基于PLC自動化控制的繞線機設計與開發(fā)

南京工業(yè)大學 張曦文

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由五個部件組成：PLC、HMI（人機界面）、伺服電機、步進電機（兩套）。系統(tǒng)硬件組成示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成示意

HMI：通過某界面，可以輕松地與操控者進行交互，并且可以根據(jù)需求進行參數(shù)調(diào)整，同時還可以實現(xiàn)設備的實時狀態(tài)監(jiān)控。而伺服系統(tǒng)則是通過驅(qū)動器與電動機來執(zhí)行的。

步進系統(tǒng)是一種先進的機械設備，其由兩個步進電機和一個驅(qū)動器組成，能夠?qū)崿F(xiàn)換槽位和搖擺排線的工藝。

HMI：為人機對話提供了友好的界面，主要用于參數(shù)設定和設備實時工況的顯示。伺服系統(tǒng)：由伺服驅(qū)動器及伺服電機組成，主要完成繞線工作。

步進系統(tǒng)：由兩步進電機及其配套驅(qū)動器組成，共同完成換槽位（分度）和排線（搖擺）工藝。

2 系統(tǒng)硬件選型及主要電路設計

2.1 硬件選型

為了降低成本，本文選擇國內(nèi)產(chǎn)品作為本控制系統(tǒng)的硬件，并且進行了詳細的設計和測試。

第一，采用匯川的H5U CPU 支持EtherCAT總線控制，可以通過FB/FC 功能實現(xiàn)工藝的封裝和復用，通過 RS485、CAN、以太網(wǎng)和 EtherCAT接口可以實現(xiàn)多層次網(wǎng)絡通信。

第二， 采用匯川近年新推出的AM600，AM600系列PLC 是一款采用模塊化結構設計的中型可編程邏輯控制器（以下簡稱 “AM600”），為用戶提供智能自動化解決方案。AM600系列PLC 采用IEC61131-3編程語言體系，支持PLCopen 標準6種編程語言。系統(tǒng)采用機架式布局，每個機架支持本地擴展16個擴展模塊，并可通過Profibus-DP、EtherCAT、CANopen 等多種工業(yè)現(xiàn)場總線進行機架的遠程擴展。AM600本地擴展模塊通過內(nèi)部總線協(xié)議進行IO 擴展，支持數(shù)字輸入/輸出模塊、模擬輸入/輸出模塊、溫度模塊等多種功能模塊。通過EtherCAT 總線可實現(xiàn)高性能運動控制功能；具有單軸加減速控制功能、電子齒輪功能、電子凸輪功能，還可通過高速IO 實現(xiàn)單軸基本定位功能，且最高頻率可達200kHz；同時支持RS485、以太網(wǎng)、USB 等通信功能，滿足用戶多樣化的應用需求。

第三，HMI：采用同辰的7時真彩觸摸屏，其不僅價格實惠，而且外觀精致，可以與多款主流PLC組態(tài)軟件兼容，操作簡單易懂。

第四，采用固若金的產(chǎn)品，具有卓越的性能和價格優(yōu)勢。在設計時遵循了成本優(yōu)先、足夠使用的原則，而非盲目追求高性能或大品牌。

2.2 系統(tǒng)主要電路設計

系統(tǒng)設計的目的在于實現(xiàn)半導體的繞線生產(chǎn)過程的全面自動化，所以僅對核心元器件進行了簡單的電氣設計，而對于其他的附屬元器件則沒有進行過深入的研究。利用三相電動機的協(xié)同動力，可實現(xiàn)半定子繞線的全部步驟，其中，伺服電機用于驅(qū)動器飛叉，實現(xiàn)繞線動態(tài)；步進電機1用于驅(qū)動器分度盤，實現(xiàn)換槽動態(tài)；步進電機2則用于驅(qū)動器半夾具，實現(xiàn)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)排線動態(tài)。經(jīng)過優(yōu)化的三個工藝動作中，以繞線為主，需要更加嚴格的控制，因此，伺服電機被用來控制繞線，以實現(xiàn)最大的轉(zhuǎn)矩，理論可達3000轉(zhuǎn)，而步進電機則被用來控制分度和排線，以降低生產(chǎn)成本[1]。

設計中一個完整的PLC 控制回路，包括啟動信號（AN1）、復位信號（AN2）、電機就緒按鈕（AN3）、安全保護信號（門開關）以及各個執(zhí)行機構的原點信號，同時還會輸出脈沖控制信號（包括速度、方向、全能等）和安全門驅(qū)動氣閥，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。通過在每個脈沖輸出信號端加入電阻，可以有效地限制流量，從而防止驅(qū)動器的輸入端光耦受到損壞。在設計中，通過三個驅(qū)動的電路來提高信息的可靠度。這三個驅(qū)動分別代表分度盤、排線和繞線電機。我們采取PUL 和24V 的連接方式，并在PUL 上連接脈沖信號P。當分度盤安裝好并被固定時，步進驅(qū)動器會發(fā)射一個訊號來限制信息的傳送，從而確保信息的安全性更可靠[2]。伺服機器必須通過輸入可用的電流來運行，因此DI3被安裝在CN1的第40針上。

2.3 HMI 功能設計

HMI 可以幫助我們更好地控制設備的運行狀態(tài)，并且可以根據(jù)需求調(diào)整繞線所需的參數(shù)，包括但不限于：匝數(shù)、分度數(shù)、槽寬（或者大小）、終止點、延遲時間、飛行速率，以及安裝路徑的選擇。HMI 由同辰公司開發(fā)，它采用了HMIFuncDesign組態(tài)軟件，可以進行模擬，具有很強的功能性。在HMI 初始化之后，可以看到第一個界面，其包含了一些重要設備的名稱、操作說明等，以及一個可以進行操作的入口。

3 步進電機的日常維護

確保機械設備可靠地運行，其中最關鍵的因素莫過于電機。因此，對電機進行定期檢查和保養(yǎng)顯得尤為必要，但由于缺乏相關技術和經(jīng)驗，當發(fā)生故障時，往往需要進行大量費用和時間上的投入，從而影響整個系統(tǒng)的效率和可靠性。如果不重視日常的維護，就會失去電動機的最佳使用效果。因此，維護電動機的重點應該放在維護其清潔度和完整性上，以及定期地檢測和維護，以確保其能夠正確運轉(zhuǎn)。此外，定期的維護和維護還包括對軸承的定期維護和潤滑，以及對進出口的連接點的定期維護[3]。

對于電機而言，由于其需要長期持續(xù)地運轉(zhuǎn)，因此，定期維護和保養(yǎng)顯得尤為必要。為此，應該特別關注電機所處的工作環(huán)境，避免其產(chǎn)生過度搖晃，造成電機故障，縮短其使用壽命。此外，應該定期對其進行外部檢測，確認其功能和性能，并且應該定期對其進行維護和維修。

在確保聯(lián)軸器的安全性、牢固性、穩(wěn)定性、噪聲、紅外測溫儀測量的溫度、鉗型電流表測量的電流以及繞線式電機的碳刷、滑環(huán)等參數(shù)的準確性的前提下，應該盡早對其中的任意部分進行檢測，以確保其運轉(zhuǎn)良好，避免發(fā)生意想不到的情況[4]。

4 PLC 控制軟件系統(tǒng)仿真

MC_POWER 是電機使能指令，這個指令需要輸入對應電機的軸名字，AXIS 和指令動作條件，這里設置PLC 允許的時候，指令就直接導致通，可以通過指令的BUSY 和ERR0R 來監(jiān)控電機是不使能或者故障狀態(tài)。

MC_JOG 指令是電機的點動指令，首先將指令輸入一個軸名字，其次通過控制JOGFORWARD和JOGbackWARD 來分別來控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)動作。動作速度由VELOCITY 決定，加速度這里設置的都是10000，加速度值越大，代表的是啟動的時候速度變化越快。如圖2所示。

圖2 繞線軸點動程序

C_HOME 是電機的回零程序，電機在每次上電后都會丟失當前位置坐標，可以通過該指令來讓電機回到設定的原點位置，重新設置當前位置坐標，電機回零完成后，指令的DONE 會導通，關閉電機回零信號。如圖3所示。

圖3 繞線軸回零程序

可以通過軟件自帶的TRACE 來監(jiān)控三個電機的位置，通過監(jiān)控位置來盤點電機是否運行正確，如圖4所示。

圖4 電機位置監(jiān)控曲（藍色是繞線，綠色是排線，棕色是分布）

通過按下啟動按鈕和自動按鈕，運行顯示導通，整個程序通過運行顯示代表其是否在自動運行。在自動運行時按下停止按鈕或出現(xiàn)故障都會將運行信號關閉。

5 結語

隨著PLC 技術發(fā)展，目前無論是在硬件還是軟件，集成功能都相當強大，而且價格越來越便宜，其靈活多變的擴展功能及穩(wěn)定的控制令其性價比大大提高，使許多使用單片機控制的設備轉(zhuǎn)向使用PLC 控制，以提高其穩(wěn)定性及靈活性。PLC 自動化控制的繞線機的系統(tǒng)簡明直觀，易于掌握，對積極推PLC 技術的應用會有很好的經(jīng)濟效益和社會效益。同時，通過HMI 與PLC 的配合，能為用戶提供極友好的操作界面，為生產(chǎn)操作帶來便捷，節(jié)省時間成本，整個系統(tǒng)經(jīng)過測試仿真后表明系統(tǒng)已達到設計要求。