三菱PLC和HMI在尼龍帶自動剪裁設(shè)備中的應(yīng)用

蔡曉芷

（佛山市順德區(qū)陳村職業(yè)技術(shù)學校，廣東佛山 528313）

0 引言

PLC也稱為可編程邏輯控制器，目前PLC融合HMI技術(shù)在工業(yè)自動化中被廣泛應(yīng)用，此類系統(tǒng)運行可靠性高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，能在惡劣的環(huán)境中長期不間斷運行，而且其編程容易，維護工作量較小[1]。在珠三角地區(qū)有很多汽車零部件加工廠，其中汽車座椅上的尼龍帶拉手把需要經(jīng)過測量、剪裁、沖孔工序完成產(chǎn)品的加工。目前很多使用手工或半手工的形式進行加工，由于尼龍帶具有多種不同的規(guī)格，如長度不同、孔的大小不同和孔間距等，許多只能手工測量、沖孔、剪裁，產(chǎn)品生產(chǎn)效率低而且產(chǎn)品精度不高，質(zhì)量參差不齊，因此為了解決以上問題，很有必要對尼龍帶剪裁機進行自動化改造。針對尼龍帶產(chǎn)品種類繁多的問題，確定采用WEINVIEW觸摸屏TK6070IP作為人機界面，使用三菱PLCFX3U 48MT為控制器來控制設(shè)備的運行[2]。其中設(shè)備運行模式、速度、尼龍帶產(chǎn)品尺寸可以通過觸摸屏來設(shè)定，然后通過PLC控制伺服電機和步進電機來控制尼龍帶長度和寬度和沖裁速度，超聲波發(fā)波時長，從而實現(xiàn)尼龍帶的自動剪裁。

1 設(shè)備系統(tǒng)控制方案

尼龍帶自動剪裁系統(tǒng)方案如圖1所示。主機采用三菱FX 3U系列PLC，由程序控制各種外部設(shè)備運行。

圖1 設(shè)備系統(tǒng)方案Fig.1 Equipment systemscheme

當按下實體按鍵“啟動按鈕”時，系統(tǒng)進入初始化狀態(tài)，對各個參數(shù)進行初始化，可以選擇不同的按鈕進入手動模式、調(diào)試模式、量產(chǎn)模式和測試模式中，這幾個模式分別互鎖，每次只能進入一個。

在手動模式中，每個外設(shè)都是通過觸摸屏上的按鈕控制的，按下按鈕，外設(shè)得電并動作，按鈕復位，外設(shè)失電復位。調(diào)試模式中，以伺服電機開始，利用導向夾緊氣缸作為計數(shù)點，以夾緊導向氣缸復位而結(jié)束。耐久測試中，伺服電機用定位控制模式控制，使用三菱的相對位置控制指令DDRVI對電機位置進行精確控制。程序中的M8029是脈沖結(jié)束標志，當電機執(zhí)行完成程序設(shè)置的脈沖數(shù)時，M8029得電一個掃描周期，對電機的測試數(shù)量進行計數(shù)。量產(chǎn)模式中，對于故障處理的程序段，當量產(chǎn)模式時出現(xiàn)故障，設(shè)備將報警并顯示故障原因及其處理辦法。當故障原因是沖裁出現(xiàn)問題時，可以按下“沖裁”按鈕完成沖裁。沖裁結(jié)束后，彈出此產(chǎn)品是否計入總數(shù)量的界面，選擇是，將計數(shù)，選擇否則不計數(shù)。當故障已經(jīng)人工確認清除，按下觸摸屏上的“故障已清除”按鈕，此時程序繼續(xù)執(zhí)行，完成接下來的量產(chǎn)生產(chǎn)工序[4]。

2 系統(tǒng)組成

2.1 三菱PLC（FX 3U_48MT）

在本設(shè)計中，全部控制都是利用了開關(guān)量（數(shù)字量）的邏輯順序控制，要求控制系統(tǒng)按照邏輯條件和一定的順序和時序產(chǎn)生控制動作，并能夠?qū)碜袁F(xiàn)場的大量開關(guān)量、脈沖、計時、計數(shù)等數(shù)字信號進行監(jiān)控和處理[3]。本系統(tǒng)共需要驅(qū)動1臺伺服電機，2臺步進電機，4個電磁閥，2個指示燈和1個蜂鳴器，所以一共需要16個輸出口，2個高速脈沖輸出口。所以，最終本系統(tǒng)選擇了FX 3U-48MT PLC。

2.2 觸摸屏選型

從系統(tǒng)的要求和成本考慮，本文采用性價比較高的威綸觸摸屏TK6071IP，輸入電壓為10.5~28 VDC，外觀大小為7 in，像素800×480。觸摸屏上有兩個接口，用于與PLC通信和PC通信下載觸摸屏界面程序[5]。

2.3 伺服驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器是用于控制伺服電機的一種控制器，作用類似于變頻器作用于普通的交流馬達，是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，主要應(yīng)用于高精度定位系統(tǒng)中[6]。為了準確控制尼龍帶的長度，并綜合考慮了性價比，最后采用了力川的伺服電機。采用的是位置控制。為了能在觸摸屏的參數(shù)設(shè)置中直接輸入長度（mm），直接轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)量給PLC控制伺服電機定位到相應(yīng)的位置[7]。設(shè)置電子齒輪比為1∶1，即電機轉(zhuǎn)一圈需要10 000個脈沖，滾動軸直徑為40 mm，因此長度尺寸L與脈沖數(shù)的換算方法如下：

產(chǎn)品尺寸的公差在±0.5 mm，所以圓周率近似取3.14不會出現(xiàn)產(chǎn)品不合格現(xiàn)象。

2.4 步進電機

設(shè)計中需要用到2臺步進電機，1臺用于根據(jù)尼龍帶的寬度對輸送材料的過程中進行限位，1臺用于將剪裁后的尼龍帶送出?？紤]用步進電機是性價比較高，而且便于調(diào)速，在觸摸屏參數(shù)中設(shè)置便可[8]。步進電機1用于限位，防止尼龍帶傳輸過程中出現(xiàn)偏差，導致孔位出現(xiàn)偏差而增加廢品率。步進電機2用于將產(chǎn)品送出，產(chǎn)品質(zhì)量很小，所以采用了28系列的步進電機。

3 PLC梯形圖設(shè)計

3.1 PLC輸入輸出IO口分配表

表1所示為本系統(tǒng)中輸入輸出端子及其功能分配

表1 系統(tǒng)IO分配表Tab.1 System IOallocation table

3.2 PLC程序控制流程

圖2所示為程序控制的流程圖。

圖2 PLC程序控制流程Fig.2 PLCprogramcontrol flow chart

4 觸摸屏界面設(shè)計

在設(shè)計的過程中，充分與工廠的工作人員進行討論交流，做出交互性較強的人機界面[9]。觸摸屏界面分為首頁、手動模式、調(diào)試模式、量產(chǎn)模式、參數(shù)設(shè)置及歷史報警等界面。

在手動模式中，操作人員可以操作設(shè)備中的動作單獨執(zhí)行，特別是在調(diào)整好尼龍帶的長度和寬度后，可以對準確度進行檢測，調(diào)試到合適后進行量產(chǎn)。同時，可以在界面上通過燈的狀態(tài)觀察各個外設(shè)的工作情況。

在調(diào)試模式中，主要是用于測試沖裁機構(gòu)沖裁效果的穩(wěn)定性。比如輸入測試次數(shù)10，然后電機調(diào)式開始，設(shè)備會自動生產(chǎn)10個產(chǎn)品，通過檢測產(chǎn)品的合格率判斷沖裁機構(gòu)的運行情況。這一模式和自動模式的不同之處在于，沒有來料傳感器和落料傳感器的限制[10]。

在量產(chǎn)模式中，工人輸入生產(chǎn)數(shù)量后開始生產(chǎn)，當生產(chǎn)過程出現(xiàn)問題，則亮紅燈報警，并且屏幕顯示報警原因，工人對材料進行處理。量產(chǎn)模式中設(shè)置沖裁按鈕，是為了在沖裁不完全造成的故障，需要手動沖裁完成后，再點擊錯誤已清除，那么設(shè)備才會再次自動運行[11]。

5 設(shè)備運行效果

按下實體鍵“啟動按鈕”使系統(tǒng)啟動，在觸摸屏上選擇“參數(shù)設(shè)置”界面對尼龍帶的寬度、長度、沖裁的時間和超聲波發(fā)波時間進行設(shè)置，寬度設(shè)置后在手動模式中按下“寬度調(diào)整”按鈕，設(shè)備對軌道的寬度進行調(diào)整，這是為了防止在傳送過程中，尼龍帶輸送過程中出現(xiàn)錯位，導致沖孔時出現(xiàn)錯誤[12]。

這里在“參數(shù)設(shè)置”界面進行了沖壓時間和超聲波發(fā)波時間的設(shè)置，主要是因為在實際調(diào)試過程中，超聲波需要進行兩次短時間的發(fā)波才可以完全沖裁尼龍帶，而且如果設(shè)備的超聲波機器更換或者刀模更換，都需要進行相應(yīng)時間的調(diào)整。

參數(shù)設(shè)置完成后，可以進入“量產(chǎn)模式”設(shè)置需要生產(chǎn)的產(chǎn)量，如果是新?lián)Q物料，那么第一個物料需要手動進行裁切，避免浪費。在手動模式中，按下沖裁，沖裁第一段物料。如果是舊物料，則設(shè)置好產(chǎn)品的長度，產(chǎn)量就可以開始加工生產(chǎn)。

當生產(chǎn)過程中，設(shè)備出現(xiàn)問題，蜂鳴器響同時紅燈閃爍。觸摸屏上彈出故障指示和相應(yīng)的故障處理對策，下面是故障類型及相對應(yīng)的處理方式：

（1）如果物料用完，傳感器1觸發(fā)報警并在觸摸屏上顯示缺物料并提示操作步驟[13]；

（2）如果送料機構(gòu)出現(xiàn)問題，傳感器2觸發(fā)報警并在觸摸屏上顯示傳送故障，并提示操作步驟；

（3）如果加工完成（即已加工數(shù)量=產(chǎn)量），紅燈閃爍蜂鳴器報警，屏幕顯示加工已完成。

通過調(diào)試，本設(shè)備能夠準確按照不同長度剪裁出尼龍帶，并投入生產(chǎn)，在生產(chǎn)過程中，如果需要加快生產(chǎn)周期，可以通過設(shè)置伺服電機的運行速度、沖裁時間和超聲波發(fā)波時間。

6 結(jié)束語

實際運行證明，設(shè)備運行穩(wěn)定、可靠，通過三菱PLC融合HMI技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)不同產(chǎn)量、不同長度尼龍帶的自動化生產(chǎn)，本設(shè)計采用PLC控制伺服電機，通過位置控制模式精確控制尼龍帶的長度，設(shè)備投入使用后，生產(chǎn)的尼龍帶產(chǎn)品取樣質(zhì)檢結(jié)果顯示其誤差值均在允許的偏差范圍內(nèi)；在尼龍帶沖孔和剪裁時采用超聲波技術(shù)，使尼龍帶切斷速度快、切口固結(jié)平整不散邊效率高；通過觸摸屏參數(shù)設(shè)定可定制不同規(guī)格的尼龍帶。設(shè)備通過自動化控制不僅提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量，而且還降低了工作人員的操作危險系數(shù)。