基于PLC的金膜電容器自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計

馮英龍 羅軍

[摘 ? ?要]過去整個金膜電容器生產(chǎn)工藝流程包括芯子卷制、傳送、上料、噴金、下料、清理、鉆孔、裝箱等，每個工藝流程需要特定的設(shè)備輔助人工完成，長期處于半自動化生產(chǎn)狀態(tài)，人員工作負荷量大，生產(chǎn)效率低下。提出了一種將PLC應(yīng)用到金膜電容器自動化生產(chǎn)線的設(shè)計方法，結(jié)合CC-Link網(wǎng)絡(luò)總線模塊、運動控制模塊以及射頻識別技術(shù)的應(yīng)用，將相應(yīng)的金膜電容器生產(chǎn)設(shè)備與自動化生產(chǎn)線集成到一起，實現(xiàn)了金膜電容器全自動生產(chǎn)，極大提高了自動化生產(chǎn)水平，解放了人力資源，提高了生產(chǎn)效率，推動了金膜電容器行業(yè)的發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]金膜電容器;工藝流程;網(wǎng)絡(luò)總線;運動控制模塊

[中圖分類號]TP29 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）03–000–03

[Abstract]In the past， the whole production process of gold film capacitor included core winding， conveying， feeding， spraying gold， blanking， cleaning， drilling， packing， etc. Each process needed special equipment to assist manual completion， which was in semi-automatic production state for a long time， with heavy workload and low production efficiency. In this paper， a design method of applying PLC to the automatic production line of gold film capacitor is proposed. Combined with the application of CC-Link network bus module， motion control module and radio frequency identification technology， the corresponding production equipment of gold film capacitor is integrated with the automatic production line， which realizes the automatic production of gold film capacitor， greatly improves the automatic production level， liberates human resources， improves production efficiency and promotes the development of gold film capacitor industry.

[Keywords]gold film capacitor;technological process;network bus;motion control module

可編程控制器（PLC）在工業(yè)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普及，是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的組成部分。其編程簡單，可在現(xiàn)場方便地編輯及修改程序，而且內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。其可靠性明顯高于繼電器控制系統(tǒng)，并且具有強大的擴展性及數(shù)據(jù)通訊功能。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等行業(yè)。鑒于此，本文引入一種大型PLC系統(tǒng)應(yīng)用于金膜電容器自動化生產(chǎn)線，將整個生產(chǎn)工藝流程簡單化、集成化、系統(tǒng)化，實現(xiàn)了金膜電容器生產(chǎn)設(shè)備與自動化生產(chǎn)線的組合。通過PLC的應(yīng)用，極大提高了金膜電容器生產(chǎn)的可靠性，極大節(jié)省了人力物力。

1 系統(tǒng)組成

整條金膜電容器自動化生產(chǎn)線主要由元件卷制機、皮帶線、上料機器人、兩軸上料移載裝置、小車掛鉤換向機構(gòu)、積放鏈懸掛線、噴金機、噴金后的金膜元件下料、清理、鉆孔和裝箱裝置、控制系統(tǒng)等組成?？紤]到日后設(shè)備擴展要求，控制系統(tǒng)按8臺卷制機（8條倒槽）、8條滑道、4臺機器人、16個積放鏈上料工位、16套移載裝置和3臺噴金機、3個下料工位的布置要求進行設(shè)計。

2 系統(tǒng)工作原理

卷制機加工好元件后，皮帶線傳送元件到機器人上料點，經(jīng)定位后，等待機器人抓取。同時積放鏈將元件框傳輸?shù)街付ㄎ恢?，移載裝置將元件框移至機器人抓取位置，兩側(cè)板固定元件框，頂升氣缸抬起使元件框脫離上料小車的掛鉤。待脫離后，移載裝置縱向移至元件框上料定位點，將元件框放在上料定位點的V型定位槽內(nèi)定位，移載裝置脫開并移至等待工位。元件框兩側(cè)的支耳被V型定位板上的氣缸頂起，打開彈性立柱，機器人抓取元件碼放在元件內(nèi)。碼放完畢后，元件框兩側(cè)頂起支耳的氣缸縮回，彈性立柱關(guān)閉。移載裝置又移至元件框上料定位點，將元件框撐起掛入積放鏈，鏈體傳輸元件框到噴金工位。經(jīng)過噴金機4個工位正反面噴涂鋅粉后，積放鏈傳送料框到下料點，通過下料機構(gòu)取下，然后移載送到傳送皮帶線卸料。下料元件再通過升降機構(gòu)進行排隊分隔，最終傳送到下一工序打孔。卸料后的空框通過下料機構(gòu)再重新掛到積放鏈下料點上，通過積放鏈傳輸?shù)较鄳?yīng)的位置，按照以上流程循環(huán)工作。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

整條生產(chǎn)線控制元件采用日本三菱Q系列大型PLC、工業(yè)觸摸屏、伺服電機、伺服驅(qū)動器、變頻器、德國倍加福RFID控制器、讀寫頭、載碼體、三相異步電動機、施耐德低壓電氣元件、奧托尼克斯光電開關(guān)、臺灣天得行程開關(guān)、現(xiàn)場控制盒、線纜等。

3.1 控制系統(tǒng)元件的選取

本系統(tǒng)PLC控制元件主要選擇日本三菱品牌，選型如表1所示。

PLC主機及其輔助模塊按照圖1所示順序排列在Q312B基板上。系統(tǒng)采用10.4“觸摸屏為上位機，PLC為主控單元，兩者通過以太網(wǎng)連接，采用ModbusTCP通訊協(xié)議，將金膜電容器自動化生產(chǎn)線集散控制。通過CC-Link總線將PLC與變頻器和RFID控制器連接到一起，減少了線路的連接，極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。伺服系統(tǒng)采用運動控制模塊將四臺伺服電機連接到一起，每臺伺服驅(qū)動器之間采用光纖連接，克服了由于距離較遠而引起的干擾和信號衰減問題，比以往獨立控制更簡單、更穩(wěn)定、更可靠。

3.2 CC-Link總線的應(yīng)用

現(xiàn)場總線技術(shù)是實現(xiàn)現(xiàn)場級控制設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。目前為止還沒有統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準，呈現(xiàn)多種總線并存的格局。如圖2所示，本次設(shè)計采用三菱公司開發(fā)的CC-Link網(wǎng)絡(luò)總線協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)總站用一根通信電纜將CC-Link總線模塊與5個帶有通信接口的三菱變頻器以及4個倍加福載碼控制器相連接，共連接9臺設(shè)備，完成生產(chǎn)線工藝流程控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠程參數(shù)化等功能。

網(wǎng)絡(luò)總站與各個分站點設(shè)備信息分配如表2所示，其中每臺變頻器占用1個站點，每臺RFID控制器占用4個站點，設(shè)計時嚴格按照設(shè)備占用的數(shù)據(jù)空間分配執(zhí)行。程序編寫時，PLC軟件上按照I/O地址分配以及寄存器空間地址分配編寫，不需要連接多余線纜。應(yīng)用CC-Link總線技術(shù)，免去了諸多的電纜連接，減少了不穩(wěn)定點，同時節(jié)省了人力物力。CC-Link電纜可支持電力線、雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線等，具有較強的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 運動控制模塊的應(yīng)用

為了保證金膜電容器自動化生產(chǎn)線上料和下料位置精度，設(shè)計中采用伺服控制。考慮到主控制柜與上料裝置和下料裝置的安裝位置，伺服電機、驅(qū)動器的布置通常有3種方式：

（1）伺服電機驅(qū)動器安裝到主控制柜內(nèi)，延長伺服電機到驅(qū)動器之間的電源線電纜和編碼器電纜長度（大約50 m）。

（2）現(xiàn)場增加外部控制箱，伺服電機驅(qū)動器安裝到外部控制箱中，布置到相應(yīng)設(shè)備附近，增加PLC脈沖口到伺服驅(qū)動器之間的電纜插頭雙絞屏蔽線長度（大約50m）。

（3）伺服驅(qū)動器安裝到外部控制箱中，主控制柜配置運動控制模塊。如圖3所示，運動控制模塊、4臺伺服驅(qū)動器之間采用SSCNETIII光纖線纜連接。

對于方案1和方案2，PLC脈沖口與伺服驅(qū)動器插頭連接雙絞屏蔽線通常建議2 m以內(nèi)，伺服電機編碼器電纜通常建議30 m以內(nèi)，兩者電纜不宜過長，否則易引起信號衰減和信號干擾，從而影響定位精度。方案3采用光纖電纜連接可以達到現(xiàn)場50 m距離要求，克服了方案1和方案2的不足。此外，通過PLC脈沖口發(fā)脈沖控制伺服電機軟件編程比較繁瑣，適合行程單一的場合，對于復(fù)雜的往復(fù)運動不適合。綜上，應(yīng)用三菱運動控制模塊程序編寫比較方便，而且減少了線纜的連接，克服了信號干擾，穩(wěn)定性極大加強。

3.4 RFID的應(yīng)用

為了解決生產(chǎn)線上產(chǎn)品的信息儲存及傳輸問題，操作人員在卷制元件前，將元件的信息（如噴金機序號、產(chǎn)品型號、芯子長度、芯子直徑等）輸入系統(tǒng)。每個上料小車上安裝射頻載碼體，移載裝置安裝射頻識別系統(tǒng)（RFID）讀寫頭。當上料裝置需要裝元件時，PLC發(fā)出裝元件指令，移載裝置將對應(yīng)的元件框放在該工位完成下線、裝框和上線。當元件框上線時，RFID控制器控制移載裝置上的讀寫頭將該元件框的產(chǎn)品信息寫入載碼體，同時也將該信息存入系統(tǒng)。在每臺噴金機前安裝讀寫頭，逐一讀取經(jīng)過的元件框載碼體數(shù)據(jù)，當信息匹配成功，元件框自動在對應(yīng)的噴金機前暫存。當元件框進入噴金機入口后，噴金機讀取該載碼體數(shù)據(jù)信息，且自動調(diào)整噴頭位置、噴金高度、噴金次數(shù)等參數(shù)。元件框下料后，通過裝置重新掛到積放鏈上，積放鏈帶動元件框運行到指定位置暫留，同時將載碼體儲存信息清零，然后重新分配到鏈體，等待控制系統(tǒng)呼叫。相比于電子、條形碼、視覺等信息識別系統(tǒng)，RFID可以應(yīng)用到環(huán)境惡劣的場合，不受光線影響，不易受信號干擾，使用壽命更長，穩(wěn)定性更好。

4 結(jié)論

三菱Q系列大型PLC在金膜電容器自動化生產(chǎn)線的應(yīng)用具有以下優(yōu)點：

（1）CC-Link總線的應(yīng)用，減少了設(shè)備間線纜的連接，在一定程度上節(jié)省了人力物力，極大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（2）QD77MS4運動控制模塊的應(yīng)用，使控制系統(tǒng)軟件編程變得簡單，減少了設(shè)備間線纜的連接，提高了系統(tǒng)可靠性。

（3）射頻識別系統(tǒng)（RFID）的應(yīng)用，克服了噴金工藝中高溫和高污染的惡劣工作環(huán)境，抗干擾能力強，使用壽命長。

該控制系統(tǒng)自2018年正式在桂林電力電容器有限責(zé)任公司現(xiàn)場投入使用以來，整個金膜電容器生產(chǎn)線運行狀況穩(wěn)定，操作簡便，能有效地提高生產(chǎn)效率，解放了人力資源，滿足生產(chǎn)和管理的需要。

參考文獻

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[2] 張培仁.CAN總線設(shè)計及分布式控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.