基于PLC和觸摸屏的陶質(zhì)襯墊基帶生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計

付毅，喬一倫，靳珂珂

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室，廣東 珠海 519000）

0 引言

陶質(zhì)焊接襯墊是為保證接頭根部焊透和焊縫背面成形，沿接頭背面預(yù)置的一種襯托裝置。陶質(zhì)襯墊焊是一種以特殊陶質(zhì)材料為襯托，使焊縫強制成形的高效、優(yōu)質(zhì)、低成本、高質(zhì)量的焊接技術(shù)，目前已得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)焊接方法相比，陶質(zhì)襯墊焊接是一種適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展潮流的“綠色”焊接方法。

陶質(zhì)襯墊焊接具有以下特點：

1）效率高，避免了清根、打磨、仰焊及工件翻身；

2）質(zhì)量好，焊接操作難度降低，容易獲得高質(zhì)量的焊縫，避免了人為因素的影響；

3）成本低，與傳統(tǒng)方法相比，節(jié)省材料、電力、工作量及場地等；

4）減輕勞動強度，取消了清根、打磨仰焊及狹窄封閉環(huán)境內(nèi)焊接作業(yè)，降低焊接煙塵及煙塵對人體的危害。

市場對陶質(zhì)襯墊有很大的需求，但市場上現(xiàn)有的生產(chǎn)方式基本為手工粘貼，生產(chǎn)效率低，工人勞動強度大，且產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。本項目旨在設(shè)計研發(fā)一套全自動陶質(zhì)襯墊粘貼基帶生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，該生產(chǎn)系統(tǒng)在很大程度上能夠提高勞動生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品合格率，克服人為造成的不穩(wěn)定因素，改善勞動條件，為現(xiàn)代化的生產(chǎn)管理提供強有力的物質(zhì)條件，以達到系統(tǒng)自動化控制的目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工藝簡介

電氣控制系統(tǒng)選擇PLC與觸摸屏結(jié)合的方案[1]，主要基于以下幾點考慮：① 技術(shù)成熟、規(guī)范，可靠性高、抗干擾能力強；② PLC及觸摸屏體積小、重量輕，易于標(biāo)準(zhǔn)化安裝，可使整體結(jié)構(gòu)簡潔，緊湊；③ PLC的梯形圖編程易于掌握，觸摸屏組態(tài)軟件提供眾多的按鈕、指示燈、列表等控件[2]，使界面友好靈活。當(dāng)控制功能需要改變時，只需修改程序及更改極少量的接線[3]；④設(shè)備的Ι/O控制點多，若采用電器按鈕、指示燈顯示的方式，會增加硬件模塊及電氣連線，相應(yīng)故障率也會加大。采用觸摸屏與PLC相配合，使設(shè)備的大量操作控制、運行信息通過觸摸屏編程予以實現(xiàn)，與觸摸屏間通過串行接口通訊，連線簡潔。

PLC與觸摸屏的組合，再配合光纖傳感器、電磁閥、步進控制系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)以及其他執(zhí)行元件等[4]，共同構(gòu)成了陶質(zhì)襯墊粘貼基帶生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工藝流程：

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of the control system

1）撫標(biāo)機構(gòu)。啟動后，撫標(biāo)電磁閥控制撫標(biāo)刮板伸出，使即將運動的粘貼基帶與陶質(zhì)襯墊平行穩(wěn)定向前運動；

2）識別、吹氣機構(gòu)。PLC接收到工控機發(fā)來的正確的陶質(zhì)襯墊識別信號后，當(dāng)傳感器檢測到陶質(zhì)襯墊進入設(shè)定位置時，吹料電磁閥控制吹氣元件吹氣，把陶質(zhì)襯墊吹到預(yù)定軌道；

3）計數(shù)機構(gòu)。光線傳感器對吹過來的陶質(zhì)襯墊進行計數(shù)，計數(shù)到20（產(chǎn)品以20個陶質(zhì)襯墊為一組），PLC便啟動傳送機構(gòu)；

4）傳送機構(gòu)。伺服電機控制控制傳送帶輸送陶質(zhì)襯墊；

5）拉標(biāo)機構(gòu)。當(dāng)光纖傳感器檢測到陶質(zhì)瓷片運動到設(shè)定位置后，步進電機帶動粘貼基帶與陶質(zhì)襯墊同步運動；

6）壓標(biāo)機構(gòu)。當(dāng)粘貼基帶與陶質(zhì)襯墊前進固定距離后，撫標(biāo)刮板伸出復(fù)位收回，壓標(biāo)電磁閥控制壓標(biāo)元件下壓，使粘貼基帶與陶質(zhì)襯墊粘合到一起；

7）切標(biāo)機構(gòu)。當(dāng)粘貼基帶與陶質(zhì)襯墊粘合到一起后，切標(biāo)電磁閥控制切刀切斷基帶；

8）模切機構(gòu)。切標(biāo)的同時，模切電磁閥控制模切刀切割倒角，便于產(chǎn)品使用時撕開基帶，然后壓標(biāo)元件復(fù)位收回，陶質(zhì)襯墊粘貼基帶繼續(xù)往前輸送；

9）劃線機構(gòu)。伺服電機控制滾輪對陶質(zhì)襯墊進行紅色涂料劃線；

10）觸摸屏。作為PLC的上位機，負責(zé)整個系統(tǒng)的控制及工藝參數(shù)修改、報警顯示等。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本控制系統(tǒng)的硬件包括：PLC、觸摸屏、步進電機（一臺）、步進驅(qū)動器（一臺）、伺服電機及伺服驅(qū)動器（各2臺）、電磁閥（5個）、光纖傳感器（6個）。

PLC（可編程控制器）作為比較普遍采用的工業(yè)控制系統(tǒng)[5]，其結(jié)構(gòu)特點完全能夠滿足系統(tǒng)控制及其工作環(huán)境的要求。但單純的PLC控制系統(tǒng)不宜實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控以及工藝參數(shù)的現(xiàn)場設(shè)置和修改，為了解決這一問題，選用觸摸屏作為人機對話接口來完成對PLC的輸入控制和輸出顯示。實踐表明，觸摸屏－PLC構(gòu)成的監(jiān)視控制系統(tǒng)不僅可以替代傳統(tǒng)的控制面板和鍵盤輸入，而且能以圖形化的方式描繪自動加工過程，操作者可以通過觸摸屏輸入的方式執(zhí)行設(shè)備的各項功能[6]。

2.1 PLC選型及I/O分配表

本系統(tǒng)采用PLC做為系統(tǒng)的控制核心，應(yīng)首先考慮系統(tǒng)輸入輸出情況及工藝要求，本系統(tǒng)的輸入點數(shù)共16個，輸出點數(shù)共8個；需要進行脈沖輸出，因此要選擇晶體管輸出類型的PLC，綜合考慮，選用用歐姆龍CP1H系列X型（標(biāo)準(zhǔn)型）PLC，該型號PLC是一款用于實現(xiàn)高速處理、高功能的程序一體化型PLC，其內(nèi)部集成了24路輸入接口和16路輸出接口[7]，可實現(xiàn)高速計數(shù)器4軸，脈沖輸出4軸，脈沖輸出點最高可達100 kHz，可進行RS-232C通信或RS-422A通信，本系統(tǒng)PLC的地址分配如表1所示。

2.2 觸摸屏

考慮到經(jīng)濟實用、性價比以及產(chǎn)品的易用性，本系統(tǒng)選用威綸通型號為TΚ6070iP觸摸屏，屏幕大小為7寸，一個接口，其性能完全可以滿足本系統(tǒng)要求，觸摸屏與PLC的通信協(xié)議采用RS232口連接[8]。

觸摸屏主要負責(zé)生產(chǎn)系統(tǒng)各流程控制及監(jiān)控、傳感器信號監(jiān)控、設(shè)備參數(shù)的設(shè)置和修改、報警顯示等。

2.3 拉標(biāo)模塊

選用上海步科自動化股份有限公司的Κinco品牌3S57Q-04042型號步進電機作為拉標(biāo)電機，選用Κinco品牌3M485型號步進驅(qū)動器。

2.4 輸送模塊

選用深圳市研控自動化科技有限公司型號為YΚ90ST-M02430的伺服電機作為輸送電機，選用該公司型號為PSDD-08A5D的伺服驅(qū)動器[9]，此模塊負責(zé)控制傳送帶2。

2.5 劃線模塊

選用三菱公司型號為HF-ΚN13J-S100的伺服電機作為劃線電機，選用三菱公司型號為MRJE-10A的伺服驅(qū)動器。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用歐姆龍PLC編程軟件CX-Programmer進行PLC程序的編寫、調(diào)試，程序用梯形圖語句進行編程[10]；采用威綸通觸摸屏編程軟件EasyBuider8000組態(tài)軟件進行觸摸屏程序的編寫。

3.1 PLC軟件設(shè)計

PLC的任務(wù)是負責(zé)系統(tǒng)各個部分的信號檢測、伺服和步進控制、電磁閥執(zhí)行元件的控制。

整個PLC的程序包括以下程序段：主程序、輸送程序、固定路程程序、計數(shù)程序、3 cm程序、拉標(biāo)程序、劃線程序、產(chǎn)量計數(shù)程序、吹氣程序。

主程序主要為整個控制流程的框架設(shè)計，負者總領(lǐng)整個控制流程；輸送程序主要負責(zé)控制伺服電機帶動傳送帶前進；固定路程程序的任務(wù)是使傳送帶前進一固定路程；計數(shù)程序是對吹過來的陶質(zhì)襯墊進行計數(shù)，達到20個后便啟動傳送帶2；3 cm程序負責(zé)每當(dāng)吹過來一個陶質(zhì)襯墊后控制傳送帶前進3 cm；拉標(biāo)程序的任務(wù)是控制步進電機拉動粘貼基帶前進；劃線程序主要負責(zé)控制另一臺伺服電機對粘貼好的產(chǎn)品進行紅色涂料劃線[11]；產(chǎn)量計數(shù)程序負責(zé)對產(chǎn)量進行計數(shù)；吹氣程序負責(zé)控制電磁閥對陶質(zhì)襯墊吹氣，使其進入預(yù)定軌道。

可以把整個控制程序分為兩個模塊：① 襯墊準(zhǔn)備模塊；② 粘貼劃線模塊。程序控制流程圖如圖2所示。

3.1.1 襯墊準(zhǔn)備模塊

表1 PLC的I/O地址分配表Table 1 The I/O address allocation table of PLC

該模塊主要負責(zé)把方向正確的陶質(zhì)襯墊以20個為一組，排列整齊，為后面的粘貼任務(wù)做準(zhǔn)備。

傳送帶1與傳送帶2相互垂直。當(dāng)啟動程序后，撫標(biāo)刮板伸出，傳送帶2會運轉(zhuǎn)，當(dāng)“膠片檢測”傳感器檢測到固定在傳送帶2上的膠片時，便啟動固定路程程序，使傳送帶停在預(yù)定位置[12]，準(zhǔn)備接收即將吹過來的陶質(zhì)襯墊。傳送帶1負責(zé)把未經(jīng)過篩選的陶質(zhì)襯墊往前運送，運送途中進行圖像識別，上位機把識別后的數(shù)據(jù)傳送給PLC，當(dāng)傳送來的數(shù)據(jù)與PLC里設(shè)定的數(shù)據(jù)一致時（即此襯墊是滿足方向要求的襯墊），控制吹氣電磁閥把襯墊吹到傳送帶2上，吹過來的襯墊會觸發(fā)計數(shù)器進行計數(shù)，同時啟動3 cm程序，使傳送帶2前進3 cm(一個襯墊的長度為3 cm)，給下一個即將吹過來的陶質(zhì)襯墊騰出位置，當(dāng)計數(shù)到20后，便啟動輸送程序把20個陶質(zhì)襯墊往前運送。

3.1.2 粘貼劃線模塊

圖2 程序控制流程圖Fig.2 Control flow chart of program

傳送帶2把20塊陶質(zhì)襯墊往前傳送，當(dāng)“貼標(biāo)檢測”傳感器檢測到陶質(zhì)襯墊時，啟動拉標(biāo)程序，使粘貼基帶與陶質(zhì)襯墊一同前進，當(dāng)“貼標(biāo)結(jié)束檢測”傳感器檢測到固定在傳送帶上的膠片時，貼標(biāo)過程結(jié)束，傳送帶2停止輸送。撫標(biāo)刮板復(fù)位；壓標(biāo)元件壓下去，使陶質(zhì)襯墊與基帶緊密粘貼，然后控制電磁閥進行切標(biāo)和模切，隨后壓標(biāo)元件抬起復(fù)位，啟動輸送程序使傳送帶2繼續(xù)前進，進行劃線。

3.2 觸摸屏程序設(shè)計

通過EasyBuider8000提供的多種控制器件庫、圖形控件、功能控件，可以組態(tài)出各種動態(tài)功能和控制功能[13]，以及工藝參數(shù)修改和實現(xiàn)故障的可視化。

觸摸屏能夠讀取PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)，顯示現(xiàn)場狀態(tài)數(shù)據(jù)。由于觸摸屏具有組態(tài)軟件的支持，并有多頁面切換的功能，所以各類按鈕操作均可方便實現(xiàn)，且界面整潔、美觀。

本觸摸屏程序所涉及的界面窗口包含1個啟動個窗口（如圖3）和3個功能窗口（部分窗口如圖4），系統(tǒng)啟動自檢后首先進入啟動窗口[14]，再進入各功能窗口，其中“操作畫面”窗口（圖4）負責(zé)整個系統(tǒng)各階段流程控制，包括“啟動”“初始化”“人工觸發(fā)”“手動壓標(biāo)”等，增加了各環(huán)節(jié)手動控制按鈕，以便于更好的調(diào)試和進行故障處理，各控制按鈕都能帶有各對應(yīng)控制對象的狀態(tài)指示；“參數(shù)設(shè)定”窗口負責(zé)系統(tǒng)參數(shù)的修改，兩臺電機（拉標(biāo)電機和輸送帶伺服電機）的速度匹配是調(diào)試過程中的重點和難點，使用觸摸屏可以方便的進行脈沖輸出參數(shù)的修改[15]；“參量計數(shù)”窗口負責(zé)顯示當(dāng)前產(chǎn)量。

4 運行效果

圖3 啟動窗口Fig.3 Starting-window

圖4 操作界面窗口Fig.4 Operation interface window

圖5 產(chǎn)品實物圖Fig.5 Practicality picture of products

經(jīng)過現(xiàn)場的調(diào)試，本生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)已經(jīng)能夠生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，襯墊連接緊密，粘貼牢固，筆直美觀，產(chǎn)品實物圖如圖5所示。

5 結(jié)論

該設(shè)備控制系統(tǒng)以PLC為核心，結(jié)合觸摸屏控制，根據(jù)上述系統(tǒng)的設(shè)計，全自動陶質(zhì)襯墊粘貼基帶生產(chǎn)線已經(jīng)成功研發(fā)出來，通過公司的檢驗，達到了生產(chǎn)要求，效果良好。應(yīng)用表明，該控制方案投資少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，現(xiàn)場運行穩(wěn)定可靠，設(shè)備操作方便，生產(chǎn)效率高，達到了設(shè)計要求。