三菱PLC與變頻器和觸摸屏的綜合應(yīng)用

朱峰剛，臧能義

新疆工程學(xué)院，新疆烏魯木齊，830011

0 引言

隨著自動(dòng)控制技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，PLC、觸摸屏與變頻器的應(yīng)用也越來越深入和廣泛。一個(gè)完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)，往往是PLC、觸摸屏與變頻器等部件的綜合應(yīng)用。在生產(chǎn)中的工件上下料作業(yè)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空等行業(yè)流通中心和配送中心。

本文所涉及的是一個(gè)在車間用的自動(dòng)上下料系統(tǒng)，自動(dòng)上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)的搭建是為了保證設(shè)備運(yùn)行精度，選用PLC作為控制系統(tǒng)主控單元，由PLC向伺服電機(jī)的編碼器發(fā)送脈沖指令，控制伺服電機(jī)對(duì)自動(dòng)上下料機(jī)械手工作位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，同時(shí)PLC可以接收連接的各傳感器和其他的IO接口信號(hào)，進(jìn)而控制整機(jī)。選用工業(yè)觸摸屏作為人機(jī)交互界面，通過對(duì)觸摸屏控制界面的布局設(shè)計(jì)，用戶可以在觸摸屏上進(jìn)行操作，發(fā)送信號(hào)控制自動(dòng)上下料機(jī)械手，同時(shí)可以隨時(shí)調(diào)整控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

1 上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC一般指的是可編程邏輯控制器，專門為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作系統(tǒng)，具有可靠性高、編程容易、安裝方便和運(yùn)行速度快的特點(diǎn)。

1.1 PLC選型

本設(shè)備控制系統(tǒng)選用的是三菱FX3U-48MT/ES系列，內(nèi)置64K大容量RAM存儲(chǔ)器，內(nèi)置由CPU、電源、程序內(nèi)存、輸入輸出組成的基本單元，同時(shí)具有48個(gè)IO接口，包括24個(gè)輸入點(diǎn)和24個(gè)輸出點(diǎn)，基本滿足該自動(dòng)上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)的IO配置要求。此外，F(xiàn)X3U-48MT/ES系列PLC采用的是晶體管漏型的輸出形式，可以直接連接直流負(fù)載，相比于其他輸出方式使用壽命長，穩(wěn)定性也高，更適合作為機(jī)械手控制系統(tǒng)的控制器[1]。具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 PLC 技術(shù)參數(shù)

1.2 觸摸屏型號(hào)選型

作為現(xiàn)代工業(yè)PLC控制系統(tǒng)中人機(jī)交互的組成部分，觸摸屏可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的按鈕控制。借助觸摸屏設(shè)計(jì)軟件，可以實(shí)現(xiàn)界面的布局和觸摸屏界面的功能設(shè)計(jì)，并且可以添加指示虛擬按鈕和顯示程序運(yùn)行數(shù)據(jù)的圖標(biāo)。通過將三菱PLC和觸摸屏相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)人為遠(yuǎn)程對(duì)控制系統(tǒng)的操作，觸摸屏作為上位主機(jī)，可以對(duì)連接的一個(gè)或多個(gè)PLC進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，不僅可以完成信號(hào)觸發(fā)，還可以將PLC程序中設(shè)定的各項(xiàng)數(shù)據(jù)完整地顯示在觸摸屏上，方便用戶對(duì)控制系統(tǒng)的操作和監(jiān)視[2]。

本次設(shè)計(jì)的構(gòu)成自動(dòng)上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)的觸摸屏，選用的是三菱GOT2000系列觸摸屏。觸摸屏外觀尺寸為316mm×246mm，采用的是模擬電阻膜的觸摸方式，支持100萬次以上的使用壽命。觸摸屏主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 觸摸屏技術(shù)參數(shù)

1.3 PLC程序設(shè)計(jì)

1.3.1 工作流程

為了方便調(diào)試自動(dòng)上下料機(jī)械手，對(duì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)模式和自動(dòng)模式兩種控制模式。在手動(dòng)模式下，用戶可以通過觸摸屏控制三個(gè)操作軸之一的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)區(qū)域的正確放置。此外，在手動(dòng)控制模式下，控制速度可以由觸摸屏進(jìn)行調(diào)整。

機(jī)械手根據(jù)系統(tǒng)確定的邏輯順序自動(dòng)執(zhí)行動(dòng)作。機(jī)械手的上下料操作分為4個(gè)運(yùn)行點(diǎn)：取料點(diǎn)上、取料點(diǎn)、放料點(diǎn)上、放料點(diǎn)。這4個(gè)程序點(diǎn)的定位由示教確定。運(yùn)作過程中，需要由用戶手動(dòng)將各軸操作回零點(diǎn)，隨后再按下自動(dòng)運(yùn)行按鈕。首先，機(jī)械手會(huì)從零點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)到原點(diǎn)位置，再由原點(diǎn)快速運(yùn)動(dòng)到取料點(diǎn)的上方，待取料點(diǎn)上的工件到位后，機(jī)械手開始緩慢下降到取料點(diǎn)，當(dāng)真空吸盤接觸到工件時(shí)，吸盤電磁閥開始接通，通過真空氣壓吸附工件，等待吸附穩(wěn)定后，機(jī)械手緩慢上升，再快速移動(dòng)到放料點(diǎn)上方，到達(dá)放料點(diǎn)上方后，機(jī)械手慢速下降到放料點(diǎn)位置，吸盤電磁閥關(guān)閉，吸盤松開工件，工件落在指定的放料點(diǎn)上，工作流程結(jié)束后，機(jī)械手再緩慢上升到放料點(diǎn)上方，隨后快速回到原點(diǎn)位置，進(jìn)行相同的自動(dòng)工作過程[3]。在自動(dòng)運(yùn)行的整個(gè)過程中，如果中途出現(xiàn)緊急情況，可以快速拍下急停按鈕，使機(jī)械手運(yùn)行強(qiáng)制停止，待斷開急停按鈕后，再重新進(jìn)行回零點(diǎn)的操作，方可重新進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行。圖1為自動(dòng)上下料機(jī)械手自動(dòng)運(yùn)行流程圖。

圖1 控制系統(tǒng)運(yùn)行流程

1.3.2 I/O接口分配

IO接口是主機(jī)和被控制對(duì)象進(jìn)行信息交換的紐帶，是控制系統(tǒng)中信號(hào)傳遞的通道，控制器借由IO接口與連接的設(shè)備完成信號(hào)傳遞。在設(shè)計(jì)PLC程序之前，需要先對(duì)PLC上的IO接口根據(jù)要求分配好各個(gè)接口的地址。PLC控制器的IO接口中，輸入端口和輸出端口多為數(shù)字信號(hào)，屬于離散信號(hào)，PLC控制器的IO接口地址分配如表3所示。

表3 PLC 的IO 接口分配

1.3.3 程序梯形圖設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)上下料機(jī)械手是使用PLC控制器作為機(jī)械手控制系統(tǒng)的控制器，需要先對(duì)PLC進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，本次使用的是FX3U/FX3UC機(jī)型，梯形圖作為程序語言。針對(duì)三菱FX3U系列PLC，使用的是GX works2軟件作為編程軟件。

根據(jù)要求先對(duì)手動(dòng)模式下的各軸進(jìn)行編程，使用的是DDRVI相對(duì)定位指令，同樣是作為常用定位指令，相對(duì)定位指令也被稱為增量定位，以相對(duì)驅(qū)動(dòng)的方式來執(zhí)行單速定位的指令。結(jié)合觸摸屏使用，實(shí)現(xiàn)三個(gè)軸的手動(dòng)控制程序。按照流程圖要求，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)之前需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行回零點(diǎn)操作，通過復(fù)位按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)回零點(diǎn)操作。同樣使用相對(duì)定位DDRVI指令，使運(yùn)行軸從當(dāng)前位置運(yùn)動(dòng)到原點(diǎn)位置。同時(shí)，為了可以在手動(dòng)控制模式下時(shí)，更精準(zhǔn)地控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)位置，設(shè)置寸動(dòng)程序，使機(jī)械手在手動(dòng)控制模式下可以精準(zhǔn)移動(dòng)一定的位置，同時(shí)設(shè)置方向控制寸動(dòng)方向，設(shè)計(jì)出寸動(dòng)程序梯形圖。

在完成自動(dòng)控制程序的設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到機(jī)械手在工作過程中是由單個(gè)機(jī)械手完成整個(gè)沖壓過程中上下料的取料和放料過程，所以，需要先設(shè)置完成好上下料機(jī)械手的信號(hào)對(duì)接，即需要在控制系統(tǒng)中添加相應(yīng)的取料區(qū)域的工件到位信號(hào)，同理，也需要添加放料區(qū)域的工件放置到位信號(hào)。這樣才能在工件到達(dá)取料區(qū)位置時(shí)，通過信號(hào)發(fā)送控制機(jī)械手由待命區(qū)域運(yùn)行至取料點(diǎn)進(jìn)行取料，再根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)行流程完成上下料的工作[4]。

1.4 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏作為控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用的操作元件，可以與控制器和PLC實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。根據(jù)本文選型使用的觸摸屏型號(hào)，運(yùn)用GT Designer3軟件對(duì)觸摸屏的界面進(jìn)行編輯布局，根據(jù)設(shè)備要求設(shè)置觸摸屏基礎(chǔ)參數(shù)。

設(shè)定好觸摸屏主要的技術(shù)參數(shù)后，進(jìn)入觸摸屏設(shè)計(jì)界面，將觸摸屏左上方設(shè)置一個(gè)按鍵，顯示機(jī)械手的手動(dòng)工作模式和自動(dòng)工作模式，右下方分別設(shè)有自動(dòng)模式指示燈、啟動(dòng)指示燈和急停指示燈。下方分為三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，設(shè)定可讀取手動(dòng)控制模式下時(shí)，三軸的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)位置和手動(dòng)輸入的運(yùn)行速度，右邊有寸動(dòng)按鈕，可以使機(jī)械手每次前進(jìn)指定的距離。在觸摸屏下半部分為機(jī)械手自動(dòng)工作模式下的數(shù)據(jù)讀取面板，自動(dòng)運(yùn)作模式下機(jī)械手在自動(dòng)運(yùn)行程序的同時(shí)，觸摸屏上可以實(shí)時(shí)顯示自動(dòng)上下料機(jī)械手當(dāng)前運(yùn)行到的位置。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 自動(dòng)上下料機(jī)械手的運(yùn)行結(jié)果

將PLC程序?qū)戇M(jìn)觸摸屏，在手動(dòng)模式控制下，在觸摸屏中點(diǎn)擊手動(dòng)/自動(dòng)模式切換，當(dāng)設(shè)備處在手動(dòng)模式中時(shí)，自動(dòng)模式指示燈熄滅。此時(shí)在觸摸屏中的“軸手動(dòng)速度”處輸入數(shù)值，可用于調(diào)節(jié)指定軸的速度，此時(shí)，可在程序監(jiān)控中讀取到軸位置的數(shù)據(jù)變化。點(diǎn)擊“手動(dòng)速度”旁邊的調(diào)試按鍵，自動(dòng)上下料機(jī)械手對(duì)應(yīng)的軸會(huì)沿著程序設(shè)定方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的距離會(huì)隨著按鍵觸發(fā)時(shí)間的長短發(fā)生變化，并將數(shù)值顯示在觸摸屏中“軸當(dāng)前位置”處。此外，設(shè)置寸動(dòng)按鍵，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)數(shù)值的按鍵可以控制機(jī)械手移動(dòng)程序指定的距離。

在自動(dòng)控制模式下，自動(dòng)模式指示燈亮起，此時(shí)需要先將自動(dòng)上下料機(jī)械手控制模式切回“手動(dòng)模式”，通過“回原點(diǎn)”按鍵在手動(dòng)模式下，將機(jī)械手各軸完成回原點(diǎn)操作，完成后再切回“自動(dòng)模式”。隨后點(diǎn)擊啟動(dòng)自動(dòng)按鍵，設(shè)備會(huì)自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行程序，并且會(huì)檢測工件到位信號(hào)，按設(shè)定流程完成循環(huán)工作。由于受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制，在對(duì)機(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，另外使用SFC程序語言設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)控制程序，并且設(shè)計(jì)一個(gè)觸摸屏界面作為自動(dòng)控制流程的監(jiān)視。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)的觀察觸摸屏界面如圖2所示，重新設(shè)計(jì)好SFC程序后，將程序?qū)戇M(jìn)GOT進(jìn)行模擬。在觸摸屏界面中，用開關(guān)控制機(jī)械手運(yùn)行過程中的定位，用指示燈顯示自動(dòng)上下料機(jī)械手的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖2 自動(dòng)程序觸摸屏

啟動(dòng)程序后，在觸摸屏中點(diǎn)擊“啟動(dòng)”和“自動(dòng)”按鍵，自動(dòng)上下料機(jī)械手會(huì)進(jìn)行上升、伸長、正轉(zhuǎn)以到達(dá)取料待機(jī)位置。觸摸屏中“上升”“伸長”“正轉(zhuǎn)”三個(gè)指示燈會(huì)亮起，以表示自動(dòng)上下料機(jī)械手當(dāng)前狀態(tài)，如圖3所示，此時(shí)機(jī)械手自動(dòng)運(yùn)行到取料待機(jī)點(diǎn)。當(dāng)機(jī)械手到達(dá)待機(jī)點(diǎn)時(shí)，會(huì)接通“上升定位”“正轉(zhuǎn)定位”“伸長定位”三個(gè)開關(guān)，當(dāng)工件到達(dá)指定位置時(shí)，機(jī)床工件位置會(huì)發(fā)出信號(hào)，即“產(chǎn)品到位”開關(guān)接通，此時(shí)，自動(dòng)上下料機(jī)械手會(huì)開始下降到取料位置并進(jìn)行取料。隨后機(jī)械手會(huì)再次“上升”“回收”“反轉(zhuǎn)”，到達(dá)放料點(diǎn)上方，再進(jìn)行“下降”“伸長”進(jìn)行放料，結(jié)束后再次回到取料待機(jī)位置[5]。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

從系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果看，在手動(dòng)模式下，按下啟動(dòng)按鈕接通后，在觸摸屏上點(diǎn)擊各軸回原點(diǎn)按鈕，升降軸、旋轉(zhuǎn)軸和伸縮軸會(huì)自動(dòng)退回原點(diǎn)。按下“上升”或“下降”，升降軸會(huì)根據(jù)程序設(shè)定的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可以在觸摸屏上隨時(shí)更改手動(dòng)模式操作時(shí)的各軸手動(dòng)運(yùn)行速度。在自動(dòng)模式下，要先手動(dòng)進(jìn)行回原點(diǎn)操作，隨后通過觸摸屏切換成自動(dòng)模式，隨后開始運(yùn)行程序，完成原點(diǎn)出發(fā)、取料、放料、回原點(diǎn)的流程，并循環(huán)工作。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，有時(shí)會(huì)有一定的偏差，比如取料時(shí)，會(huì)因?yàn)槟┒藞?zhí)行器定位的誤差導(dǎo)致取料時(shí)位置偏移，其中動(dòng)態(tài)誤差是因?yàn)樗欧姍C(jī)運(yùn)作時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)，這種情況屬于不可控因素，無法做到完全控制。

3 結(jié)語

自動(dòng)上下料機(jī)械手的零部件或各軸在設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試生產(chǎn)的過程中，可能受到精度和加工條件等因素的限制，使得加工完成出來的機(jī)械手各零部件或模組的理論值與實(shí)際值出現(xiàn)一定的差異，并且在實(shí)際安裝機(jī)械手的過程中，可能會(huì)出現(xiàn)人為因素的外部安裝受力使得模組桿件發(fā)生輕微變形，導(dǎo)致機(jī)械手在工作過程中末端執(zhí)行器會(huì)出現(xiàn)定位誤差。