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          基于PLC伺服控制在太陽能電池組件搬運機械手中的應用

          * 來源 : * 作者 : admin * 發表時間 : 2015-08-19 * 瀏覽 : 110
          本文針對太陽能電池組件生產過程中存在的工人勞動強度大和生產效率低等問題,設計一種采用真空吸盤結構的太陽能電池組件搬運機械手,搭建由PLC(可編程控制器)、伺服電機及驅動器構成的控制系統,并提出一種基于PLC的位置伺服控制方法。系統PLC程序采用模塊化思想進行設計,并利用組態軟件對觸摸屏進行組態,通過串行端口建立PLC與觸摸屏之間的通訊,實現PLC與觸摸屏對搬運機械手的聯合控制。應用結果表明,搬運機械手及其控制系統具有較好的交互性與靈活性且機械手自動運行過程穩定可靠達到了預期的設計目的。

            0 引言

            機械手作為一種自動化裝備,在生產線上下料作業中可以代替人完成繁重勞動,實現生產的自動化。工業自動化技術水平的不斷提高和人們對生產效率提出的新要求,促使機械手技術得到快速發展。PLC具有可靠性高、通用性強和使用簡便等優點,能夠為自動化設備提供可靠的控制方案,廣泛應用于各種工業自動化生產過程。本文針對國內某公司太陽能電池組件生產過程中存在的工人勞動強度大和生產率低等問題,設計一種太陽能電池組件搬運機械手。利用PLC、觸摸屏、伺服電機及驅動器搭建搬運機械手的控制系統,提出一種基于PLC的位置伺服控制方法,實現太陽能電池組件生產線傳輸過程的自動化。

            1 太陽能電池組件搬運機械手的結構與功能

            太陽能電池組件搬運機械手是整個太陽能電池組件生產線上自動化設備的一部分,其主要任務是將太陽能電池組件從托盤搬運到生產線下一單元,根據生產節拍定制整個工作循環小于30s。依據太陽能電池組件(如圖1所示)具體的結構尺寸和搬運路線,設計一種大跨度橫梁結構的搬運機械手,其整體結構模型如圖2所示。該搬運機械手主要由水平移動單元、豎直移動單元、真空吸盤機械手和支架組成。水平方向上由伺服電機經同步帶驅動整個機械手在橫梁上做水平直線運動。豎直方向上由兩個伺服電機同步運動經滾珠絲杠減速帶動真空吸盤機械手做垂直直線運動。真空吸盤機械手由15個真空吸盤組成,以保證吸附過程中太陽能電池組件均勻受力。

            圖2搬運機械手整體結構模型

            搬運機械手整體吸附機構采用了框架組合結構,材料選用鋁合金型材,采用高強度專用螺栓加彈性扣件的內部隱藏連接方式,堅固而又可靠。為了滿足用戶生產的不同規格太陽能電池組件的搬運操作,搬運機械手真空吸盤的位置可以根據具體的太陽能電池組件尺寸進行調節,從而增強了搬運機械手的適應性。

            2 PLC與觸摸屏聯合控制系統

            由于PLC的人機交互性能較差,操作人員難以直觀地觀測PLC和搬運機械手系統的工作狀況,故需配備一個上位機來配合PLC進行控制。搬運機械手的控制系統主要包括四個模塊:PLC與觸摸屏聯合控制模塊、執行模塊、檢測模塊和顯示模塊。根據搬運機械手的功能要求,在設計中,上位機、下位機、執行模塊和檢測模塊分別采用了觸摸屏、PLC、驅動系統和傳感系統,其中顯示模塊的功能由觸摸屏實現,控制系統硬件結構如圖3所示。觸摸屏作為操作人員與PLC交互的工具,其作用為接收指令輸入、顯示操作畫面和當前的工作狀態。PLC及其擴展模塊接收傳感器采集開關量信號,同時通過串口與觸摸屏實時通訊,并接收觸摸屏傳來的中間變量信號,發送脈沖信號給驅動器,驅動伺服電機帶動機械手運動。

            根據工作過程中所需要I/O點數和控制系統的功能要求,可編程控制器選用了Micro PLC SIMATIC S7-200系列(CPU 224),觸摸屏選用了為MicroPLC SIMATIC S7—200應用而定制的具有圖形功能的設備SIMATIC HMI K-TP 178micro。伺服電機與驅動器選用了松下公司的AC伺服電機MHMD042P1 C和驅動器MBDDT2210。

            3 PLC位里伺服控制方法

            根據生產過程中太陽能電池組件的搬運路線,搬運機械手控制模式采用點到點的位置伺服控制。位置伺服控制過程通過57-200 CPU發送脈沖序列來完成。CPU發送一個脈沖序列和一個方向信號給伺服驅動器,經過驅動器轉換為響應的電壓信號提供給伺服電機,驅動器接收伺服電機反饋信號,重新計算伺服電機運動目標的位置,達到精確控制伺服電機運動的目的。圖4是由57-200 CPU和松下伺服驅動器MBDDT2210組成的位置伺服控制系統其中MBDDT2210接收來自S7-200 CPU的目標位置和方向的脈沖信號后完成對定位單元的閉環位置伺服控制。

            為了實現PLC的位置伺服控制功能,使用“MAPSERV”指令庫的功能塊,利用Q0.0和Q0.2或Q0.1和Q0.3輸出脈沖串來控制MBDDT2210實現位置伺服控制功能,利用10.0和10.1作為參考點輸入實現整個系統尋零功能。在實現位置伺服控制過程中,主要調用的庫函數有QO_x_CTRL、QO_x_Home、QO_x_MoveAbsolute、QO_x_MoveVelocity和QO_x_Stop,它們的功能分別是使能位控功能和傳遞全局參數、尋找參考點位置、絕對位置運動定位、以預置速度運動和停止運動。通過幾個庫函數的協調調用可以達到準確的位置伺服控制。

            4 控制系統軟件設計

            4.1 觸摸屏程序設計

            要使觸摸屏能夠在生產自動化中完成控制和監視的任務,需要對觸摸屏進行組態。觸摸屏的軟件設計包括畫面設計和變量連接。為了實現系統功能要求和保證系統較好的人機交互性能,設計的觸摸屏操作畫面結構如圖5所示。

            圖5觸摸屏操作畫面結構

            觸摸屏不僅監控和顯示當前的工作狀態,而且也要對PLC的動作進行控制。所以需要設置變量,建立觸摸屏組態變量和PLC的響應I/O點及各個存儲單元之間的關系,創建相應的事件,實現觸摸屏組態功能對PLC參數的輸入,PLC當前值在觸摸屏上的輸出功能。最后在觸摸屏和PLC之間建立通訊,達到實時的監測和控制。

            4.2 PLC程序設計

            4.2.1 PLC的I/O分配

            根據功能要求和位置伺服控制系統中I/O口的綁定,PLC的I/O分配如表1所示。

            4.2.2 系統初始化

            機械手操作前,其水平和垂直方向的位置均是隨意的,所以在開機后,進入自動循環之前需要對系統進行初始化。具體操作如下:z軸歸零,x軸歸零。機械手的機械零位在工作空間的左上角處,兩坐標軸歸零均采用PLC庫函數中的QO_x_Home。X軸歸零的庫函數調用格式如圖6所示。

            在初始化過程中,為了盡量減少歸零的時間,采用的軌跡路線如圖7所示。

            圖7歸零軌跡路線

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