基于PLC控制的窑尾多规格分级落砖设备

    胡国纬

    摘 要：本文着重从系统组成、系统设计及程序编写三方面，介绍利用可编程控制器（PLC）和变频器驱动系统，实现窑尾分级落砖的自动化控制，对减少人工及工作强度、提高产品质量、增强陶瓷行业现代化管理水平具有广泛意义。

    关键词：PLC；变频驱动系统；窑尾分级落砖

    1 前言

    以前，很多厂家的窑尾分级落砖是人工完成的。工人把不同级别的瓷砖，人工分别堆放在砖架上。在这个工序中，有两个显著特点：

    第一，砖体温度高，通常窑尾捡砖时的砖体温度都有100℃左右的高温，需要配带隔热手套工作，否则很容易被烫伤；

    第二，大规格瓷砖，单件质量重，例如，常见的800 mm×800 mm砖，单件就有15 kg重。在窑尾连续捡砖，是一项重体力劳动。

    工人在这种高温的环境下进行繁重的作业，体力消耗较大，容易出现体力透支、高温中暑等现象。

    然而，以前的窑尾落砖机大多没有分级功能，且通常不具备可转换落多规格瓷砖的功能，使用范围受到限制。

    为了解决这些难题，本文应用PLC 自动化控制技术，结合实际生产。不断改进优化方案，摸索总结出了以下成功解决方案，既减轻工人的劳动强度，又可提高经济效益。

    以下就基于PLC的窑尾多规格分级落砖解决方案的系统组成和控制方面进行阐述，并说明了系统的工作流程，希望能给同行们以探讨、借鉴。

    2 窑尾多规格分级落砖机的技术指标

    本次使用的设备可以生产多个规格的瓷砖，主要可生产以下四种规格的瓷砖，分别是：1200 mm×600 mm；900 mm×450 mm；800 mm×800 mm；600 mm×600 mm，因此，设计时整线需考虑调节转产功能。

    要实现分级落砖功能，就须安装多套分级落砖单元，每套分级落砖单元的机构组成和工作流程都是一样的。在这里，只对其中的一套分级落砖单元进行阐述。

    2.1 入口分级系统

    入口分级系统由入口对中装置和分级装置两部

    组成。

    为了确保每次来砖都能垂直平顺地进入分级装置，而设计了这套入口对中装置。该装置主要由两个气缸、四个导轮及其它组件组成。它们分别位于来砖方向的左右两边，每边一个气缸，两个导轮。

    两个气缸是同时动作的，调机时，中间放一片需对中的瓷砖，使两个气缸同时伸出，四个导轮刚好压稳瓷砖的左右两边为好。在入砖方向上，瓷砖的中心线应该刚好和入砖的两条皮带的中心线重合，如果中心线不重合，就要调整左右气缸的行程，使之重合。

    分级装置由一个普通光电开关和一个荧光光电开关及固定支架等组成。普通光电开关负责检测瓷砖的有无，荧光光电开关负责检测瓷砖上荧光笔的画线。两者信号配合，经过PLC软件处理，来判断荧光线在瓷砖上的位置。如果瓷砖没有荧光线，则该瓷砖为一级；如果荧光线在瓷砖的前边沿，则该瓷砖为二级；如果荧光线在瓷砖的后边沿，则该瓷砖为次品。

    2.2 抬起及叠砖系统

    该系统由抬起装置、斜坡传动机构、叠砖升降装置组成。

    该系统由入口分级系统判断的瓷砖级别和该套落砖单元介面设定的落砖级别对比，如果相同，则抬起装置抬起，使该瓷砖经过斜坡传动机构落到叠砖升降装置上，当该瓷砖传动到斜坡传动机构上时，抬起装置即可落下，准备好上层的过砖或下层动作。

    当瓷砖片数检测光电开关常亮时，叠砖升降装置降下，使瓷砖进入到下层传动及出砖系统。当瓷砖完全离开叠砖升降装置后，叠砖升降装置抬起，进行下一轮的叠砖。

    2.3 下层传动及出砖系统

    该系统包括下层传动、出砖升降、出砖推砖、出砖传动及出口夹砖五个子系统组成。

    下层传动和出砖传动在没砖到的情况下可以常转，但是在出口夹砖位有砖时，出砖传动位再有砖时，就要停止。此时，如果出砖升降位也有砖，下层传动就要停止。叠砖系统叠好砖，降下后，抬起装置将不再抬起。这样设计的目的是为了防止瓷砖撞在一起，造成工序混乱和瓷砖损坏。

    出砖推砖是在出砖升降位有砖，出砖升起后，出砖时气缸动作，推一下瓷砖。这样设计的目的主要是考虑到，要保证较小的瓷砖可顺利传动到出砖皮带上。

    2.4 小车前后移及前后翻砖系统

    该系统是该套设备中最核心、最复杂的系统。系统包括小车的翻砖传动皮带，该皮带可以前、后两个方向传动，以适应前、后翻砖的需要；相对应的还有小车的前、后翻砖子系统和小车的前、后移系统。

    因为每个分级落砖单元有两个落砖工位，分别为前落砖工位和后落砖工位，分别对应前、后砖架。如前砖架落砖满了，小车就会自动到后砖架工作，此时，工人可以用叉车叉走前砖架的砖，换上空砖架；当后砖架落满砖后，小车又会自动到前砖架工作。如此，实现前、后砖架轮流不间断工作。

    2.5 手动控制

    对每台电机的运行与停止，每个气缸的动作与复位，都可进行手动操作，以便对每个装置单独调整、检修或排除故障使用。

    2.6 自动控制

    自动运行时，可按照上述2.1～2.4的要求完成循环运行。

    2.7 自动过砖

    当不需要该分级落砖单元工作时，可在人机介面设定，当可分级的“一等品、二等品、次品”三种级别都不选定时，将没有任何级别的瓷砖会从该落砖单元落砖。此时，经过该分级落砖单元的全部瓷砖就可以传动到下面的分级落砖单元，进行分级落砖，从而完成自动过砖功能。

    3 PLC控制系统设计

    根据以上技术指标和控制要求，该套落砖单元共有四个系统和三个工作模式，且该设备通常要一个PLC系统控制两套这样的落砖单元。由于控制较大，在这里，我们选用的PLC是OMRON的CP1H-X40DT-D，再加上三个40点的I/O扩展模块CP1W-40EDT。这样就组成一个共160个I/O点的PLC系统控制系统，该套PLC系统可同时控制两套这样的落砖单元。

    由于该套PLC系统所控制的1#、2#落砖单元是相同的，故在这里只对该套PLC系统中的1#落砖单元进行阐述。

    3.1 数字量输入部分

    输入地址分配如表1所示。

    3.2 数字量输出部分

    输出地址分配如表2所示。

    4 各技术指标的实现

    4.1 入口分级系统的设计

    该技术指标已在2.1中做了初步的介绍，在我们实际生产调试的过程中，在人机介面上增加了都可以设定要落砖的级别的选项，这样设计可以使设备的应用更加灵活。

    如图2所示，当0.06点ON时，延时0.3 s，入口夹砖气缸102.00点ON，该点ON后，开始计时0.8 s，时间到，101.04点OFF，夹砖气缸复位，完成入口夹砖。

    当1#配合荧光检测光电0.10点ON时，开始计时，总时间T0和前边沿到荧光线所用时间T1，同时开始计时，0.10点ON，结束T0计时；0.09点ON，结束T1计时。如果在过砖的过程中，0.09点均未出现ON（即未检测到荧光线），则该砖为一级品；否则就用T0的值除以T1的值，就可以判断出荧光线在瓷砖的前边沿还是后边沿。该系统的部分程序如下所示（指令表格式）：

    4.2 抬起及叠砖系统的设计

    该系统已在2.2中做了初步的介绍，当入口分级系统检测出来砖的级别后，这个来砖的级别与该落砖单元设定的级别相比，如果相同，如图3所示，则102.01点ON，1#过砖升降气缸动作，过砖升抬起，来砖进入M2电机1#斜坡传动段，经过该段落到1#落砖叠砖位，完成落一片砖。

    随着1#落砖叠砖位叠砖数量的增加，当1#叠砖到位光电1.00点ON时，延时1秒后，1#叠砖升降102.02点OFF，1#叠砖升降降下，延时0.5 s后，1#下层入砖M3电机控制输出点101.02点ON，M3电机传动，1#斜坡光电0.11点由ON变为OFF，延时0.5 s后，1#叠砖升降升起，完成复位，可以再次接砖。

    该系统的部分程序如下所示（指令表格式）：

    4.3 下层传动及出砖系统的设计

    如图4所示，当抬起及叠砖系统叠好的砖传到1#下层出砖到位，即1.01点ON时，延时0.6 s后，1#下层入砖传动M3停止，同时1#下层出砖升气缸102.03点ON，当1#下砖出砖升到位1.02点ON时，如果此时1#出砖传动M4的控制点101.03点也ON时，则1#下层推砖气缸动作，当1#下层推砖到位0.01点ON时，1#下层推砖气缸立刻复位，完成一次1#下层推砖动作。当1#下层推砖复位0.02点OFF，如果此时1#下层出砖到位1.01点也OFF，1#下层出砖升103.03点就可以OFF，1#下层出砖升复位1.03点ON，此时就可以充许1#下层入砖传动M3再次传动，进行下一次的出砖。

    4.4 小车前后移及前后翻砖系统的设计：

    如图5所示，每一个落砖单元分为前、后两个落砖工位，前、后两个工位中任何一个工位先有砖架，延时3 s 后，该工作就先处于工作状态。如果上电后，第一次开机，前、后工位都有砖架，则前工位先处于工作状态。前、后两个工位的工作过程相似，故在这里只对1#小车前工位的工作过程做阐述。

    前工位处于工作状态，则落砖小车就前移，如果前砖架上无砖，则小车就会前移到1#车的前位1.11点ON，然后，小车前移停止，等待来砖；如果前砖架上已有砖，则1#小车就会前移到1#小车前落砖后退电眼1.08点ON时，1#小车停止前移，延时2 s，1#小车后退至1#小车前落砖后退电眼1.08点OFF时，1#小车停止后退，等待来砖。

    当1#出砖电眼2对应的1.05点ON时，延时1秒，开始出口夹砖，出口夹砖动作1.2 s，复位，再延时0.3 s后，出口接砖升下降，至此，完成出口位的夹砖及下降。

    然后，1#翻砖前后传动M5向前传动，当1#前翻砖到位1.07点ON，延时0.8 s，1#翻砖前后传动M5变为低速向前传动，这个低速运行的时间可以在人机介面设定。当低速运行时间到，M5停止运行，开始翻砖，即1#前翻砖103.01点ON，1#前翻砖ON的时间也可以在人机介面设定，当1#前翻砖时间到，1#前翻砖103.01点OFF，1#前翻砖复位1.06点ON，1#前翻砖复位完成。至此，完成1#前翻砖动作过程，等待下次来砖，继续循环运行。

    1#小车前落砖工位的部分程序如表5所示。

    5 结束语

    该设备自去年设计成功以来，经过了实际生产使用的考验，同时对暴露出来的问题进行了不断的改进。现在，系统运行稳定，效果良好，是窑尾多规格分级落砖较理想的解决方案。通过本文的阐述，希望能给同行们以启发、借鉴。

    参考文献

    [1] 李明河.可编程控制器原理与应用[M].合肥：合肥工业大学出版社，2010.

    [2] 钟肇新编.可编程控制器原理及应用[M].广州：华南理工大学出版社，1999.