基于PLC和組態(tài)軟件的自動(dòng)線上料監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

肖劍蘭

0 引言

上料是自動(dòng)線生產(chǎn)過程中的基本環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)生產(chǎn)方式采用手工上料，存在效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、不安全因素多等問題。自動(dòng)上料是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和改善勞動(dòng)條件的有效措施和主要方法[1]。某送料自動(dòng)線的上料單元主要用于監(jiān)控和檢測(cè)料倉和料臺(tái)是否有料，完成將工件從料倉推送到料臺(tái)等功能。

1 自動(dòng)上料單元的結(jié)構(gòu)和工作原理

自動(dòng)上料單元的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。系統(tǒng)主要由上料氣缸、料臺(tái)、滑槽和供料臺(tái)等部分組成。

圖1 自動(dòng)上料單元結(jié)構(gòu)圖

上料氣缸是單缸雙作用氣缸，用于將工件從料倉中推出，選用SMC公司型號(hào)為CDJ2KB16-45Z-B/0.7MPa的產(chǎn)品，用型號(hào)為4V110-06的2位5通單電控電磁閥驅(qū)動(dòng)。為了使氣缸推料運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，氣缸的2個(gè)氣口裝有單向節(jié)流閥[2-3]，型號(hào)為SMC公司的ARJ1020F-M5。

SQ14、SQ15磁性開關(guān)分別用于檢測(cè)氣缸前后限位，選用SMC公司的D-C73產(chǎn)品。S4和S5是光電傳感器，分別用于檢測(cè)料倉和供料臺(tái)是否有料，選用型號(hào)為E3X-NA，電源規(guī)格為DC12～24V， 螺紋型E32-D21R 2M，可檢測(cè)距離30 mm。

控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，如果S4檢測(cè)到料倉有料，而S5檢測(cè)到供料臺(tái)無料時(shí)，則上料氣缸動(dòng)作，將工件從料倉推出。系統(tǒng)啟動(dòng)后，綠燈亮。系統(tǒng)停止后，紅燈亮。HMI能顯示上料過程，也能控制啟停操作。

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC選型與I/O接口分配

PLC是自動(dòng)線上料單元的核心控制器[4]。根據(jù)控制要求分析，PLC的輸入信號(hào)有6個(gè)，分別是：主令信號(hào)有啟動(dòng)和停止按鈕共2個(gè)；現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)有料倉有料檢測(cè)光電開關(guān)、料臺(tái)有料檢測(cè)光電開關(guān)、推料前限位磁性開關(guān)和推料后限位磁性開關(guān)，計(jì)4個(gè)檢測(cè)信號(hào)。輸出信號(hào)有3個(gè)，分別是：指示類信號(hào)有運(yùn)行指示HL2和停止指示HL3，計(jì)2個(gè)；現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有單線圈上料電磁閥1個(gè)，24VDC。選用三菱的FX3U-48MT/ES-A型PLC，24點(diǎn)直流輸入，24點(diǎn)晶體管型輸出[5]，完全可以滿足控制要求。

上料單元的I/O地址分配見表1。

表1 上料單元的I/O地址分配表

涉及到觸摸屏的遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要分配遠(yuǎn)程啟?？刂频刂泛捅O(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)[6]，其通信地址分配見表2。

表2 上料單元的遠(yuǎn)程通信地址分配表

2.2 PLC控制程序

上料單元控制程序設(shè)計(jì)如圖2所示。第0步邏輯行和第3邏輯行，用于實(shí)現(xiàn)本地/遠(yuǎn)程的系統(tǒng)啟?？刂啤５?邏輯行，用于指示運(yùn)行或停止?fàn)顟B(tài)。第10步邏輯行，實(shí)現(xiàn)上料氣缸推料控制。第17步邏輯行，PLC與HMI通信數(shù)據(jù)區(qū)域。

圖2 上料單元控制程序

3 HMI監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上料單元的HMI采用北京昆侖通泰自動(dòng)化軟件科技有限公司生產(chǎn)的TPC7062Ti實(shí)時(shí)監(jiān)控。TPC7062Ti是一款采用Cortex-A 8 CPU為核心的，高性能嵌入式一體化觸摸屏[7]。組態(tài)監(jiān)控畫面如圖3所示。在HMI上既能顯示上料過程，也能控制上料操作。

圖3 上料單元監(jiān)控畫面

3.1 設(shè)備組態(tài)

（1）添加設(shè)備0。首先打開MCGSE組態(tài)環(huán)境，創(chuàng)建一個(gè)新工程，選擇TPC類型為TPC7062Ti，其余參數(shù)默認(rèn)。打開“設(shè)備窗口”，雙擊“通用串口父設(shè)備”，添加根目錄“通用串口父設(shè)備0--[通用串口父設(shè)備]”。再雙擊“三菱FX系列編程口”，在根目錄下添加子目錄“設(shè)備0--[三菱FX系列編程口]”[8]。

（2）設(shè)置硬件參數(shù)。在“通用串口設(shè)備屬性編輯”窗口，選擇通信串口端口號(hào)為COM1，選擇通訊波特率為19 200 bit/s。在“設(shè)備編輯窗口”窗口，選擇CPU類型為FX3UCPU。

（3）添加通信地址。在“設(shè)備編輯窗口”窗口，點(diǎn)擊增加設(shè)備通道，彈出“添加設(shè)備通道”窗口。添加通信地址Y5～Y10（共4個(gè)）和通信地址M0～M28（共29個(gè)），讀寫方式選擇“讀寫”。

3.2 動(dòng)畫設(shè)計(jì)

（1）新建窗口。打開“用戶窗口”，新建“窗口0”，單擊“動(dòng)畫組態(tài)”按鈕或雙擊“窗口0”圖標(biāo)，可打開“動(dòng)畫組態(tài)窗口0”。動(dòng)畫組態(tài)窗口的尺寸為H=40×20，V=24×20；即分辨率為800×480[8]。

（2）組態(tài)滑槽。激活工具箱的“矩形”工具。在動(dòng)畫組態(tài)窗口0的畫布上，繪制一個(gè)矩形，系統(tǒng)自動(dòng)命名為控件0。在該矩形的“動(dòng)畫組態(tài)屬性設(shè)置”窗口，選擇填充顏色“青色”。在組態(tài)環(huán)境窗口最下方的狀態(tài)欄，設(shè)置控件0的坐標(biāo)為[H:100][V:220]，尺寸為[W:180][H:20]。用拷貝和粘貼工具，復(fù)制控件0，分別得到控件1和控件2。設(shè)置控件1的坐標(biāo)[H:380][V:300]和尺寸[W:80][H:20]，設(shè)置控件2的坐標(biāo)[H:460][V:270]和尺寸[W:20][H:50]。用“多邊形或折線”工具，將控件0和控件1相鄰的四個(gè)點(diǎn)連接起來，填充顏色青色，是為滑槽。

（3）組態(tài)料倉和工件。用“圓角矩形”工具，繪制第一個(gè)工件，設(shè)置坐標(biāo)[H:240][V:195]和尺寸[W:40][H:25]，填充色烏金色。用復(fù)制和粘貼可得到第2～4個(gè)工件。用“矩形”工具，繪制料倉，設(shè)置坐標(biāo)[H:235][V:90]和尺寸[W:50][H:100]，靜態(tài)填充顏色為“沒有填充”。用工具“置于最前面”，把料倉顯示在工件的前面。用“標(biāo)簽”工具，在料倉正上方添加文本“料倉”，字符顏色“藍(lán)色”，宋體小四，無填充，無邊線，水平居中，垂直居中。

（4）組態(tài)出料口工件。當(dāng)推料氣缸得電后，出料口的工件能運(yùn)動(dòng)起來。選中出料口工件，打開“動(dòng)畫組態(tài)屬性設(shè)置”窗口，勾選位置動(dòng)畫連接“水平移動(dòng)”、“垂直移動(dòng)”和“可見度”，可得到三個(gè)選項(xiàng)卡。在“水平移動(dòng)”選項(xiàng)卡，選擇表達(dá)式為“設(shè)備0_讀寫Y0005”，水平移動(dòng)連接最大偏移量為“100”，表達(dá)式的值為“0”。在“垂直移動(dòng)”選項(xiàng)卡中，垂直移動(dòng)的表達(dá)式選擇為“設(shè)備0_讀寫Y0005”，垂直移動(dòng)連接最大偏移量為“45”，表達(dá)式的值為“0”。在“可見度”選項(xiàng)卡，設(shè)置表達(dá)式為“設(shè)備0_讀寫M0004*設(shè)備0_讀寫M0015”，當(dāng)表達(dá)式的值非零時(shí)，對(duì)應(yīng)圖符不可見。注意，表示式的變量需要通過“變量選擇”對(duì)話框下的“根據(jù)采集信息生成”進(jìn)行選擇，不能用鍵盤錄入。Y5是PLC驅(qū)動(dòng)上料電磁閥動(dòng)作的輸出口。“*”表示兩個(gè)變量是“與”的關(guān)系，即，當(dāng)料口檢測(cè)信號(hào)有效（M4=X4=ON），同時(shí)推料氣缸在后限位（M15=X15=ON）時(shí)，在觸摸屏中顯示料口的工件。

（5）組態(tài)料臺(tái)工件。從料倉任選擇一個(gè)工件，“拷貝”、“粘貼”得到一個(gè)新的工件。修改坐標(biāo)為[H:415][V:275]，得到料臺(tái)工件。選擇可見度的表達(dá)式為“設(shè)備0_讀寫M0005”，當(dāng)表達(dá)式的值非零時(shí)，對(duì)應(yīng)圖符不可見。當(dāng)料倉檢測(cè)信號(hào)有效（M5=X5=ON）時(shí)，在觸摸屏中顯示料臺(tái)的工件。

（6）組態(tài)推料氣缸。繪制缸筒，繪制1個(gè)矩形，坐標(biāo)[H:100][V:200]和尺寸[W:100][H:20]，靜態(tài)填充顏色為“灰色”。繪制及組態(tài)活塞，繪制1個(gè)矩形，坐標(biāo)[H:100][V:202]和尺寸[W:130][H:17]，靜態(tài)填充顏色為“藏青色”；設(shè)置活塞“水平移動(dòng)”動(dòng)畫屬性，表達(dá)式選擇為“設(shè)備0_讀寫Y0005”，最大偏移量為“40”，表達(dá)式的值為“0”。用快捷工具“置于最后面”，把活塞放在缸筒的后面。繪制上料電磁閥指示燈，繪制1個(gè)圓形，坐標(biāo)[H:70][V:202]和尺寸[W:16][H:16]，靜態(tài)填充顏色為“銀色”；打開指示燈“動(dòng)畫組態(tài)屬性設(shè)置”窗口，勾選顏色動(dòng)畫連接“填充顏色”選項(xiàng)卡，設(shè)置指示燈“填充顏色”動(dòng)畫屬性，表達(dá)式選擇為“設(shè)備0_讀寫Y0005”，填充顏色連接分段點(diǎn)“0”對(duì)應(yīng)顏色“灰色”，分段點(diǎn)“1”對(duì)應(yīng)顏色“淺綠色”。在上料電磁閥指示燈正上方添加標(biāo)簽“推料氣缸”。

（7）組態(tài)檢測(cè)指示燈。復(fù)制上料電磁閥指示燈控件，用粘貼工具，得到“后限位”、“前限位”、“料倉有料”、“料臺(tái)有料”四個(gè)檢測(cè)信號(hào)指示燈。分別設(shè)置：“后限位”指示燈填充顏色表達(dá)式為“設(shè)備0_讀寫M0015”；“前限位”指示燈填充顏色表達(dá)式為“設(shè)備0_讀寫M0014”；“料倉有料”指示燈填充顏色表達(dá)式為“設(shè)備0_讀寫M0004”；“料臺(tái)有料”指示燈填充顏色表達(dá)式為“設(shè)備0_讀寫M0005”。添加各指示燈的標(biāo)簽。

（8）組態(tài)系統(tǒng)工作指示燈。組態(tài)運(yùn)行指示燈，繪制1個(gè)圓形，坐標(biāo)[H:560][V:80]和尺寸[W:40][H:40]，靜態(tài)填充顏色為“銀色”；設(shè)置指示燈“填充顏色”表達(dá)式選擇為“設(shè)備0_讀寫Y0007”，填充顏色連接分段點(diǎn)“0”對(duì)應(yīng)顏色“灰色”，分段點(diǎn)“1”對(duì)應(yīng)顏色“淺綠色”。添加一個(gè)標(biāo)簽，坐標(biāo)[H:540][V:130]和尺寸[W:70][H:25]，宋體小四字體，填充顏色“銀色”，邊線“黑色”；文本內(nèi)容“運(yùn)行指示”；水平居中，垂直居中。組態(tài)停止指示燈。同時(shí)選中運(yùn)行指示燈圖符和標(biāo)簽，拷貝粘貼，拖曳到標(biāo)簽框相連。修改指示燈“填充顏色”表達(dá)式，選擇為“設(shè)備0_讀寫Y0010”，修改填充顏色連接分段點(diǎn)“1”對(duì)應(yīng)顏色“紅色”。修改標(biāo)簽文本內(nèi)容為“停止指示”。

（9）組態(tài)系統(tǒng)啟動(dòng)和停止按鈕。組態(tài)啟動(dòng)按鈕，用“標(biāo)準(zhǔn)按鈕”工具繪制1個(gè)按鈕，坐標(biāo)[H:160][V:420]和尺寸[W:100][H:40]；組態(tài)基本屬性，文本“啟動(dòng)按鈕”，文本顏色“藍(lán)色”，邊線色“銀色”；組態(tài)操作屬性，抬起功能——勾選“數(shù)據(jù)對(duì)象值操作”，“清0”的變量選擇為“設(shè)備0_讀寫M0021”；按下功能——勾選“數(shù)據(jù)對(duì)象值操作”，“置1”的變量選擇為“設(shè)備0_讀寫M0021”。組態(tài)停止按鈕，拷貝粘貼啟動(dòng)按鈕得到一個(gè)新按鈕。修改參數(shù)，坐標(biāo)[H:270][V:420]，文本“停止按鈕”，文本顏色“紅色”，抬起功能——數(shù)據(jù)對(duì)象值操作“清0”的變量選擇為“設(shè)備0_讀寫M0022”，按下功能——數(shù)據(jù)對(duì)象值操作“置1”的變量選擇為“設(shè)備0_讀寫M0022”。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行調(diào)試。

（1）料臺(tái)、料倉均無料時(shí)。按下觸摸屏的啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不動(dòng)作，相應(yīng)的檢測(cè)指示符合控制要求。

（2）料臺(tái)無料、料倉有料時(shí)。按下觸摸屏的啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行。此時(shí)，運(yùn)行指示燈亮、料倉有料亮，推料氣缸指示燈亮，活塞伸出，后限位先亮后滅，前限位先滅后亮。

（3）料臺(tái)、料倉均有料時(shí)。按下觸摸屏的啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不動(dòng)作，相應(yīng)的檢測(cè)指示也符合控制要求。

控制系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)行調(diào)試，設(shè)備動(dòng)作順暢、性能穩(wěn)定、可靠性高。自動(dòng)上料控制相比傳統(tǒng)的人工送料生產(chǎn)，有著諸多優(yōu)勢(shì)：生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，降低了生產(chǎn)成本[9]。