色即可。

通過多方面了解、調(diào)查和實(shí)際實(shí)驗(yàn)，最終，我們選擇了德國勞易測公司的顏色傳感器，如圖6所示。

顏色傳感器是通過將物體顏色同前面已經(jīng)示教過的參考顏色進(jìn)行比較來檢測顏色，當(dāng)兩個顏色在一定的誤差范圍內(nèi)相吻合時，輸出檢測結(jié)果。該款顏色傳感器有三個可獨(dú)立示教的顏色通道，可以用來檢測三種不同的顏色。具體的示教、設(shè)置方法等，這里就不再贅述。

顏色傳感器具體的電氣安裝圖如圖4所示，因?yàn)轭伾珎鞲衅髦荒軝z測所示教的顏色，所以要和普通光電開關(guān)配合使用。普通光電開關(guān)用來檢測物體，顏色傳感器用來檢測顏色，當(dāng)普通光電開關(guān)有信號的過程中，顏色傳感器有瞬間信號，即可確定通過的是哪一種包裝顏色的瓷磚，進(jìn)而判斷出通過的瓷磚是A級的，還是B級的。

3.3 翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)

剛進(jìn)入打包機(jī)的包好的整包瓷磚是翻過來的，如下圖7所示，而在最終，打包機(jī)需要把瓷磚堆垛成“回”字形，如圖8所示，這就需要有一半的瓷磚需要翻轉(zhuǎn)，而另一半的瓷磚不需要翻轉(zhuǎn)，故翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)需要根據(jù)來磚的級別、該包瓷磚將要放的位置來判斷是否需要翻轉(zhuǎn)，還是不翻轉(zhuǎn)直接通過。

如圖8所示，打包機(jī)工作時，堆垛的順序如圖中的1、2、3、4所示，四個狀態(tài)工位分別是：1、底層豎放（簡稱：豎1）；2、底層平放（簡稱：平1）；3、第二層平放（簡稱：平2）；4、第二層豎放（簡稱：豎2）。結(jié)合圖7所示，我們可以分析出：平1和豎2需要翻轉(zhuǎn)，因?yàn)樗膫€狀態(tài)工位的放磚數(shù)量是可以在人機(jī)介面按需設(shè)定的，所以，當(dāng)瓷磚分級檢測系統(tǒng)區(qū)分出來磚是A級或B級后，就要馬上計(jì)算出該包磚將要放到哪邊的哪個狀態(tài)工位，進(jìn)而根據(jù)要放的那個狀態(tài)工位來判斷是否要翻轉(zhuǎn)。

翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電氣安裝正視圖如圖10所示，當(dāng)翻轉(zhuǎn)到位電眼有信號0.2秒，翻轉(zhuǎn)內(nèi)傳動停止，此時，如果機(jī)構(gòu)處于左翻轉(zhuǎn)到位，并且根據(jù)上述條件判斷需要翻轉(zhuǎn)，就向右翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)到右到位，停止翻轉(zhuǎn)；如果機(jī)構(gòu)處于右翻轉(zhuǎn)到位，并且根據(jù)上述條件判斷需要翻轉(zhuǎn)，就向左翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)到左到位，停止翻轉(zhuǎn)。因?yàn)?，無論是左轉(zhuǎn)180度，還是右轉(zhuǎn)180度，對磚的翻轉(zhuǎn)效果是相同的。所以，翻轉(zhuǎn)180度后，不需要復(fù)位，可繼續(xù)進(jìn)磚。

翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的左右翻轉(zhuǎn)是要注意保護(hù)功能的，除了必要的機(jī)械保護(hù)以外，還要注意電氣運(yùn)行方面的保護(hù)。翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的安裝圖右視圖如圖9所示，如果是左翻磚，當(dāng)系統(tǒng)左翻到左翻磚減速電眼7.03有信號時，左翻轉(zhuǎn)速度開始由高速變?yōu)榈退?，?dāng)左翻到左翻磚到位電眼7.04有信號時，左翻轉(zhuǎn)停止；如是右翻磚，當(dāng)系統(tǒng)右翻到左翻磚減速電眼7.05有信號時，右翻轉(zhuǎn)速度開始由高速變?yōu)榈退?，?dāng)右翻到右翻磚到位電眼7.06有信號時，右翻轉(zhuǎn)停止；翻磚的高速可通過觸摸屏設(shè)定，翻磚的低速直接在變頻器設(shè)定。這樣，通過高低速的分段設(shè)計(jì)，既可保證翻磚的效率，又可保證翻磚系統(tǒng)的平移性。

翻轉(zhuǎn)完成后，要根據(jù)該包磚將要放到哪邊的哪個狀態(tài)工位，進(jìn)而判斷推磚及左、中、右定位系統(tǒng)是否準(zhǔn)備就緒，如沒就緒，就停止，等待推磚及左、中、右定位系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒后，再傳動出磚。

3.4 推磚及左、中、右定位系統(tǒng)

推磚及左、中、右定位系統(tǒng)，包括兩部分：推磚定位部分、左右翻磚部分。該系統(tǒng)的作用可概述為：先把進(jìn)來的整包瓷磚推整齊，然后，再根據(jù)系統(tǒng)的整體需求來確定是否左翻磚、右翻磚或不翻磚。下面，針對該系統(tǒng)的這兩個部分的詳細(xì)介紹如下：

3.4.1 推磚定位部分

推磚定位部分的作用是把進(jìn)來的整包瓷磚推整齊，為夾磚升降及平移系統(tǒng)夾磚運(yùn)行或本系統(tǒng)的左右翻磚做準(zhǔn)備。該部分的安裝圖如圖11所示。

推磚條件分為兩種情況，情況一：當(dāng)推磚電眼2.00出現(xiàn)一個下降沿時，認(rèn)為有磚進(jìn)入了推磚機(jī)構(gòu)，此時，推磚氣缸102.00動作，開始推磚，推磚2秒后，認(rèn)為已把磚推好，推磚氣缸102.00結(jié)束動作復(fù)位；情況二：當(dāng)該套設(shè)備一開自動，入磚到位電眼2.01就有信號，說明該系統(tǒng)內(nèi)已停有一包磚，此時也要進(jìn)行一次情況一中的推磚動作，以確保在接下來的動作中，該包磚是整齊的。

3.4.2 左右翻磚部分

要搞清楚該部分的工作流程，要從打包機(jī)最終堆垛好的瓷磚的狀態(tài)來分析，打包機(jī)最終堆垛好的瓷磚如圖8所示，從圖中我們可以看出，要先放下層，再放上層；下層又分為兩部分，要先放豎的部分，再放平的部分；上層也分為兩部分，但是上層要先放平的部分，再放豎的部分。從瓷磚分級打包機(jī)全貌俯視圖（圖2）中，我們可以看到左右兩個不同級別的瓷磚堆放工位是對稱的，因此，每來一包瓷磚，我們首先要判斷這包瓷磚的級別，確定了級別后，就知道了該包瓷磚要放左邊工位，還是右邊工位。確定了左右工位后，要再判斷是放該工位的上層還是下層。確定了放該工位的上層還是下層后，還要再判斷是該層的平放部分還是豎放部分。最后就可以確定來的該包瓷磚是應(yīng)該左翻磚，不翻磚或者是右翻磚。左右翻磚部分的安裝圖如圖12所示。

3.5 夾磚升降及平移系統(tǒng)

夾磚升降及平移系統(tǒng)是該套設(shè)備中控制難度最高、最復(fù)雜的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的左右工位的上層和下層都有一個水平放磚的位置，這個位置要通過人機(jī)介面來設(shè)定；而左右工位上層和下層的豎放位置是分別通過碰壓對應(yīng)的小氣缸，對應(yīng)的小氣缸上的感應(yīng)開關(guān)沒信號，來實(shí)現(xiàn)左平移到位或右平移到位的，這樣做的目的是使豎放的磚排列緊密。但有一個缺點(diǎn)就是每次有一個平移壓到磚的動作，如果對應(yīng)的小氣缸壓力太大，就會使壓磚力度較大，造成機(jī)架晃動，使機(jī)臺振動較大；如果對應(yīng)的小氣缸壓力太小，就會使抓手在拿磚完平移的過程中，磚的一些晃動，就有可能觸發(fā)平移到位信號，造成在平移未到位的過程中，就下降放磚，產(chǎn)生故障。所以，升降和平移都需用編碼器來實(shí)現(xiàn)每次到位前的減速，PLC計(jì)算出減速位置，減速距離可分別通過人機(jī)介面設(shè)定。

如果在瓷磚分級檢測系統(tǒng)中檢測到來磚是A級的，系統(tǒng)就會自動分配到左工位，然后，再根據(jù)左工位現(xiàn)已堆放的狀態(tài)來判斷，該來磚是該平放還是豎放，如需平放，抓手就去中間位置等待；如需左豎放，抓手就去左豎放拿磚位等待。當(dāng)推磚及左、中、右定位系統(tǒng)把來磚處理好平放還是豎放的位置后，抓手先高速下降，當(dāng)快要接近磚時，變?yōu)榈退?，低速接近，直到到位信號觸發(fā)，停止下降。至此，抓手完成下降動作。

當(dāng)抓手完成下降動作后，抓手氣缸動作，抓手夾緊磚，氣缸動作1.6秒后，認(rèn)為已夾緊了磚。開始設(shè)計(jì)時，是安裝有夾磚到位感應(yīng)開關(guān)的，當(dāng)夾磚到位感應(yīng)開關(guān)有信號，認(rèn)為夾緊了磚，但是，在實(shí)際的使用過程中發(fā)現(xiàn)，有時磚已夾緊，但是還是不能觸發(fā)夾磚到位感應(yīng)開關(guān)。造成無夾磚完成信號，不能進(jìn)行下面的動作。

當(dāng)抓手完成夾磚后，抓手開始上升，如果放下層，則抓手只上升到下層平移位，無需上升的升降原點(diǎn)，下層平移位這個參數(shù)可以在人機(jī)介面設(shè)定；如果要放上層，則抓手要上升到升降原點(diǎn)。這樣的設(shè)計(jì)可以減少放下層時，每次升降的距離，節(jié)能且可明顯提高效率。

當(dāng)抓手完成上升后，開始平移，當(dāng)快要接近豎放的磚時，要邊平移邊稍做下降，這個開始稍做下降的平移位置及下降多少的下降值，都可以通過人機(jī)介面進(jìn)行設(shè)定。這個設(shè)計(jì)的目的是為了使豎放的磚在貼近已放好的豎放磚時，盡可能的低，以提高豎放磚時的可靠性。而平放磚時，則無需在平移過程中進(jìn)行垂直方向的下降。

當(dāng)平移完成后，抓手下降到降到位信號有，下降停止。抓手松開，抓手上升，如果是下層，則抓手只上升到下層平移位，無需上升的升降原點(diǎn)，下層平移位這個參數(shù)可以在人機(jī)介面設(shè)定；如果要是上層，則抓手要上升到升降原點(diǎn)。為了提高效率，在上升一段距離后，確保抓手脫離了磚后，可進(jìn)行同時進(jìn)平移，這樣設(shè)計(jì)可明顯提高回位的效率。

在回位的過程中，如果在瓷磚分級檢測系統(tǒng)中沒有檢測到來磚，則回位到平移的原點(diǎn)；如果有檢測到來磚的級別，則要根據(jù)來磚的級別，確定將要放到左工位還是右工位，再根據(jù)左工位或右工位的堆放情況，來確定是去到左豎放位、平移原點(diǎn)或右豎放位等待。等待推磚及左、中、右定位系統(tǒng)把來磚處理好平放、左豎放或右豎放的位置后，再開始下降拿磚。如果兩邊托磚都已滿磚，則抓手回到平移原點(diǎn)等待。

3.6 整垛傳動及翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)

整垛傳動及翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)負(fù)責(zé)把空托架傳動進(jìn)放磚位，把堆垛好的整垛磚傳動出放磚位，來到穿帶捆扎位，手動進(jìn)行整垛磚的捆綁，再傳動到翻磚位，手動進(jìn)行翻磚，最終由叉車叉走的整個過程。下面，我們對左整垛傳動及翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。左整垛傳動及翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)電氣安裝圖如圖14所示。

在自動運(yùn)行的過程中，如果左檢測磚架光電沒有信號超過4秒，聲光報警燈就會響起，提醒工人放磚架上去。放上去的空磚架經(jīng)過左工位傳動1的傳動，到左磚架定位光電處，當(dāng)左磚架定位光電有信號1.5秒后，左工位傳動1停止傳動，這樣設(shè)計(jì)的原因是，為了使左磚架定位光電能夠完全照到磚架，達(dá)到位穩(wěn)定檢測，以免在放磚的過程中，磚架晃動，使磚架定位光電開無信號，造成誤動作。

當(dāng)左磚架定位完成后，夾磚升降及平移系統(tǒng)就可以向左磚架上放磚了。當(dāng)左磚架上放滿磚后，M8左工位傳動1以及M9左工位傳動2同時啟動，將放好的整托架磚傳動到M9左工位傳動2上的左穿帶位置處，當(dāng)左穿帶位置光電有信號1.5秒后，M9左工位傳動2停止傳動，在這里等待工人將整托磚捆扎好。

當(dāng)將整托磚捆扎好后，如果最后的工位托架翻轉(zhuǎn)處于復(fù)位狀態(tài)，那么就可以通過旋動出磚旋鈕，M9左工位傳動2和M10左工位傳動3同時傳動，將整托磚傳動到M10左工位傳動3的輥臺上，當(dāng)左停止位置有信號時，M9左工位傳動2和M10左工位傳動3同時停止傳動。此時，工人可以在托架的側(cè)面塞入木制磚架，如圖8所示中打包機(jī)最終堆垛好的瓷磚的狀態(tài)那樣。

當(dāng)工人在整托磚的側(cè)面塞入木制磚架后，就可以通過旋轉(zhuǎn)旋鈕來實(shí)現(xiàn)整個托架的翻轉(zhuǎn)了，左整垛翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)電氣安裝圖如圖15所示。旋鈕可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動式翻轉(zhuǎn)，這樣設(shè)計(jì)主要是從安全方面考慮，因?yàn)檎写u非常重，翻轉(zhuǎn)要比較慢，如發(fā)現(xiàn)異常，可隨時停止。當(dāng)沒復(fù)位時，如果誤操作了出磚旋鈕，，M9左工位傳動2和M10左工位傳動3不會傳動。只有在翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)復(fù)位后，且左停止位置光電開關(guān)沒有信號，這樣出磚旋鈕才有效。

當(dāng)整托磚翻轉(zhuǎn)到翻磚到位光電開關(guān)有信號時，停止正向翻轉(zhuǎn)，此時，即使旋轉(zhuǎn)翻磚操作旋鈕也不會再向正向翻轉(zhuǎn)，這樣設(shè)計(jì)的目的是為了防止工人誤操作，確保安全。翻磚到位和復(fù)位都是雙重保護(hù)的，即使翻磚到位或復(fù)位的光電開關(guān)損壞，還有極限位的行程開關(guān)做為最終的安全保護(hù)。

整垛傳動及翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)分為左、右兩個部分，這兩個部分的工作原理及流程都是相同的。對于右整垛傳動及翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，在這里就不再贅述。

4 結(jié)語

該套瓷磚分級打包機(jī)已在國外某陶瓷廠順利投產(chǎn)兩年多，經(jīng)過了長時間的實(shí)際生產(chǎn)考驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。該套設(shè)備各個系統(tǒng)之間配合良好，運(yùn)行穩(wěn)定。由于采用了PLC和變頻器控制，后期故障率低，且便于檢修，維護(hù)方便，得到了客戶的一致認(rèn)可和贊同。

如果說到不足，主要是從效率方面考慮，由于國外陶瓷廠的生產(chǎn)速度，通常比國內(nèi)陶瓷廠要低好多，比如該套設(shè)備在國外陶瓷廠要求的產(chǎn)量是每分鐘4包瓷磚，可國內(nèi)像這樣的生產(chǎn)線通常要求產(chǎn)量要達(dá)到每分鐘7至8包瓷磚。而現(xiàn)在該套瓷磚分級打包機(jī)的設(shè)計(jì)產(chǎn)量是每分鐘4至5包瓷磚。要適合國內(nèi)市場，就要考慮改變機(jī)構(gòu)，改變流程，來提高產(chǎn)量。

由于本套設(shè)備的程序接近4000行，限于篇幅，在這里就不列出程序了。由此造成的不便，還請大家多多包涵。最后，希望通過本文的闡述，能給同行們以啟發(fā)、借見。

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