基于PLC的清洗提升機控制系統(tǒng)設計

熊 健，余 飛，張昌漢，何 濤

（1湖北工業(yè)大學機械工程學院，湖北 武漢430068；2武漢正源高理光學有限公司，湖北 武漢430223）

CD、DVD讀取頭用光學零部件生產(chǎn)的工藝流程，主要分為光刻、鍍膜、精密劃切、清洗和成品檢測等。其中清洗工藝尤為重要，通常經(jīng)人工手持清洗后進入到下一工序，這樣帶來的二次污染會對零部件質(zhì)量造成影響。為節(jié)省人力成本和防止二次污染，提高生產(chǎn)線的工作效率，亟需設計一臺自動化清洗機械設備?，F(xiàn)有技術的研究主要集中于PLC與觸摸屏結合［1］的自動化應用方面，側重于設備獨立運行的研究；同時，采用自由口模式來實現(xiàn)PLC與上位機的通信工作［2］也是工廠自動化應用領域的一個重點，但缺少可在工業(yè)現(xiàn)場同步操作的觸摸屏，不利于設備運行參數(shù)的實時調(diào)整和現(xiàn)場操作。為此，設計出一套自動化清洗方案，采用三菱FX1S系列PLC［3］和維綸觸摸屏，在實現(xiàn)設備運行參數(shù)實時調(diào)整和現(xiàn)場操作的同時，利用RS-485通訊協(xié)議，實現(xiàn)了PC機和PLC的自由口通訊，使得生產(chǎn)工藝過程能被實時監(jiān)控，確保了工業(yè)生產(chǎn)的網(wǎng)絡化。

1 清洗提升機系統(tǒng)結構

清洗提升機的結構如圖1所示。豎向支架用于固定整體設備，以確保整體機構平穩(wěn)、安全運行；橫向支架作為連接運動機構和豎支架的橋梁，也是設備得以穩(wěn)定運行的一個重要因素。設備動力系統(tǒng)由伺服電機、同步帶、同步輪三部分組成，通過同步帶將電機的轉動轉化為懸掛機構的直線運動。由于交流伺服電機運轉平穩(wěn)，可被系統(tǒng)精確控制，且在過載的工況下表現(xiàn)優(yōu)秀［4］，通常被選作設備運動系統(tǒng)的核心元件。滾珠絲杠利用滾動摩擦取代滑動摩擦，使絲杠和螺母之間的相對運動由滑動變成滾動，運動時極大減少了兩者的摩擦［5］，在具有較高定位精度的同時，確保了傳動效率。因此，選用滾珠絲杠作為設備的移動機構。在運動過程中，由于設備的懸掛機構通過螺母固定在滾珠返回裝置上，懸掛機構與同步帶也通過螺母結合在一起，從而在同步帶實現(xiàn)直線往復運動的同時，設備能正常運行。

設備通過懸掛機構來懸掛裝有待清洗工件的吊籃。懸掛機構通過同步帶、同步輪的傳動，在移動機構的作用下上下滑動，以達到讓工件反復浸入、提升出溶液的效果，完成清洗、瀝干的工作步驟。

圖1 清洗提升機的結構

2 清洗提升機系統(tǒng)硬件設計

2.1 PLC選型

為確保系統(tǒng)運動控制的精確性，在采用伺服電機的基礎上，利用PLC的輸出脈沖和方向信號來實現(xiàn)系統(tǒng)的運行［6］。根據(jù)系統(tǒng)的控制需求，確認輸入設備（運行開關、傳感器、伺服驅(qū)動器等）、輸出設備（報警指示燈、電機繼電器等），從而確定數(shù)字量I/O點數(shù)。根據(jù)圖2的總體控制方案，選擇三菱公司的FX1S-30MT-001。該產(chǎn)品帶有8K的EEPROM存儲器，數(shù)字量I/O口為16入/14出。此種型號的PLC自身不能增加擴展模塊，但是可以利用BD板擴展出少量的I/O，同時也可以擴展出RS485端口，實現(xiàn)PC機和PLC的通訊。人機界面選用維綸TP6070i型觸摸屏。

圖2 清洗提升機系統(tǒng)總體控制框圖

2.2 I/O分配表

按清洗提升機控制系統(tǒng)設計要求，對PLC輸入輸出點分配（表1）。

表1 可編程輸入點/輸出點分配

其中，數(shù)字輸入信號包括原點信號、上下極限信號、回原點按鈕、開始清洗按鈕等，在設置循環(huán)次數(shù)和循環(huán)距離時，選址應充分考慮到FX1S的輸入地址特點，選用具有停電保持功能的地址。在I/O分配表中預留一定的輸入輸出點以供后續(xù)設備的增加。

3 清洗提升機系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計任務中包括PLC主控程序設計、PC與PLC的自由口通訊［7］和人機界面組態(tài)。

3.1 系統(tǒng)主控軟件及流程

主程序流程見圖3。

圖3 主程序控制流程

系統(tǒng)軟件由一個主程序和若干子程序組成。系統(tǒng)初始化程序包括:系統(tǒng)循環(huán)速度、循環(huán)距離、清洗延時等若干參數(shù)的初值設定。邏輯控制程序包括:機器的啟停、運行模式的選擇。原點返回程序:開機后，使懸掛機構上升，以便于裝有工件吊籃的懸掛。循環(huán)運行程序:通過懸掛機構的上下來控制吊籃的運動，保證清洗效果。參數(shù)設置程序:通過一系列換算，把運行的速度、距離等通過觸摸屏顯示出來。伺服電機的控制程序:根據(jù)運行的實際情況設定伺服電機的運行速度和方向。故障監(jiān)控程序:監(jiān)控伺服驅(qū)動器信息，及時顯示到觸摸屏上。

當設備運行時，可根據(jù)實際情況，在觸摸屏上設置不同的升、降循環(huán)次數(shù)，使設備自動運行，或者設置無限循環(huán)次數(shù)，通過手動來控制設備停止運行。運行有限次數(shù)時，開機后在觸摸屏上設定運行次數(shù)，點擊“回原點”按鈕，此時懸掛機構從下極限位置向上返回原點，掛上裝有工件的吊籃后，點擊“開始清洗”按鈕，懸掛機構開始提升，至上極限位置后，再下降到下極限并使吊籃完全浸入溶液，之后吊籃上升到使其離開溶液的距離（即循環(huán)距離，可設定），開始進入下降到下極限、上升到循環(huán)距離點的循環(huán)運行。達到運行次數(shù)后，懸掛機構停在循環(huán)距離點，清洗完畢。若在觸摸屏上設置無限循環(huán)，則須按下“停止”按鈕，等待設備停止運行。

3.2 PC與PLC之間通訊程序

通過PLC與計算機通信的方式遠程監(jiān)控工業(yè)設備［8］，有利于實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)信息的實時傳遞。三菱FX系列PLC內(nèi)部，有專為主機使用RS-485串聯(lián)通訊接口所提供的便利指令（圖4），其功能是當PLC接收到指定長度的數(shù)據(jù)后，馬上返回一串指定長度的指定數(shù)據(jù)。不傳送數(shù)據(jù)的時候，可以將m的值指定為K0；不接收數(shù)據(jù)的時候，可以將n的值指定為K0；在此基礎上，PLC通過BD板擴展的RS485端口，經(jīng)RS485/RS232轉換器與PC機通訊，實現(xiàn)信息的實時交換。但若沒有相應的程序配合，只單一存在此RS指令，PLC只能重復一收一發(fā)、只收不發(fā)或者只發(fā)不收，其中只發(fā)不收指令執(zhí)行的情況下，同一條指令會無限重復發(fā)送，顯然不能達到數(shù)據(jù)實時、精確交換的要求。因此，需要PLC的程序來保證PC與PLC通訊收發(fā)的可控性。其中主要是只發(fā)不收指令，即每次執(zhí)行時只發(fā)送一次，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)收、發(fā)完全由程序控制。控制系統(tǒng)實現(xiàn)了PC和PLC之間實時、可控的信息通訊。經(jīng)驗證，使用中該程序穩(wěn)定可靠。

圖4 RS指令功能說明

3.3 清洗提升機系統(tǒng)的人機界面設計

人機界面（HIM）設備是用戶和機器之間的橋梁［9］，可以提高系統(tǒng)操作的靈活性和適應性，便于用戶對機器運行參數(shù)的設置和信息的實時掌握。通過PPI協(xié)議，維綸觸摸屏和三菱PLC可以實現(xiàn)通信，從而完成信息交換。本系統(tǒng)采用維綸EB8000軟件來對觸摸屏的界面進行編制。系統(tǒng)運行人機控制界面如圖5所示。運行畫面中可設置循環(huán)次數(shù)、循環(huán)速度、循環(huán)距離、清洗延時、首次下降距離，通過可自動彈出的報警界面中的伺服報警燈來判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障，并可查看界面報警記錄。

圖5 系統(tǒng)人機界面設計

4 結束語

通過PLC和觸摸屏的結合，使得該控制系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、可操作性和故障處理能力，在工業(yè)現(xiàn)場中表現(xiàn)穩(wěn)定可靠。清洗提升機的控制系統(tǒng)采用PC機為上位機，通過自由口通訊實現(xiàn)了PC機與PLC之間信息的實時交互，促進了工廠自動化設備的網(wǎng)絡化。

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