自動(dòng)油脂噴涂機(jī)的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫君可

（蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021）

在汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)助力電機(jī)控制器裝配前，必須通過某種工藝在助力電機(jī)殼體內(nèi)壁涂上一層均勻的防水油脂。 涂覆的油脂重量和均勻性是十分重要的，它關(guān)系到助力電機(jī)能否在惡劣環(huán)境下正常工作。 自動(dòng)油脂噴涂機(jī)就是將桶裝的密封油脂經(jīng)過油脂泵加壓后供給噴霧閥，然后通過PLC 控制噴涂閥的開啟與關(guān)閉，均勻地噴涂到助力電機(jī)殼體內(nèi)表面， 得到厚度均勻且質(zhì)量可靠的密封油脂層。 因此，對(duì)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)的密封性能提高有重要意義。

1 自動(dòng)油脂噴涂機(jī)構(gòu)造及工作流程

圖1 自動(dòng)油脂噴涂機(jī)實(shí)物圖

自動(dòng)油脂噴涂機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，設(shè)備長550mm，寬550mm，高1500mm，主要分六個(gè)部分：①油脂供給泵；②油脂噴涂閥；③助力電機(jī)殼體旋轉(zhuǎn)臺(tái)；④人機(jī)界面[1]；⑤控制系統(tǒng)；⑥機(jī)械結(jié)構(gòu)。 其中油脂供給泵主要用于把桶內(nèi)油脂送到油脂噴涂閥， 在油脂噴涂閥的進(jìn)口處安裝了壓力傳感器，實(shí)時(shí)對(duì)油脂管路的壓力進(jìn)行監(jiān)控。 當(dāng)壓力低于或高于正常設(shè)定范圍時(shí)， 傳感器會(huì)發(fā)送壓力錯(cuò)誤報(bào)警到PLC。 油脂噴涂閥是噴涂工藝最關(guān)鍵的部件之一，它的作用是對(duì)進(jìn)入油脂噴涂閥的油脂進(jìn)行加壓霧化， 然后均勻地噴涂出來。 助力電機(jī)殼體旋轉(zhuǎn)臺(tái)主要用于定位助力電機(jī)殼體和執(zhí)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，當(dāng)油脂噴涂閥開始噴涂時(shí)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)也開始啟動(dòng)，使助力電機(jī)殼體旋轉(zhuǎn)360 度，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的工作時(shí)間等于油脂噴涂閥工作的時(shí)間。 人機(jī)界面主要用于顯示零件和設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)， 易于操作人員對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行查看和對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。 控制系統(tǒng)部分主要用于控制自動(dòng)油脂噴涂機(jī)實(shí)現(xiàn)油脂噴涂的自動(dòng)化。 機(jī)械部分主要為系統(tǒng)提供整體的框架，將各個(gè)機(jī)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合起來。該自動(dòng)油脂噴涂機(jī)技術(shù)先進(jìn)， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理， 具有體積小、重量輕、適用于柔性化[2]生產(chǎn)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了助力電機(jī)內(nèi)壁的自動(dòng)噴涂， 改善了涂層的均勻性， 提高了工作效率。

該自動(dòng)油脂噴涂機(jī)選用德國Walther SMS-02 精密噴涂閥，精確控制油脂的噴涂重量和均勻性。 此噴涂閥集成了以下幾種功能：①精密的棘齒式手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，方便快速調(diào)節(jié)油脂噴涂重量； ②適用于在多種不同電壓下控制電磁閥開關(guān)，有直流24V、交流110V、交流230V；③位置傳感器，用于檢測棘齒是否鎖緊；④壓力傳感器，用于檢測噴涂時(shí)是否有壓力不正常的情況。 PLC 通過計(jì)算轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間， 把運(yùn)行時(shí)間復(fù)制給控制噴涂閥的運(yùn)行時(shí)間，通過使用相等的電機(jī)運(yùn)行時(shí)間和噴涂閥開啟時(shí)間，使油脂噴涂均勻。 另外可以通過調(diào)節(jié)主氣源的壓力調(diào)整油脂噴涂的寬度，來滿足不同的油脂覆蓋率要求。

2 控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)以Allen-Bradley CompactLogix[3]5318ER-BB18控制器為控制核心， 配置3 個(gè)PLC 數(shù)字量輸入模塊和3個(gè)PLC 數(shù)字量輸出模塊，用于連接油脂噴涂閥、旋轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)、啟動(dòng)開關(guān)、壓力傳感器、接近開關(guān)等元件。 另外通過EtherNet/IP 網(wǎng)絡(luò)[4]組態(tài)Cognex Dataman300 系列讀碼器讀取助力電機(jī)殼體的條碼。

控制系統(tǒng)上位機(jī)以Allen-Bradley Panel View Plus 700 人機(jī)界面通過以太網(wǎng)交換機(jī)與下位機(jī)PLC 連接，采用OCP（OLE for Process Control）協(xié)議。 即通過人機(jī)界面軟件Factory Talk View Studio 中的RSLinx Enterprise 數(shù)據(jù)服務(wù)器添加對(duì)應(yīng)的PLC 并設(shè)定驅(qū)動(dòng)， 來完成人機(jī)界面與PLC 的組態(tài)，建立HMI 與PLC 的地址鏈接，最終將HMI里的標(biāo)簽與PLC 里的標(biāo)簽一一對(duì)應(yīng)起來，建立通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)發(fā)出操作指令、 顯示工作狀態(tài)、 設(shè)定工藝控制參數(shù)。

2.2 I/O 口分配

在設(shè)計(jì)PLC 控制電路前， 首先統(tǒng)計(jì)自動(dòng)油脂噴涂機(jī)控制硬件數(shù)量及信號(hào)類型，配置相應(yīng)的輸入輸出模塊，對(duì)所有I/O 端口分配地址， 然后進(jìn)一步繪制出PLC 輸入輸出原理圖。 根據(jù)自動(dòng)油脂噴涂機(jī)的控制要求以及工作流程，共需要23 個(gè)輸入口和9 個(gè)輸出口，因此選用Allen-Bradley CompactLogix5318ER-BB18 PLC，具體I/O 分配如表1 所示。

表1 PLC 的I/O 地址分配表

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2.3 PLC 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)油脂噴涂機(jī)的工作流程以及控制要求，畫出自動(dòng)控制流程圖，如圖3 所示，再編寫出自動(dòng)油脂噴涂機(jī)的梯形圖程序。

循環(huán)開始后，首先檢測旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上是否有零件，應(yīng)有I5.0=0。 條件滿足后執(zhí)行步驟1，即工位無電機(jī)殼體存在，然后放置電機(jī)殼體到工作臺(tái)上。 步驟2 放置殼體完成后，當(dāng)電機(jī)殼體存在檢測傳感器I5.0=1 時(shí)，啟動(dòng)步驟3，即開關(guān)啟動(dòng)完成。 當(dāng)檢測電機(jī)殼體正確位置的檢測傳感器感應(yīng)即I5.1=1 時(shí)，啟動(dòng)步驟4，即開始掃描電機(jī)殼體條碼。確認(rèn)條碼長度信息正確條件滿足后，執(zhí)行步驟5，即發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)給追溯系統(tǒng)。追溯請(qǐng)求條件合格后，執(zhí)行步驟6，即涂油脂開始條件滿足置1，執(zhí)行步驟7，即涂油脂閥打開，接著執(zhí)行步驟8，旋轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)原點(diǎn)位置接近開關(guān)斷開即I1.5=0 時(shí)，執(zhí)行步驟9，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)I1.5=1即旋轉(zhuǎn)臺(tái)回到原點(diǎn)位置時(shí)，執(zhí)行步驟10。當(dāng)I1.5=1 延時(shí)時(shí)間0.5 條件滿足后， 執(zhí)行步驟11， 即發(fā)送涂油脂結(jié)束信號(hào)。 當(dāng)接受到涂油脂結(jié)果后，執(zhí)行步驟12，即發(fā)送結(jié)果給追溯系統(tǒng)， 當(dāng)結(jié)果合格或者結(jié)果不合格并且按下不合格品手動(dòng)判定按鈕I3.3=1 時(shí)，執(zhí)行步驟13，取走零件。 最后執(zhí)行步驟14，發(fā)送完成涂油脂工序信號(hào)。

圖2 自動(dòng)控制程序流程圖

2.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面（Human Machine Interface）使用的是羅克韋爾公司的Panel View Plus 700 人機(jī)界面，HMI 終端通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接PLC。 軟件設(shè)計(jì)采用了Factory Talk View Studio 軟件，通過該軟件可以完成人機(jī)界面的組態(tài)、程序的編譯以及程序的上傳下載工作。

圖3 自動(dòng)油脂噴涂機(jī)人機(jī)界面畫面框圖

人機(jī)界面的軟件設(shè)計(jì)包括創(chuàng)建畫面和設(shè)定變量。 創(chuàng)建畫面主要涉及指示燈、 功能按鍵及文本顯示的畫面格式的創(chuàng)建， 具體設(shè)計(jì)要根據(jù)自動(dòng)油脂噴涂機(jī)控制要求設(shè)計(jì)不同的畫面。 設(shè)定變量是將人機(jī)界面的變量與PLC 程序里的變量進(jìn)行鏈接配置，而HMI 與PLC 之間的鏈接是通過RSLinx Enterprise 軟件組態(tài)[2]實(shí)現(xiàn)的。在Factory Talk View Studio 里先建立一個(gè)HMI 到PLC 的地址鏈接，再分別將HMI 里的Tag 與PLC 里的Tag 一一對(duì)應(yīng)起來， 建立通信，創(chuàng)建數(shù)據(jù)服務(wù)器。

人機(jī)界面畫面框圖如圖3 所示，它由目錄頁面、追溯信息頁面、手動(dòng)控制頁面、自動(dòng)控制頁面、換型頁面、參數(shù)修改頁面、密碼權(quán)限頁面、輸入輸出點(diǎn)控制頁面、計(jì)數(shù)頁面組成。 追溯信息頁面監(jiān)控零件的標(biāo)簽序列號(hào)、上一工位狀態(tài)信息、追溯信息發(fā)送及接受狀態(tài)等。 手動(dòng)控制頁面包括手動(dòng)開啟油脂閥門按鈕、電機(jī)正轉(zhuǎn)控制按鈕、電機(jī)反轉(zhuǎn)控制按鈕。 換型頁面監(jiān)控幾種不同型號(hào)之間的切換按鈕。 參數(shù)修改頁面監(jiān)控型號(hào)名稱、 零件標(biāo)簽起始位數(shù)字、零件標(biāo)簽長度等信息。 密碼權(quán)限頁面用來輸入不同權(quán)限的密碼，顯示出參數(shù)修改頁面。 輸入輸出點(diǎn)監(jiān)控頁面監(jiān)控7 個(gè)輸入輸出模塊所有I/O 口的狀態(tài)。 計(jì)數(shù)頁面監(jiān)控總生產(chǎn)零件數(shù)量、不合格品數(shù)量、合格品數(shù)量信息。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了Allen Bradley CompactLogix[3]小型PLC 集中式控制的優(yōu)勢，配合先進(jìn)的Panel View Plus 700 人機(jī)界面，使自動(dòng)化油脂噴涂機(jī)具有操作簡單、自動(dòng)報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備輸入輸出點(diǎn)I/O 狀態(tài)等功能， 具有較好的實(shí)際應(yīng)用性。目前該設(shè)備已應(yīng)用到生產(chǎn)線中，實(shí)際運(yùn)行表明，該控制系統(tǒng)可靠性高，電氣連接簡單，操作方便，易于維護(hù)，能滿足控制要求。

［1］熊慶彥.混合生產(chǎn)模式下的總裝配線研究［D］.吉林：吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，2012.

［2］羅克韋爾自動(dòng)化公司.選型指南.

［3］金魯東.ControlNet 與EtherNet/IP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究［D］.甘肅：蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，2013.

［4］羅克韋爾自動(dòng)化公司.Panel View Plus 操作員界面用戶手冊.