基于S7-1500 PLC和G120變頻器的高位碼垛控制系統(tǒng)設(shè)計

孫宜敬

（賽摩智能科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇 徐州 221004）

0 引言

高位碼垛系統(tǒng)是通過輸送、轉(zhuǎn)位、推袋、編組、分層、升降、整形等一系列操作將散裝物料包裝袋按照一定的規(guī)則有序碼放到托盤上的一種產(chǎn)線系統(tǒng)，主要應(yīng)用于化工、建材、糧食、飼料等行業(yè)。相比較于機(jī)器人自動碼垛，具有生產(chǎn)速度較高、使用環(huán)境更廣泛等優(yōu)點。尤其對于現(xiàn)場環(huán)境要求防爆的場所，因不能使用工業(yè)機(jī)器人，高位碼垛系統(tǒng)就成為了唯一的選擇。高位碼垛控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)位、推袋、分層和升降。當(dāng)前國外廠家通常使用德國SEW的MDX61B系列變頻器進(jìn)行驅(qū)動控制，其成本較高且調(diào)試復(fù)雜，本文研究了一套基于西門子S7-1500 PLC和G120變頻器的滿足防爆要求的高位碼垛系統(tǒng)[1]。經(jīng)研究該系統(tǒng)不僅經(jīng)濟(jì)而且調(diào)試非常方便，定位效果也完全滿足要求。

1 系統(tǒng)構(gòu)成和基本流程

系統(tǒng)主要包含水平輸送機(jī)、拐彎輸送機(jī)、斜坡輸送機(jī)、壓包輸送機(jī)、提速輸送機(jī)、轉(zhuǎn)位輸送機(jī)、轉(zhuǎn)位機(jī)、編組輸送機(jī)、推袋機(jī)、分層門、左/右/后整形機(jī)、升降機(jī)、托盤庫、內(nèi)垛輸送機(jī)、重垛輸送機(jī)、電控系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)等。其中，轉(zhuǎn)位機(jī)、推袋機(jī)、分層門、升降機(jī)使用G120變頻器驅(qū)動，做基本定位控制（EPOS）。系統(tǒng)設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)備總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的基本工作流程如下：

（1）前級包裝機(jī)出來的包裝袋經(jīng)過輸送、壓緊后進(jìn)入轉(zhuǎn)位輸送機(jī)，此時通過光電開關(guān)對包裝袋進(jìn)行檢測計數(shù)，根據(jù)所需垛型以及當(dāng)前計數(shù)值決定讓其直接通過或者轉(zhuǎn)位通過。例如，假設(shè)包裝袋袋口朝后從右向左輸送，則對于奇數(shù)層為2+3垛型（2橫袋和3豎袋），而偶數(shù)層為3+2垛型（3豎袋和2橫袋），在每兩層的10袋循環(huán)中，第1、9袋直接通過（2橫袋中的第1袋），第2、10袋轉(zhuǎn)位180度通過（2橫袋中的第2袋，袋口朝里），第3、4、5袋逆時針轉(zhuǎn)位90度通過（奇數(shù)層的3豎袋），第6、7、8袋順時針轉(zhuǎn)位90度通過（偶數(shù)層的3豎袋）；

（2）包裝袋進(jìn)入編組輸送機(jī)，此時再次通過光電開關(guān)對包裝袋進(jìn)行計數(shù)，并根據(jù)所需垛型以及當(dāng)前計數(shù)值決定是否編組完成，通常分為橫排編組和豎排編組，當(dāng)編組完成條件滿足時，推袋機(jī)開始動作，將所有當(dāng)前編組好的包裝袋推至分層門上相應(yīng)位置，該位置由所需垛型以及編組計數(shù)決定；

（3）當(dāng)分層門上包裝袋已經(jīng)達(dá)到所需垛型袋數(shù)時，啟動左/右/后側(cè)整形機(jī)構(gòu)將包裝袋進(jìn)一步推緊，然后打開分層門，將包裝袋落至已備好的升降機(jī)支撐的托盤上，這樣就完成了一層包裝袋的碼垛；

（4）每當(dāng)完成一層包裝袋的碼垛后，升降機(jī)根據(jù)光電開關(guān)的檢測信號或者設(shè)定位置參數(shù)下降一定距離至等待位置，以使得本層包裝袋離開分層門位置，從而分層門可以關(guān)閉；同時，為了垛型整齊美觀，每當(dāng)分層門閉合時，升降機(jī)將托舉包裝袋再次上升并使之?dāng)D壓分層門的下表面，進(jìn)行包裝袋的上表面整形；上整形完成之后，升降機(jī)將再次下降至等待位置，直到完成所有層數(shù)的包裝袋的碼垛；

（5）升降機(jī)開始下降，將已滿垛的垛盤落至內(nèi)垛輸送機(jī)上，由輸送機(jī)將垛盤輸送至后續(xù)各重垛輸送機(jī)上，此處重垛輸送機(jī)兼有垛盤暫存作用，未被叉車叉走之前垛盤可暫時存放，本系統(tǒng)可最多暫存5垛；

（6）垛盤離開內(nèi)垛輸送機(jī)時，托盤庫自動運行，空托盤同時被輸送過來，這樣升降機(jī)再將之升起至分層門下方，準(zhǔn)備承接第一層包裝袋，開啟下一個循環(huán)。自動托盤庫用于存放并自動供給空托盤，通常有氣動或電動兩種方式，本系統(tǒng)為氣動。

2 控制系統(tǒng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

2.1 控制系統(tǒng)主要設(shè)備

（1）S7-1500 PLC：為西門子新一代高級控制器，具有性能高、更開放、組態(tài)高效、運動控制功能強(qiáng)大等特點，本系統(tǒng)采用S7-1511PN型CPU作為控制核心，另根據(jù)系統(tǒng)需要選用數(shù)字輸入輸出模塊若干。

（2）G120變頻器：G120是一款模塊式變頻器系統(tǒng)，主要包含兩個功能單元：控制單元（CU）和功率模塊（PM）；控制單元可以控制和監(jiān)控功率模塊和與它相連的電機(jī)，能夠支持與本地或中央控制系統(tǒng)以及監(jiān)控設(shè)備的通訊。功率模塊用于對電機(jī)供電，功率范圍為0.37 kW至250 kW。集成的定位功能（基本定位器EPos）可在運行過程中實現(xiàn)高動態(tài)特性的定位任務(wù)。定位可通過增量編碼器或/和絕對值編碼器（SSI）來實現(xiàn)。本系統(tǒng)中根據(jù)工藝需要，轉(zhuǎn)位、推袋、分層、升降四個關(guān)鍵工位采用了帶有基本定位功能的G120變頻器進(jìn)行驅(qū)動控制。其中，轉(zhuǎn)位電機(jī)配置絕對值編碼器，其余電機(jī)配置增量式編碼器。另外，由于升降機(jī)為提升式位能性負(fù)載，故選用了電磁制動抱閘電機(jī)。

（3）V20變頻器：V20是一款通用的基本型變頻器，具有加速輕緩、平穩(wěn)、啟動轉(zhuǎn)矩大、通過制動電阻或者直流制動實現(xiàn)快速停車、機(jī)械抱閘直接控制等特點。本系統(tǒng)中內(nèi)垛、重垛輸送機(jī)等處采用了帶制動模塊和制動電阻的V20變頻器以實現(xiàn)重載平滑啟停等功能。

（4）檢測傳感器：系統(tǒng)中根據(jù)工藝需要，針對不同位置的托盤和包裝袋的位置和計數(shù)檢測，分別采用了對射型、鏡面反射型、漫反射型光電開關(guān)，以及高性能的接近開關(guān)等來實現(xiàn)。

（5）安全設(shè)備：為了保護(hù)設(shè)備自動運行中以及維護(hù)保養(yǎng)過程中的人身安全，系統(tǒng)中配置了專用的急停開關(guān)、安全繼電器、圍欄、安全光柵、升降安全銷等裝置，確保設(shè)備安全高效運行。

（6）防爆設(shè)備：系統(tǒng)中所有檢測傳感器均選用隔爆型或者本安加隔離柵型防爆形式，所有電機(jī)、接線盒等均滿足21區(qū)粉塵防爆要求，電控柜選用正壓防爆型。

2.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

系統(tǒng)中PLC、觸摸屏、G120變頻器之間均使用以太網(wǎng)網(wǎng)線連接，PLC和G120之間為PROFINET通信，通過西門子博途TIA PORTAL軟件進(jìn)行設(shè)備組態(tài)，網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖2所示。

圖2 設(shè)備組態(tài)網(wǎng)絡(luò)視圖

3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 基本定位器（EPOS）

G120變頻器的控制單元CU250S-2可通過選用定位功能授權(quán)卡啟用基本定位功能，將電機(jī)側(cè)和/或負(fù)載側(cè)的編碼器連接到控制單元，并由控制單元自身完成位置閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)相當(dāng)于伺服驅(qū)動的高精度定位控制。其基本配置如圖3所示。

圖3 基本定位器功能配置圖

3.2 定位功能設(shè)置和編程

（1）G120參數(shù)設(shè)置和電機(jī)優(yōu)化：要實現(xiàn)定位功能，必須對G120變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和編程。對于G120的參數(shù)設(shè)置，一般可通過STARTER軟件或者博途TIA PORTAL集成的START DRIVE軟件進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置的參數(shù)通常包括應(yīng)用等級、報文選擇、電機(jī)數(shù)據(jù)、編碼器參數(shù)、機(jī)械數(shù)據(jù)如減速比等，此處應(yīng)選擇111報文[3]。參數(shù)設(shè)置完畢后，通常需要進(jìn)行電機(jī)靜態(tài)和動態(tài)優(yōu)化，以進(jìn)行機(jī)械慣量、控制參數(shù)等方面的自動調(diào)整，需要注意的是，優(yōu)化過程中，電機(jī)將進(jìn)行一定時長和角度的旋轉(zhuǎn)，應(yīng)避免設(shè)備損壞或人身傷害。

（2）定位功能塊FB284：SINA_POS（FB284）是博途TIA PORTAL軟件集成的用于基本定位的功能塊。該功能塊基于111報文，通過DPRD_DAT（SFC14）和DPWR_DAT（SFC15）程序塊實現(xiàn)與變頻器的周期通信，交換過程數(shù)據(jù)（PZD），通過控制其輸入端子可以實現(xiàn)變頻器基本定位的各種功能。其包括設(shè)定值直接給定（1=相對模式，2=絕對模式，3=調(diào)整模式）、回參考點（4=主動回參考點，5=直接設(shè)定參考點）、程序步（6=程序步）、點動（7=速度點動，8=增量點動）。通過讀取其輸出端子可以監(jiān)視變頻器和定位軸的運行狀態(tài)。本系統(tǒng)中，結(jié)合觸摸屏的相應(yīng)操作界面，可進(jìn)行點動、回參考點（增量式編碼器）、手動運行、自動運行（絕對定位和相對定位）等操作，可對運行速度、加速度、減速度、定位位置等進(jìn)行設(shè)定。并通過FB284功能塊的輸出對當(dāng)前位置、當(dāng)前速度、回參狀態(tài)、定位狀態(tài)、故障代碼等進(jìn)行監(jiān)控。

3.3 系統(tǒng)程序設(shè)計

在調(diào)用FB284功能塊完成定位功能的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進(jìn)行手動和自動的邏輯控制程序設(shè)計。整個程序主要包括：故障處理、系統(tǒng)初始化、托盤庫、包裝袋輸送、垛盤輸送、轉(zhuǎn)位、推袋分層、編組、升降、手動/自動等幾個子程序；用戶需要確認(rèn)并在人機(jī)界面上輸入包裝袋的尺寸、所需碼垛層數(shù)、垛型等參數(shù)，然后根據(jù)工藝需要以及生產(chǎn)節(jié)拍等設(shè)定各電機(jī)運行參數(shù)，則系統(tǒng)可以投入自動工作模式。

除了完成自動碼垛的邏輯功能之外，對于系統(tǒng)安全需要給予特別注意，例如，對于升降機(jī)，除了上下機(jī)械限位之外，在程序中設(shè)置了上下極限限位開關(guān)，并且還通過G120參數(shù)設(shè)置了軟限位開關(guān)。系統(tǒng)手自動運行的基本流程如圖4所示[2]。

圖4 系統(tǒng)運行流程圖

3.4 系統(tǒng)調(diào)試和實物圖片

首先進(jìn)行手動調(diào)試，確保接線無誤情況下，使用手動工作模式，在人機(jī)界面上進(jìn)入調(diào)試畫面，可以對每一臺電機(jī)及氣缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行單機(jī)操作，調(diào)試過程中應(yīng)注意參數(shù)的保存、運行軟限位和/或限位開關(guān)的設(shè)置、電機(jī)的運行方向等問題，例如，對于絕對值編碼器，其參考點可以直接設(shè)定，無需每次上后尋找參考點，但是必須在初次設(shè)定后進(jìn)行保存，否則會丟失。

然后進(jìn)行自動調(diào)試，手動操作正常后，可進(jìn)入自動工作模式，此時應(yīng)根據(jù)運行情況調(diào)整系統(tǒng)中各參數(shù)設(shè)置如啟動延時、停止延時、上升位置、整形位置、電機(jī)速度、加速度、減速度等。

高位碼垛系統(tǒng)現(xiàn)場安裝運行的實物圖片如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)現(xiàn)場實物圖

3.5 性能測試分析

以推袋機(jī)為例，其電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 430 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)速為180 r/min，負(fù)載旋轉(zhuǎn)一周的實際行程為5 117 mm，按照位置分辨率為0.1 mm進(jìn)行設(shè)置，則負(fù)載旋轉(zhuǎn)一周所需的LU（LU為G120驅(qū)動器內(nèi)部的定位單位）為5117LU；編碼器分辨率為1024，精分辨率設(shè)定為2；推2橫袋時要求行程為2 m，經(jīng)實際測試運行，綜合傳動和機(jī)械機(jī)構(gòu)誤差之后，最終的位置精度為±5 mm；滿足設(shè)計和生產(chǎn)要求。

需要注意的是，日常運行中應(yīng)定期檢查各回參考點開關(guān)及其目標(biāo)板的情況，確保其檢測正常及位置準(zhǔn)確，否則有可能影響到最終的定位效果。另外，當(dāng)電機(jī)/減速機(jī)、編碼器、同步帶等硬件有更換時，必須進(jìn)行重新回參和參數(shù)修正。

4 結(jié)語

基于S7-1500 PLC和G120變頻器的高位碼垛控制系統(tǒng)，以PROFINET總線網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，穩(wěn)定可靠，應(yīng)用基本定位功能驅(qū)動控制的關(guān)鍵是工位電機(jī)能實現(xiàn)高精度位置控制，并能應(yīng)用多種器件和設(shè)備確保系統(tǒng)安全。同時，系統(tǒng)整體要按照防爆要求設(shè)計，才可用于危險環(huán)境。該系統(tǒng)已經(jīng)安裝在多個項目現(xiàn)場，運行穩(wěn)定可靠，操作簡單，受到用戶好評。