6ES7231-7PD22-0XA8支持验货
1 引言
我国建筑陶瓷产业在20世纪后期得到迅猛的发展,建筑陶瓷出口量年平均增长率达20-30%,占世界陶瓷墙地砖总产量的50％以上,现在已成为世界大的陶瓷产区,未来将是世界传统陶瓷的强大制造中心。在我国建筑陶瓷产业快速发展的也伴随着诸多问题,就行业总体水平而言,档次偏低、技术水平不高,如何提高产品质量,与国际接轨,走向国际市场,己是摆在企业面前的重要课题。自动检测机械至今仍是我国陶瓷机械行业的一个空白,目前在大批量生产的陶瓷墙地砖中,通常都采用人工检测的方法[1]。一方面传统的人工接触式测量方法跟不上现代墙地砖加工工业的非接触测量要求,另一方面传统的离线、静态测量方法又满足不了现代加工中主动测量的实际需要,不能及时控制生产过程,在生产中经常出现因不能及时检测产品、控制流程而造成废品的情况,人工测量为静态和局部单点测量,存在检测速度慢、效率低等问题,检测时人为影响因素很大,如受读数、测量方法、测量习惯、量具磨损等因素影响 [2]。随着现代检测技术的发展,要求检测设备应具备速度快、精度高、稳定性强、实时自动检测等特点。研制适合我国国情的墙地砖实时自动检测系统不仅可以大大提高分拣的准确度,保证产品质量的稳定性和一致性,符合主动、在线、实时、非接触测量的现代检测要求,将大幅度地节省劳动力,并减轻工人劳动强度。对满足我国建陶行业技术装备现代化需求,使我国尽早成为陶瓷生产强国有着重要社会经济意义。出于这种目的,本文对检测理论及软、硬件设计部分进行细致的研究,设计了基于PLC的瓷砖平整度在线检测分级系统。
2 检测系统的整体框架
平整度分拣系统由传送、检测和分级三部分组成。应用光学三角法检测技术[3],通过编码器及PLC的高速计数器功能对移动中的待检测瓷砖的采样位置进行**定位,当传感器感应到待检瓷砖进入到检测区域时,由PLC通过I/O端口给出采样指令,使用激光位移传感器对移动中的瓷砖表面进行信息采集,经过传感器内部运算得出距离数据,以4-20mA的电流信号传递给PLC的AD转换模块,将模拟量信号转换成数字量信息提供给PLC的主机单元进行数据运算,在PLC内部按照特定的算法进行数据处理,将得出的瓷砖各边平整度数据与HMI中设定的分级阀值进行比较分级、判定凸凹。PLC根据判定结果通过I/O端口驱动电磁阀控制相应的分级气缸带动铅笔为瓷砖做出标记,以便于后期工人分拣。检测时在HMI中显示实时测量数据及相关的检测信息。
3 检测系统硬件设计
在瓷砖平整度在线检测过程中,激光传感器直接的测量值是传感器到瓷砖表面的距离 (瓷砖表面的高度信息)。在线测量的过程中,能否准确获取这个距离对于瓷砖平整度的测量结果有较大影响[4]。瓷砖在检测工位的平稳传送是保证测量值准确无误的必要条件。在瓷砖平整度在线测量系统中,输送机构能否使瓷砖正确、平稳的经过检测工位是实现平整度的准确无误检测的前提。
基于上述考虑,本测量系统采用图2所示的结构实现墙地砖的平稳传送。系统的传送机构由前方导向轮、滚筒、检测水平台、传送皮带、无级减速电机组成。机械支承与传送部分可嵌入生产线中,高度和长度可按实际生产线情况定制。
由于平整度检测系统属高精度检测设备且工业现场条件恶劣环境复杂,在设计检测系统的机械部分时应考虑到各种影响检测精度的因素,通过理论结合实践给出一套适用于工业现场的机构方案,使检测系统有一个相对稳定的物理平台[5]。考虑到陶瓷墙地砖生产现场震源较多、震动频繁,对测量结果会产生一定的影响,故将检测电柜与检测平台连为一体,当发生震动时,传感器与检测平台、待检瓷砖一起做同步震动可减少震动对测量数据的影响。检测平台选用厚度为2cm且平整度小于0.1 mm的玻璃板,相对铸铁平台玻璃平台更加耐磨、更耐腐蚀,成本低廉,安装更换容易。由于玻璃的自重和支撑玻璃平台支架的微观变形,会导致检测平台的自身形变增大,对测量结果产生影响,在检测平台底部安装变形调节装置。通过调节下方的8个调节螺丝,可对检测平台的变形进行校正。
4 检测系统软件设计
4.1 人机交互界面设计
检测系统选用维纶通的MT6070iH触摸屏作为人机交互界面。按照功能可分为实时检测信息显示界面、参数设置界面和调试界面。通过编写HMI程序实现参数下载、实时信息显示、窗口调试、历史数据记录等人机交互功能。
4.2 PLC程序设计
PLC作为下位机在整个检测系统中不仅是分级装置的控制机构,还是承担设备整体运行和数据处理的核心部件。检测系统选用欧姆龙CP1H-X型PLC,配以CJ1W-AD081-V1模拟量模块进行模数转换,使用CP1W-CIF01扩展接口与HMI进行串口通信。选用欧姆E6B2-CWZ6C编码器,通过PLC的高速计数器中断功能实现数据采集的**定位。PLC主要用于实现瓷砖表面信息的采集与保持、数据处理、分级及报警装置的控制。程序的编写采用模块化思想,将各功能独立化并设置应用接口便于统一调用,有利于日后程序的扩展与维护。
5 检测算法
5.1 采样方式
当待检瓷砖进入检测区域时,编码器清零并开始重新计数,当到达设定的采样位置时PLC给出采样信号令垂直于瓷砖运行方向成线性等间距排布的传感器进行数据采样并将结果保持,以600mm×600mm规格瓷砖为例其采样点分布。该系统在一个检测周期共采集五排数据,每排五点共25点。可检测瓷砖四边、中线、对角线共计八边的平整度。
5.2 计算方法
检测系统的基本算法着重于研究如何利用采集到的点数据合理、快速、有效的计算出每边的平整度,解决由平整度的一般性定义带来的计算上的不便(不利于一般性计算能力比较小如(PLC等)系统来实现,也不利于传感器位置标定),该检测系统通过基于传感器均布性、梯形中线原理,结合标定数据,建立一种快速而有效的边、中心、对角平整度的计算方法,如下图7近似平整度的快速计算原理所示,简化平整度计算和系统标定,利用E1K的距离来近似代替E1到直线D1F1之间的距离,即所求平整度数值。
前提:
激光位移传感器垂直安装于瓷砖表面;
瓷砖在检测过程中由于震动等原因引起的倾斜误差可以忽略;
传感器1、2、3之间等距分布。
目标:通过采集瓷砖表面一条边上的3点来求解瓷砖边平整度。
可以采集的数据为:
标定采集的数据为:
求解:
E1到直线D1F1之间的距离。
由于传感器1、2、3之间等距分布,可得
由几何关系得
具体计算方法同3点法,每三个采集点进行一次计算,在实际使用过程中,以AB、HF、DC边为例需对传感器123、135、234、345所采集的数据进行上述的数据处理,算出各自的平整度取其中值大的数值作为该边的平整度测量结果。
6 检测系统实验分析
6.1 系统稳定性测试
检测系统的重复性好坏是衡量检测设备的一个重要指标,所谓检测设备的重复性即在相同测量条件下重复测量同一个被测量,设备提供相近似示值的能力。下面通过重复性试验来验证系统重复性。
取8片600mm×600mm规格的抛光砖依次编号,在相同条件下对每片瓷砖按同方向放入检测设备测量5次,填写表格如表1所示。
由所得数据可知:同一片砖同方向测量5次,其测得的平整度数值偏差在±0.05 mm以内,可见检测系统的测量数据重复性好、稳定性高。
6.2 系统准确性测试
由于瓷砖底部凹凸不平和自身重力的影响,当瓷砖的放置位置改变时其变形程度可能会随之改变,当瓷砖以不同方向进入检测区域时,必然会导致采样方式的改变,这可能会对计算出的平整度数据产生影响。基于上述两点考虑,在实验时应对两个方向上的检测数据进行讨论研究。
选择一片变形较小的瓷砖作为标定砖(四边中至少有一边的形变在0.04mm以下,该边即作为标定边),对检测系统重复标定3次。以四边平整度为实验研究对象,随机挑选16片抛光砖依次编号后逐一进行检测并将此次进入检测设备的方向在瓷砖上作出标记,将每片瓷砖按原检测方向顺时针旋转90度后通过检测设备并记录当前数据。
统计数据可知对于凸变形瓷砖的平整度较人工测量普遍偏小,大偏差为0.08mm,小0.02mm,平均0.04mm。对于凹变形瓷砖的平整度较人工测量普遍偏大,大偏差为0.05mm,小0mm,平均0.03mm。凹变形瓷砖的测量结果要略好于突变型瓷砖,无论凸砖、凹砖或是转方向测量其机检数值和人工测量值的差值均小于0.1mm,完全符合工业现场的在线检测要求。
6.3 瓷砖在线检测实验数据分析
在进行过稳定性测试和准确性验证之后,考虑到理论的检测方法是否适合于实际的检测生产,在工业现场是否依然能够得到试验时所测得的检测数据,本文仍需对检测设备进行大量的现场实验。
在生产现场随机挑选同批次的100片抛光砖,经参数设定和传感器标定后使用检测设备进行检测。
中人工分级与机检分级的对比统计来看,除个别分级出现偏差外,检测系统的整体分级效果较好。将分级出现偏差的瓷砖拣出仔细测量,发现这些瓷砖的平整度数值都处在分级的临界值附近,由于平整度检测设备要求精度高、影响因素多,故检测系统必然会存在一定的系统误差,检测数值较真实值会有小幅度的波动,由于该波动范围小于检测允许的误差范围,这种误差是可以接受的。可通过调节分级参数使检测系统达到佳状态。略微降低参数设置值(例如减小*或0.02)可使漏检率降低。若略微提高参数设置值(例如增大*或0.02)可使误报率降低。
7 结束语
本文设计了基于PLC的瓷砖平整度在线检测分级系统,该系统通过可直接在线检测瓷砖的平整度、查看报表,实时调整工艺参数,可将检测后的瓷砖进行分级处理。实验表明:该检测系统瓷砖平整度检测精度为±0.1mm,同方向多次重复为±0.05mm,检测准确度95%,检测效率为每分钟40片,适用于瓷砖生产过程的质量控制。生产实践证明该系统运行稳定可靠,操作简单易懂,人机交互性好,对提高瓷砖检测的技术水平、自动化程度和瓷砖质量具有重要意义。
退煮漂联合机整机采用变频器作为驱动设备，传动点约为30～60个；采用松紧架作为张力反馈，每个变频器可进行简单张力控制，具体方式有变频器自身调节或者采用同步控制器控制。退煮漂整机采用通讯控制方式，可设置多个基准点分段运行，实现运行速度自适应。
欧姆龙整体解决方案及其优势：
退煮漂联合机控制系统采用了以欧姆龙CP1H为核心，以DeviceNet总线方式代替模拟量的方式来控制变频器，按照张力一致的要求实现速度同步分配和实时控制，减少了现场走线，提高了控制精度，节约大量成本，为客户带来了实实在在的效益。
PLC：CP1H
快速的处理器，执行基本指令只需0.1μs，特殊指令0.3μs以上
大支持320点开关量
XA型内藏4入2出模拟量功能，分辩率1/12000
标准搭载4轴高速计数器功能（单相100kHz／相位50kHz）和4轴100kHz高速脉冲输出
标准搭载USB并联端口
串行通讯端口可自由选择RS-232C、RS-485（2端口）
支持Hostbbbb、NTbbbb、Compobus/S、DeviceNet、Profibus-DP、Controllerbbbb、EtherNet、协议宏、Modbus-RTU等多种通讯方式及串行PLC连接功能（多9台）
支持CPM和CJ1系列PLC的扩展单元
丰富的指令用语，包括PID、浮点运算、三角函数等…
Inverter：3G3MV
矢量控制
支持RS-422/485通讯(MODBUS协议)
支持CompoBus/D(DeviceNet)现场总线
易操作(操作面板上提供频率给定旋钮)
提供PID调节和节能控制
多段速调节(大16种速度)
网络系统：DeviceNet
DeviceNet是具有优良施工性能的一种现场网络，覆盖了广阔的应用领域，从传感器层到元件层，直到控制器层。各种控制器件，如PLC、机器人、传感器、和传动器，能便利地连接到一个单独的网络中。这样就能够在设备和生产线的设计制造、安装、调试、维护等各个制造现场的环节上降低成本，节约时间。通过到主站网络的无缝连接，能向客户提供PLC和SCM对策的的附加价值。
DeviceNet大可连接64个结点，速率高可达500kbps，通信距离远可达500m，能够为开发和设计、生产和启动、操作和维护创造很多优势。它有着多种兼容元件，能更容易地进行系统构筑；在从站实现了设备模块化，从而减少了组装时间和布线时间，预防了布线错误，实现了更加紧凑的控制面板和设备。DeviceNet软件的简单设置和通信工作缩短了启动时间；能从元件收集到各种数据帮助预防性维护，从而防止系统突然死机并提高操作速度；并能在不停止系统下，用连接器进行简单的即插即用来更换元件。
剑杆织机是用刚性或挠性的剑杆头/带来夹持、导引纬纱的织机。剑杆织机除了适宜织造平纹和纹路织物外，其特点是换色方便，适宜多色纬织物，适用于色织、双层绒类织物、毛圈织物和装饰织物的生产。剑杆织机是新型织机中运用广泛的织机之一。
剑杆织机控制系统要求能实现电子选色；断经、断纬、重纬、停车；自动寻纬；正常、故障停车位及探纬区设定，并要求人机界面能显示织机不同状况下的各参数，具备故障自诊断和系统测试功能，可对点动、启动、停车、正反寻纬、断经、断纬、重纬作检测，及多样化的选色程序设定。在管理功能上，系统须内置各班次产量、生产效率的记录，断经、断纬、重纬次数可随时查询；产量到设定值即停机，更换长轴及重新设定继续生产；在运行状态下可作加、减纬操作，便于对色，还可作织机网络化管理。
欧姆龙整体解决方案及其优势：
剑杆织机控制系统由欧姆龙单色触摸屏NT5Z、高性能小型PLCCP1H和SmartStep A系列伺服构成。由于CP1H自身搭载了高速脉冲输出功能，可以直接控制2台SmartstepA系列伺服，**地控制织机的电子送经、电子卷取系统，大程度上保证了布料在运动中的张力。
Servo：Smart Step
马达控制领域有着越来越走向复杂化的趋向，而对伺服系统功能的要求则是高度化、多功能化，以及更加强大的应用适应性。在操作现场工作的高效率，以及良好的性价比也是不可欠缺的要素。
高速度、高精度的定位是理所应当的，还要降低操作工时，缩短完成时间。操作简单，与周围的设备有良好的连接性等等，具有当今伺服系统能够实现的丰富多彩的功能的，正是OMRON公司SmartStep产品。
SmartStep适用于30W～400W容量的马达，采用全数字控制方式，指令脉冲相应可达250kHz，并具有连接简单、运行直观、参数设置方便等优点，能在短时间内达到高速度、高转矩和高精度的定位，无失调引起的位置偏差。
旋编：E6CP-A
E6CP-A是欧姆龙公司推出的增量型旋转编码器，外径50，分辨率为256，高响应频率为5kHz，允许1000r/min的高旋转速度，可以作为机器的限位信号使用。E6CP-A能高精度地检测各种自动机械的动作时间；因为是采用格雷码输出，不会有读出错误。在材料上，更是采用了塑料机身，使得重量很轻，捆包模式下也仅约200g。