基于PLC的自动分笼机控制系统研究与开发.pdf

2 0 1 2年第 1 期 工业仪表与自动化装置 3 5 基 于 P LC 的 自动分 笼机 控 制 系统 研 究 与开发 金萌时， 魏中青， 苗晓刚， 陈吴 北京有色金属研究总院， 北京 1 0 0 0 8 8 摘要 针对禽类屠宰行业的分禽笼设备存在的一些问题 ， 融入逻辑功能强大的 P L C技 术。通 过 P L C内部梯形图程序和外部控制电路相结合 ， 提 出了三层 架构的分笼逻辑， 对控制 系统和程序 进行 了详细地设计 ， 成功开发 了高效的 自动分笼机控制 系统 ， 实现 了对禽笼的运入、 分层 、 运 出等一 系列 自动分笼功能。在 实际工程运用中， 展现出速度、 效率和操作上的良好效果 ， 具有较好的应用 价值 。 关键词 P L C； 光电开关； 接近开关； 控制 系统 ； 自动分笼 中图分类号 T P 2 7 3 ； T S 2 5 1 ． 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 2 O l 一 0 0 3 5 0 3 Re s e a r c h a nd de v e l o pme n t o n c o nt r o l s y s t e m o f a ut o ma t i c c r a t e de s t ac k i ng ma c h i n e b a s e d o n PLC J I N Me n g s h i ，WEI Z h o n g q i n g，MI AO Xi a o g a n g，C HEN Ha o G e n e r a l R e s e a r c h l a s t it u t e f o r N o n F e r r o u s Me t a l s ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 8， C h i n a Abs t r a c t Th i s p a p e r c o n s i d e r s t h a t s o me pr o b l e ms o f c r a t e d e s t a c k i n g ma c h i n e i n p o u l t r y i n d u s t r y， a nd p o i n t s o u t u s i ng P LC t e c h ni q u e，wi t h s t r o n g l o g i c f u n c t i o n，c o mb i n i n g i n t e r n a l l a d d e r di a g r a m p r o c e d u r e o f PL C wi t h e x t e r i o r c o n t r o l e l e c t r i c c i r c u i t ，t h e t h r e e l a y e r s t r u c t u r e o f d e s t a c k i n g l o g i c ha s be e n p r e s e n t e d，a n d c o n t r o l s y s t e m a n d p r o g r a m h a s b e e n d e s i g n e d i n d e t a i l ．T h e n c o n t r o l s y s t e m o f a u t o ma t i c c r a t e d e s t a c k i n g ma c h i ne h a s b e e n d e v e l o p e d ．I t c a n a c t u a l i z e s h i p i n，l a y e r i n g a n d s h i p o ut o n s u c h i s s u e s a s f u n c t i o n o f a u t o ma t i c c r a t e d e s t a c k i n g，a n d i n p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n，i t s ho ws g o o d e f f e c t o n t h e s p e e d，e f f i c i e n c y a n d o p e r a t i o n ．i t h a s p r e f e r a b l e t h e o r e t i c a l a n d p r a c t i c a l w o r t h o Ke y wo r d PL C；p h o t o e l e c t r i c s wi t c h；p r o x i mi t y s wi t c h；c o n t r o l s y s t e m ；a u t o ma t i c c r a t e d e s t a c k i n g 0 引言 随着我国食品工业改革的快速发展， 以及人力成 本的不断提升， 以开发制造为主营的企业将研发 目标 转向低人力 、 高 自动化的新型生产线设备， 这给现代 化机电设备的研究与开发提出了更高的要求。 目前 ， 国外的禽类屠宰行业已经广泛采用 P L C技术 ， 实现 了设备的自动化操作- 3 J 。考虑到禽体屠宰前挂部 分分禽笼的工作劳动强度大， 机械动作相对 固定 J ， 针对所分禽笼的尺寸、 容量 、 速度等要求， 研究开发了 自动分笼机。以 P L C的逻辑梯型图和控制电路为基 础， 实现对禽笼的运人、 分层、 运出的一系列 自动分笼 功能。使得设备在速度 、 效率和操作上 ， 展现 出了 良 好的使用效果 ， 目前 ， 已应用于国内禽类屠宰生产线 中， 提高了设备运行的 自动化程度。 1 自动分笼机工作原理及控制功能 目前， 国内绝大多数家禽类屠宰企业在前挂车间 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 0 9 作者简介 金萌时 1 9 8 1 ， 男， 工程师， 主要从事机电设备开发。 都应用了自 动分笼机， 它的主要作用就是要把几笼一 摞的家禽分成一笼一笼地输送到挂禽输送带上 J 。 图 1 所示为 自动分笼机的概貌图， 主要包括机械部分 和电气控制部分 ； 其中准确和高效的控制系统是提高 自动分笼机工作效率的关键。传统的控制系统可能 经常发生冲笼和误操作的情形 ， 由于 P L C在食品加 工企业常用的油炸机和蒸煮机设备上表现 出了良好 的应用前景 ， 因此 ， 该文将 P L C用于 自动分笼机， 开发了基于 P L C的 自动分笼机控制系统。 图 1 分笼机概貌图 3 6 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 2年第 1 期 主要控制原理如下 P L C通过金属触发接近开 关对数字量信号进行采集， 即对禽笼的位置与数量 的测定； 由 P L C中梯型图程序对输入信号进行逻辑 分析， 再由P L C输出信号控制继电器， 让电磁阀带 动油缸或液压马达运转来实现对禽笼的分置要求。 在生产过程中， 整个 P L C控制系统从信号采集、 逻 辑分析到信号输出， 实现了一体化、 全 自动的目标。 主要包括如下两方面的功能 1 采集禽笼位置 的数量信息并建立层数与分 置 的对应关系。 2 通过 P L C程序逻辑 ， 实现对两层及 以上禽笼 进行 自动分置 的功能 。具体实 现 的动作 流程为 “ 进筐” 一“ 运 出” 一 “ 抬起 ” 一 “ 落下” 一 “ 加 紧” 一 “ 放松” 。 2 P LC控制系统电路设计 自动分笼机 P L C电路功能结构如图 2所示 ， 整 体电路硬件配置应本着功能强大且经济实用的原则 来进行搭配。其 中选用欧姆龙 C P M1 A一 3 0 C D RA 型号的 P L C， 处理速度可精确到千分之一秒 ， 并可提 供 2 4 V电源 ； 而且对于接近开关与光电开关提供的 电信号 ， 反应速度可达到千分之一秒 ， 大大提高分笼 速度 ； 同时， 编程环节可采用笔记本电脑串口编程方 式或手持编程器编程方式， 可在现场进行编程和修 改 ， 操作简便 J 。 图 2 自动分笼机 P L C电路功能结构图 电路设计思路围绕着 P L C的输 入与输 出展开 ， 信号输入是 P L C与接近开关和光电开关配合， 而信 号输出是 P L C与继 电器、 接触器和 电磁 阀配合 ， 要 确保各部分之间分工明确， 线路设计合理， 功能实现 比较稳定 。 2 ． 1 电气系统硬件设计 在信号 输入 、 输 出及 处 理 环 节 ， 选用 欧 姆 龙 P L C ， 其输入输出端 口数量， 逻辑执行功能， 处理速 度等方面完全满 足 自动分 笼设备 的要求 ； 并采 用 奥托尼克斯 2 4 V光电开关 和金属感 应接近开关 ， 通过对禽笼和金属触发器 的感应来完成对 位置及 层数的侦测 ； 输出环节采用欧姆龙继电器和施耐 德接触器控制拖动设备。图 3所示为 自动分笼机 的电气图 。 M 油泵电 I 慢速电机 1 慢速电机 2 快速电 【 图3 自动分笼机的电气图 2 ． 2 分禽笼功能设计 1 自动分笼机对三排禽笼判定 的功能实现 针对设备的实际情况设计了对三排禽笼到达适 合分笼位置的信号的读取， 还对两层及以上禽笼的 层数的信号进行读取 ， 另外对第 4排禽笼接近分笼 机的信号进行了读取 ， 最后对分笼平台的上、 中、 下 位置信号进行读取。信号触发是通过7组接近开关 和一组光电开关实现的， 控制信号触发电路如图4 所示， 其中 G 7为光电开关， 其余均为接近开关， 读 取信号则是直接将触发开关 的输 出端接人 P L C的 输入端来完成的。 01 U2 0 3 0 4 U ， U O L 】 ／09 图4 控制信号触发电路图 2 禽笼运入和运出功能的实现 主要由 P L C通过其 内部程序的判定 ， 向继 电器 输 出控制信号， 再 由继电器导通液压马达、 快速电机 等拖动设备来完成的， 例如快速进框动作的电路如 图 5所示 。 图5 快速进框电路图 3 分笼机械动作的实现 自 动分笼机在完成分笼指令时， 机械动作 由 2 0 1 2年第 1 期 工业仪表与自动化装置 3 7 液压泵站完成 ， P L C向控 制油路 的电磁 阀发 出控 制信号， 主要包括运出、 抬起、 落下、 加紧和松开等 分笼机械动作 ， 并可 以根据用户 的实 际需要 ， 选择 自动分笼和手动分 笼。其 中分笼程 序逻辑 电路如 图 6所示 。 运 f } J 抬起 落 下 必紧 松 开 进健快速电机 图 6 分笼程序逻辑 电路 图 3 三层架构的分笼逻辑程序设计 自动分笼机要完成三排禽笼的分笼功能， 系统 引入快速电机， 并实现触发开关的信号读取， 首先对 程序的整体框架做了有针对性的规划。根据 自动分 笼机的动作特点 ， 提出了三层架构 的分笼逻辑， 即将 程序逻辑主要规划为三部分 禽笼运入运出逻辑限 定； 首次“ 抬起” 分笼单循环逻辑； 二层以上分笼逻 辑 ， 该逻辑结构如图 7所示。 二层以上分笼逻辑 i i。 吾 - _ ； i i 单 循 环 逻 辑 ； 畸 运 出 逻 辑 i i ． ． j一⋯⋯ ⋯。 图7 分笼程序逻辑结构图 1 禽笼运入和运出逻辑限定 具体动作是 由 P L C控制快速电机的通断来 完成 ， 其逻 辑 条件 为 当三 排禽 笼 已到达 分笼 机 指定位置 ， 由到位接 近开关提供 的脉冲信号为 准 ， 第 4排禽 笼 快要 进入 分 笼机 前 ， 会 触 发快 速 电机所在输送机上 的一组 光 电开关 ， 它会 给 P L C 提供一组脉冲信号 ， 程序会依照多重信号的触发 开启或关 闭快速 电机 ， 图 8所 示为禽 笼运人 运 出 逻辑限定图。 r F l 上月沿置位 画 旧 r 卜 卜 卜 _ _ 0 1 o o 7 ]进 键 快 速 电 机 输 出 信 5 j 2 1 0 0 1} 一 - 1 0 1 0 0 I _j进筐 非阻 挡输 f 信 图 8 禽笼运人运 出逻辑限定图 2 首次“ 抬起” 分笼单循环逻辑 三排禽笼的到位信号及两层以上禽笼的信号都 由接近开关提供， 并 由 P L C读取， 在程序中， 首次 “ 抬起” 分笼单循环逻辑 由三排禽笼的到位接 近开 关的信号触发开启， 图9所示为首次“ 抬起” 分笼单 循环逻辑图。 l oq前次抬起延迟时问 l 阿次抬起逻辑 图9 首次“ 抬起” 分笼单循环逻辑图 3 二层以上分笼逻辑 二层 以上分笼逻辑是禽笼到位信号和两层以上 禽笼信号触发 的 自循环逻辑 ， 同时也受到首次 “ 抬 起” 分笼单循 环逻辑的限制 ， 只有上述接近开关都 被触发， 而且已结束首次“ 抬起” 分笼单循环逻辑， 二层以上分笼逻辑程序才能被启动运行 ， 图 1 0所示 为二层以上分笼逻辑 图。 lj 卜] 2 0 0 ． { 0 f0 0 8 20 0 0 5 20 0 Il 20 0 0 6 卜 ／ 卜 1 ／ 卜 一 。 。- ‘ J I ‘ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ 。 - 。 - - - - - 2 0 0 J 3 I l T1 T4 1 I I l I l 1 2 0 0l 5 l 。。。。。一’ 。 ’ ‘’。。。 。。。。。 。。。。。 。。。 。’ ～ 2 0 01 5 l l 20 01 1 20 0 0 6 l I l 2 0 0 02 2 00 0 9 20 0l 5 2 0 0 01 2 00 0 H H卜r } 卜 2 0 0 1 0 1 ． ．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．． j【 ． ． ． ． ． ． ． 一 l } l 图 1 0 二层以上分笼逻辑图 下转第 6 O页 6 0 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 2年第 1 期 3 用于信号补偿的测量仪表与数据检测仪表 分开。 2 信号屏蔽 工业生产现场电磁环境复杂 ， 为减少 电磁干扰 系统应做好以下几方面工作 1 每个控制机柜的安全接地和工作接地应分 别引至安全接地铜排和工作接地铜排 ； 2 接地电阻必须满足 D C S的要求 ； 3 所有电缆全部采用屏蔽电缆 ； 4 不同类型的信号尽量不要用 同一根电缆 ； 5 电源电缆必须同信号电缆分别敷设在不同 的桥架层。 2 其他问题 分散控制系统是一个综合复杂 的系统 ， 项 目实 施过程中涉及的公司和人员较多， 且建设周期 比较 长， 故在项 目设计 、 施工及运行过程经常出现硬件和 软件设计之外的问题影响 D C S的可靠性。 1 在 D C S的设计过程中， 经常片面地追求可 靠性， 而过多考虑冗余。但是冗余度增多， 检测、 判 定、 隔离和转换装置必然相应地增多 ， 增加了控制器 的负荷， 它们的串联将使系统的可靠性降低， 故在冗 余设计时应该同简化设计统一考虑 ， 找到平衡点 。 2 施工期 间现场条件 比较恶劣， 尤其是一些 高温或高湿度地区， 若分散控制系统的机柜到现场， 又没有符合要求 的存储房间， 必然会 因为环境条件 影响电子元器件的性能和使用寿命。湿度过高会使 密封较差的元器件受到腐蚀而退化 ， 温度过高会影 响元器件的使用寿命。 3 项 目调试 阶段一般都是项 目建设 的后期 ， 时间都 比较紧张 ， 因而在调试过程中如发现信号有 误或接线有误 ， 经 常是不经考虑就随意换 接线 。对 于电动机的信号线 ， 如稍有失误 ， 必将超过额定电流 或额定电压的信号引入 D C S的 I ／ 0卡， 轻则影响 I／ O 模件性能及使用寿命 ， 重则损坏 I ／ O模件通道。 因此调试接线时 ， 一定要核对其信号电压等级。 4 在电缆敷设时 ， 因施工人员对 分散控制系 统的安全可靠性认识不足， 经常不按规范敷设 电缆 ， 把强电、 弱电电缆敷设在 同一层桥架内， 甚至 同电气 高压电缆走同一通道， 这些都会给系统留下安全隐 患 ， 降低 了控制系统的可靠性 。 3 结语 该文对工程设计 中影 响 D C S可靠 性 的主要 因 素进行了分析 ， 列举了一些提高 D C S可靠性的方法 和措施 ， 并提出了几个项 目设计 、 施工及运行过程 中 对 D C S可靠性产生影响的常见问题 。在 D C S应用 越来越广泛的今天 ， 在工程设计 中必须重视 D C S的 可靠性设计 。 参考文献 [ 1 ] 李海泉， 李刚． 系统可靠性分析与设计[ M] ． 北京 科 学 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 威廉， 戈布尔． 控制系统的安全评估与可靠性 [ M] ． 白 焰， 董玲， 译． 北京 中国电力出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 何衍 庆， 黄海燕 ， 黎冰． 集散控制系统原理及应用 [ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 李金勇， 薛峰， 吴利 明． 分散控制系统的可靠性探讨 [ J ] ． 发电设备 ， 2 0 1 0 4 2 8 0 2 8 4 ． 上接第 3 7页 4 结论 针对大容量禽笼高速 自动分置的生产线设备 ， 以 P L C控制系统为核心 ， 提出了三层架构 的分笼逻辑 ， 成功研发了高效的自动分笼机控制系统， 并在国内某 家禽屠宰加工企业安装试运行。实际应用表明， 该系 统有效避免了误操作， 分笼速度获得了较大提高， 冲 笼误操作 率为零 ， 并且 手动分 笼一 次性成 功率 达 9 8 ％， 自动分笼时歪筐或倒筐率小于 1 5 ％， 运行状态 良好 ， 效果突出。综上所述 ， 该设备具有逻辑性强， 速 度快， 效率高， 易改进等特点， 运行效果达到了预期目 标， 用户对该 自动控制系统非常满意。该控制系统体 现了工控自动化在禽类屠宰设备中的发展前景。 参考文献 [ 1 ] 田伟， 刘海军． 机电一体化技术在食品机械中的应用 及其发展探讨[ J ] ． 农产品加工， 2 0 0 8 1 1 5 4 5 6 ． [ 2 ] 周新明， 郑杰． 肉鸡屠宰加工工艺研究[ J ] ． 粮油加工 与食品机械， 2 0 0 2 1 4 2 4 3 ． [ 3 ] 吴伟雄， 冯晓宁， 胡万鹏． 基于 P L C的粽子蒸煮 自动控 制系统[ J ] ． 机电工程， 2 0 0 7 ， 2 4 3 6 46 6 ． [ 4 ] 欧姆龙 中国 有限公司． 欧姆龙使用手册[ M] ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 0 2 ． [ 5 ] 王辉， 张亚妮， 徐江伟． 欧姆龙系列 P L C原理及应用 [ M] ．北京 人民邮电出版社， 2 0 0 9 ． [ 6 ] 王进峰．P L C控制系统的设计要点与问题分析[ J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 5 1 0 1 1 51 1 6 ． [ 7 ] 陆秀令． 提高 P L C控制系统可靠性的措施[ J ] ． 机电工 程技术， 2 0 0 4 ， 3 3 1 5 45 6 ．