一种无人值守自动送料机的设计

马 群，黄 辉 ，邹耀伟

（江西冶金职业技术学院，江西 新余338015）

0 前言

负极活性材料—石墨烯在电子通讯、交通运输等领域应用广泛，具有巨大的经济效益和发展前景。某企业在生产该材料时，所得产品的输送过程仍采用人工操作，物料经常堵塞，生产效率低，且存在一定的安全隐患。针对以上问题，企业提出技改方案，要求设计一套由PLC控制的全程自动送料装置，并希望通过GSM控制器实现无人值守功能，达到降低生产成本的目的。为此，本文首先对设备的各零件模型进行了虚拟装配，确定了自动送料机的机械结构；电气动控制采用了PLC、电磁阀、GSM手机监控系统等，实现了送料机装料、行走、出料等过程的自动化及在线监控，最终设计了一台无人值守自动送料机，应用于生产后，成功解决了企业生产中存在的一个难题。

1 机械结构部分设计

无人值守送料机的机械传动机构如图1所示，主要由螺旋输送结构和送料小车两大部分构成。螺旋输送结构由减速电机、链轮、螺旋叶片、链条等零件组成。它的工作过程是下面的减速电机先启动，带动链轮旋转，从而带动螺旋叶片轴旋转，螺旋叶片推动料往上扬升，到达一定高度落入副螺旋机构料的进料口，主螺旋输送出料口与副螺旋输送进料口用法兰盘相对用螺栓连接。副螺旋机构通过螺旋叶片二次传送把料送入到加热炉腔体内，垂直落料从而避免堵塞现象。

图1 产品整体结构图

送料小车在钢轨道上来回移动，主要由固定板、料斗、固定桁架、驱动电机、涡轮蜗杆减速器及滑轮等零部件组成。驱动电机启动后，通过涡轮蜗杆副带动滑轮滚动；送料小车桁架上装有两个光电接近开关，当小车行程到达出料口和进料口两个极限位时停止移动。送料小车装料斗内有光电传感器，可以判断料斗内是否有料，从而控制螺旋送料机的电机开启。料斗下部的出料口上还装有电磁阀控制开关，出料时电磁阀开启，进料时电磁阀关闭，内部采用涡轮蜗杆机构传动改变出料开口的大小，偏转角度为0～100°.从而利用PLC编程可实现对送料小车装料、移动和落料过程进行自动控制，实现了无人值守功能。

无人值守送料机逻辑运动过程如下：

送料小车在远端限位开关处停止，料斗装入料，到达一定时间后停止装料，料斗驱动电机启动，带动料斗移动到这个螺旋输送机构进料口正上方，接触到极限开关后，小车停止运动，料斗最下方的出料阀门开启，料落入到螺旋输送机送料口。此时，螺旋输送机主、副电机启动，出料阀门打开进行传料过程。当落料完毕后，出料阀门逐渐关闭，停一段时间，螺旋输送机主、副电机关闭，完成一次送料过程。料斗小车电机再启动，带动料斗车回到原位。

2 电气动控制部分设计

2.1 电气动控制系统组成

实现自动送料的电气控制系统包括可编程控制器（PLC）、GSM手机监控系统、控制面板、光电传感器、电磁阀、驱动电机、变频器、继电器等。

PLC输入端主要采集气缸到位信号、步进电机纵横向限位信号、启停按钮等信号，输出端采用脉冲加方向的方式控制步进电机的位移及方向，通过周期性的采集现场信号并进行数据处理，发出控制指令。考虑到PLC在故障判断、人机对话等方面存在一定缺陷[1]，故在系统中还专门配置了GSM手机监控系统以实现送料过程的在线监控。该系统控制的思路为：用户首先利用手机发出相关命令短信息，GSM模块将控制指令传输到单片机；单片机分析处理后继续把结果传输到继电器模块对应的I/O口，并控制I/O口状态以及改变输入端数据。监控部分控制思路为：首先，利用光电传感器检测判断料斗内是否有料，并将信号传输给单片机，单片机进行相应处理后将警戒信号发送至使用者手机[2]。

2.2 电机选型

对螺旋送料机进行虚拟装配后，确定了螺旋送料机的安装方式，再利用螺旋输送机所需轴功率计算公式（P=KQ（ω0L+H）/367）可确定螺旋输送机功率，从而根据计算结果对电机进行选型[3]。经计算，主螺旋输送机电机选定为BWY型脚板式卧装专用电动机直联型，即单级摆线针轮减速器，型号BWYB3-35-2.2；副螺旋输送机电机选定为BWY型脚板式卧装专用电动机直联型，型号BWY-B2-59-1.1；送料小车选定驱动电机型号为NMRV075，功率为750 W，驱动电机接线图如图2所示。

图2 驱动电机接线图

2.3 PLC选型

根据生产实际情况需要，应选择具有稳定性高、抗干扰能力强、维修方便、编程简单等优势可编程控制器（PLC）[4-6]，为此，综合考虑，选择西门子的S7-200系列：CPU226（6ES7 216-2AD26-0XB0）；CPU226用户程序存储器有4096字、用户数据存储器2560字，数字输入点32个，数字输出点16个；内部电路具有光隔离功能，能保护模块。响应时间最大延迟4.5 ms，16点固态（MOSFET）输出，输出电压20.4～28.8 VDC，输出电流0.75 A.此外，该型号PLC结构性能优势明显，在相对恶劣的运行条件下，仍可以保持长期运行稳定，从而保证送料过程运行的参数维持在合适的范围值内[7]。

2.4 PLC I/O口及其软元件分配

根据本控制系统的产品动作要求，对系统的数字量输入、数字量输出、模拟量输入进行端口分配，制定了PLC的I/O地址分配表，结果如表1所示。

表1 PLC的I/O地址分配表

根据I/O地址分配表对部分设备与PLC进行连线，由于送料等运行装置所需要的电流较大，而PLC输出或输入的电流相比很小，为了在能够正常驱动相关设备的基础上，同时保护PLC的输出或输入触点，使用中间继电器和PLC的输出端子相连，对输出的信号进行转换，对PLC起到保护作用，减少因触点接触不良造成的故障，确保PLC具有可靠稳定工作的状态[8]。所设计控制系统的PLC电气接线图，结果如图3所示。

图3 PLC电气接线图

2.5 PLC控制程序设计

首先需要对PLC控制系统运行的程序进行编写，PLC控制系通电后，再利用编写的程序设定基本控制参数，使送料装置按照设计的工艺流程进行工作。设定的控制程序如图4所示。

图4 PLC控制程序

2.6 控制面板显示设计

控制面板可用于实现对整个螺旋输送结构和送料小车的启动、停止、急停等基本控制功能。送料小车装料斗内有光电传感器，可以判断料斗内是否有料，从而控制螺旋送料机的电机开启。料斗下部的出料口上还装有电磁阀控制开关，电磁阀开关控制送料下车进料或出料。为方便用户的使用和操作，确保送料机实现参数的实时显示与远程监控功能，设计了如图5所示的控制面板，而产品运行过程信号灯情况如表2所示。

图5 控制面板

表2 产品运行过程信号灯情况

3 实际应用情况

该自动送料装置产品实体造型如图6所示，其实际生产应用表明：设计的主、副两个螺旋传动机构成功解决了解决物料的堵塞问题，同时由于分别采用了PLC和GSM手机监控系统的全程控制，实现无人值守自动送料及远程控制的功能，该装置完全取代了传统的人工送料，岗位工人的数量及工作强度都大幅降低，仅人工成本就每年可为企业节省30万元，在生产过程中产品的输送量由每小时1～2 t增加到3 t左右，效率明显增高。该自动送料装置投入使用半年多时间，系统运行稳定，界面操作方便，生产自动化程度得到有效提升。

图6 产品实体造型图

4 结束语

具有主、副两个螺旋传动机构螺旋输送机，利用垂直落料的方式解决物料的堵塞问题；电气动控制采用了PLC、光电传感器、电磁阀、GSM手机监控系统等，确保实现送料机的装料、行走、出料等过程自动化及在线监控的功能。该产品在企业试车成功后，一直运行稳定，未出现任何问题，大幅提高了企业的生产效率，降低了企业员工劳动强度，节约了工人成本，满足了企业的需求。