基于PLC控制的氮化釩燒結(jié)設(shè)備自動(dòng)上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程繼發(fā)，李鵬飛，陳 彭，肖 路，曾帥強(qiáng)，熊 健

（湖南爍科熱工智能裝備有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

隨著國(guó)家2025計(jì)劃的提出，“中國(guó)制造” 逐漸轉(zhuǎn)變成“中國(guó)智造”，企業(yè)制造系統(tǒng)的自動(dòng)化程度也不斷提高，尤其是在汽車(chē)、微電子等相關(guān)前沿領(lǐng)域。 但是，熱工裝備領(lǐng)域應(yīng)用的自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展較為落后，目前除了可以實(shí)現(xiàn)匣缽簡(jiǎn)單的線體循環(huán)輸送， 其余操作均需人工進(jìn)行參與，氮化釩生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)溫度高、粉塵大，環(huán)境惡劣，不適宜人員在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間工作，且燒結(jié)后的氮化釩成品易黏結(jié)在一起，體積大，單個(gè)匣缽內(nèi)產(chǎn)品32 kg，人工搬卸勞動(dòng)強(qiáng)度較大，自動(dòng)化發(fā)展極為迫切。

PLC以微處理器為核心，通用性好，抗干擾能力強(qiáng)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。本文根據(jù)氮化釩合金生產(chǎn)工藝特點(diǎn)， 基于PLC控制設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)上下料系統(tǒng)， 采用伺服系統(tǒng)和精準(zhǔn)的位置傳感器保證該系統(tǒng)具有較高的定位精度和較快的上下料速度，有效地提高了生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)將氮化釩生料球裝入匣缽內(nèi)， 同時(shí)對(duì)匣缽進(jìn)行稱重和輸送， 并將燒結(jié)后的熟料球自動(dòng)卸料倒入移動(dòng)料倉(cāng)內(nèi)的功能， 設(shè)計(jì)自動(dòng)上下料系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），主要由上料裝置、刮平裝置、破碎裝置、升降裝置、卸料裝置及中間輸送裝置6部分組成。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案示意圖

主要工作流程為：上料裝置中的稱重模塊將空匣缽頂升后， 料倉(cāng)內(nèi)存儲(chǔ)的生料球通過(guò)振動(dòng)給料機(jī)裝入匣缽，振動(dòng)給料機(jī)預(yù)設(shè)快速和慢速兩種模式，以防止下料速度過(guò)快，匣缽內(nèi)的生料重量過(guò)沖，高于設(shè)定值。然后通過(guò)刮平裝置將匣缽內(nèi)的生料球刮平，防止在爐膛內(nèi)輸送時(shí)發(fā)生跳球現(xiàn)象， 將匣缽卡在爐膛內(nèi)。經(jīng)輸送裝置將匣缽送入燒結(jié)設(shè)備進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)完成后的氮化釩生料球會(huì)黏結(jié)在一起形成一大塊，通過(guò)破碎裝置將黏結(jié)在一起的產(chǎn)品破碎開(kāi)。 通過(guò)提升機(jī)構(gòu)1將輸送裝置上的匣缽工作面提升為原來(lái)輸送水平面的兩倍高度，然后輸送至卸料裝置，首先通過(guò)氣缸將匣缽固定住，然后整體上下翻轉(zhuǎn)180°，匣缽內(nèi)已經(jīng)破碎的氮化釩成品自然掉落至下方的移動(dòng)接料倉(cāng)，完成卸料。隨后將倒完料的空匣缽再次反向翻轉(zhuǎn)180°，使匣缽回到原來(lái)的位置，繼續(xù)輸送至提升機(jī)構(gòu)2， 提升機(jī)構(gòu)2將倒完料的空匣缽從下料裝置工作水平面下降到輸送裝置水平面， 以將空匣缽繼續(xù)送入后面的上料裝置進(jìn)行裝料。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選擇SIEMENS公司S7-1200系列PLC作為控制器，它采用DC24V作為電源，具有14路數(shù)字量輸入、10路數(shù)字量輸出、2路模擬量輸入、2路模擬量輸出，可同時(shí)搭載4軸脈沖輸出功能，擴(kuò)展單元選擇3個(gè)SM1223 DI16*24V DC/DQ16*24V DC，它具有16路數(shù)字量輸入、16路數(shù)字量輸出。觸摸屏選用昆侖通態(tài)公司TPC1570Gn系列， 它具有極強(qiáng)的界面繪制功能，同時(shí)與所選擇PLC具有很強(qiáng)的兼容性。稱重傳感器選擇梅特勒-托利多公司的MT1260高精度傳感器， 該傳感器具有良好的耐腐蝕性， 防塵防潮，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67。

總體控制系統(tǒng)的硬件原理如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件原理示意圖

作為人機(jī)交互設(shè)備， 觸摸屏主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)顯示以及控制調(diào)試等，并通過(guò)RJ45網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)時(shí)與PLC通信， 向PLC發(fā)送控制指令將PLC中反饋回的信息實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。光電開(kāi)關(guān)、位置開(kāi)關(guān)和接近開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)節(jié)后信號(hào)， 并將接受到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成需要信號(hào)，傳送至PLC。PLC作為控制器，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要完成信號(hào)的采集和處理、伺服定位控制、自動(dòng)上下料控制等功能。系統(tǒng)主要輸入輸出信息見(jiàn)表1。

表1 主要輸入輸出信息表

3 高精準(zhǔn)位置控制設(shè)計(jì)

位置控制是該自動(dòng)上下料系統(tǒng)的主要部分，主要包括輸送線體上匣缽定位、 提升機(jī)升降位置到位控制和匣缽翻轉(zhuǎn)卸料位置控制等。 匣缽在輸送線體上輸送時(shí)， 通過(guò)光電開(kāi)關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出， 接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)匣缽進(jìn)行探測(cè)， 利用匣缽對(duì)光束的遮擋或反射， 由同步回路接通電路， 從而檢測(cè)匣缽的有無(wú)，進(jìn)而精確控制匣缽在線體上的輸送。接近開(kāi)關(guān)是一種無(wú)需與運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行機(jī)械直接接觸操作的位置開(kāi)關(guān)， 當(dāng)匣缽接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)到動(dòng)作距離即可使開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而驅(qū)動(dòng)直流電器或給PLC提供控制指令，接近開(kāi)關(guān)既有行程開(kāi)關(guān)、微動(dòng)開(kāi)關(guān)的特性，同時(shí)還具有傳感性能，且動(dòng)作可靠、性能穩(wěn)定、頻率響應(yīng)快、應(yīng)用壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)、防水和耐腐蝕等特點(diǎn)。 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)和升降機(jī)構(gòu)的上升、 下降都是采用三組接近開(kāi)關(guān)（減速、到位、超程保護(hù)）來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的（見(jiàn)圖3），保證了機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

圖3 翻轉(zhuǎn)、升降接近開(kāi)關(guān)布置示意圖

卸料裝置內(nèi)部設(shè)有保護(hù)彎板，能夠保護(hù)氮化釩產(chǎn)品在翻轉(zhuǎn)卸料過(guò)程中物料不會(huì)撞擊到石墨匣缽側(cè)壁，有效地保護(hù)了石墨匣缽。 光電開(kāi)關(guān)接收信號(hào)后，該裝置的壓緊機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，可以減小石墨匣缽在傾倒物料時(shí)的震動(dòng)，有效保護(hù)了石墨匣缽，延長(zhǎng)了石墨匣缽使用壽命，同時(shí)也完成了卸料過(guò)程。

升降機(jī)構(gòu)在卸料裝置的前后各有一套， 卸料裝置前的提升機(jī)構(gòu)1將裝有成品氮化釩的匣缽從輸送裝置水平面提升到卸料裝置工作的水平面， 卸料裝置后的升降機(jī)構(gòu)2將倒完料的空匣缽從卸料裝置工作水平面下降到輸送裝置水平面， 以將空匣缽繼續(xù)送入后面的上料裝置進(jìn)行裝料。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括觸摸屏設(shè)計(jì)和PLC程序設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。觸摸屏界面主要有運(yùn)行監(jiān)視、手動(dòng)界面、溫度數(shù)據(jù)、負(fù)載監(jiān)測(cè)、歷史記錄、報(bào)警記錄、工藝曲線和操作幫助8個(gè)界面，如圖4所示。溫度曲線可以實(shí)時(shí)顯示燒結(jié)溫度， 便于判斷生產(chǎn)過(guò)程中電氣原件是否有損壞。 客戶可以通過(guò)歷史記錄查閱每天燒結(jié)產(chǎn)量、用電量、功率等信息。 報(bào)警記錄顯示超溫報(bào)警、超壓報(bào)警等信息。工藝曲線可以實(shí)時(shí)顯示產(chǎn)品燒結(jié)工藝，便于可以后期調(diào)試。

圖4 觸摸屏界面圖

運(yùn)行監(jiān)測(cè)界面如圖5所示， 上面一排是運(yùn)行狀態(tài)和指示燈，中間環(huán)形是液壓缸運(yùn)行方向，其中順時(shí)針表示液壓缸前進(jìn)方向， 逆時(shí)針是液壓缸后退方向，液壓缸順序由字母加數(shù)字組成， 中間是顯示的循環(huán)時(shí)間、清洗時(shí)間等，最下面是窯頭、窯中和窯尾壓力顯示。手動(dòng)運(yùn)行界面如圖6所示， 左側(cè)是窯頭液壓缸運(yùn)行順序，順時(shí)針是液壓缸前進(jìn)，逆時(shí)針表示液壓缸后退，右側(cè)是液壓缸運(yùn)行狀態(tài)顯示燈，包括前進(jìn)、后退和暫停。

圖5 運(yùn)行監(jiān)測(cè)界面圖

自動(dòng)運(yùn)動(dòng)即上下料系統(tǒng)接收上料信號(hào)， 自動(dòng)地完成上料、稱重、刮平輸送、破碎、升降和下料等過(guò)程，動(dòng)作流程如圖7所示，初次開(kāi)機(jī)時(shí)需要用戶對(duì)上下料系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置， 系統(tǒng)自檢則是檢測(cè)各機(jī)構(gòu)是否到位以及電源電氣是否準(zhǔn)備就緒等。 自動(dòng)運(yùn)行程序里設(shè)置了各動(dòng)作之間的互鎖， 一旦在未到位的情況下執(zhí)行下一步動(dòng)作觸摸屏都會(huì)進(jìn)行報(bào)警并斷開(kāi)動(dòng)力電源，停止運(yùn)行。

圖7 自動(dòng)運(yùn)行流程示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)基于PLC控制， 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)快速準(zhǔn)確的上料、刮平、破碎、升降、卸料及輸送等控制功能。 通過(guò)實(shí)際運(yùn)行，該系統(tǒng)解放了工人繁重的體力勞動(dòng)，避免了工人長(zhǎng)時(shí)間近距離接觸釩而中毒的可能性，稱重模塊實(shí)現(xiàn)每次裝料重量相同， 有利于產(chǎn)品的一致性，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。