基于PLC的自動裝配機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

林 豐，何用輝

（福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350003）

在目前很多自動控制系統(tǒng)中，常常選用PLC作為現(xiàn)場控制設(shè)備執(zhí)行控制任務(wù)。PLC對現(xiàn)場環(huán)境要求不高，使用簡單方便，故障率低，可滿足多領(lǐng)域自動化系統(tǒng)設(shè)計和集成的需求[1]。集提取、裝配、輸送等功能于一體的自動裝配機(jī)，是生產(chǎn)自動化中不可或缺的環(huán)節(jié)，深受現(xiàn)代企業(yè)的青睞。本文針對合作企業(yè)所需一款自動裝配機(jī)的要求，研發(fā)了采用PLC技術(shù)進(jìn)行控制的自動裝配機(jī)控制系統(tǒng)。

1 自動裝配機(jī)結(jié)構(gòu)與功能要求

自動裝配機(jī)由輸送模塊、提取裝配模塊、配件送料模塊、控制系統(tǒng)等共同組成，數(shù)個模塊聯(lián)合協(xié)調(diào)工作，以實現(xiàn)其自動送料、裝配、輸送的任務(wù)要求。

自動裝配機(jī)的輸送模塊中，通過MM430變頻器驅(qū)動三相異步電動機(jī)運行，為傳送帶輸送物件提供動力。提取裝配模塊中，利用電磁閥控制氣缸、真空吸盤工作，準(zhǔn)確完成半成品物件裝配的任務(wù)。通過PLC為核心的控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制整個自動裝配機(jī)運行。為了滿足應(yīng)用場合的需要，自動裝配機(jī)功能設(shè)置上應(yīng)有便捷的自動與手動操作功能。同時，控制系統(tǒng)應(yīng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，實現(xiàn)自動裝配機(jī)運行實時過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、報警管理等監(jiān)控功能。

2 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

自動裝配機(jī)控制系統(tǒng)采用上、下位機(jī)組織結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)通過PPI協(xié)議實現(xiàn)現(xiàn)場控制與遠(yuǎn)程管理的運行模式。上位監(jiān)控計算機(jī)，實時監(jiān)控整個自動裝配機(jī)運行狀態(tài)、查詢管理數(shù)據(jù)信息。下位的西門子S7-200系列的PLC，是整個控制系統(tǒng)的樞紐，實時采集過程數(shù)據(jù)，通過西門子PC/PPI電纜，實現(xiàn)與上位監(jiān)控計算機(jī)互換數(shù)據(jù)信息；其將上位監(jiān)控計算機(jī)調(diào)度指令信息分解，直接控制現(xiàn)場輸出設(shè)備（MM430變頻器、電磁閥等）執(zhí)行相關(guān)動作，圖1為自動裝配機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 自動裝配機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 控制系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)

3.1 控制系統(tǒng)的I/O地址分配

考慮到自動裝配機(jī)系統(tǒng)的通用性、可擴(kuò)展性及其性價比；同時其自身需求PLC的16點輸入和9點輸出的I/O點數(shù)，PLC還需預(yù)留I/O點數(shù)，以適應(yīng)以后現(xiàn)場擴(kuò)展需要[2]，故而選用S7-200 CPU 226 CN DC/DC/DC的PLC，就可滿足該控制系統(tǒng)I/O點數(shù)的需要。本控制系統(tǒng)具體的I/O分配，如表1所示。

表1 自動裝配機(jī)控制系統(tǒng)的I/O地址分配

3.2 自動裝配機(jī)系統(tǒng)控制流程設(shè)計

自動裝配機(jī)采用自動和手動兩種工作模式。在任何一種工作模式中，自動裝配機(jī)系統(tǒng)必須處于初始復(fù)位狀態(tài)，方可允許啟動。自動裝配機(jī)系統(tǒng)上電啟動運行，執(zhí)行復(fù)位操作；當(dāng)有待裝配物件時，輸送模塊中電動機(jī)運行，帶動傳送帶輸送待裝配物件，并在指定位置攔截待裝配物件，完成后，傳送帶停止輸送；接著提取裝配模塊相繼進(jìn)行配件吸取和釋放工作；完成裝配任務(wù)后，放行已裝配物件，輸送模塊中電動機(jī)運行，直到已裝配物件到達(dá)后停止，完成一個工作過程。

具體的控制過程如圖2所示的自動裝配機(jī)工藝控制流程圖。

圖2 自動裝配機(jī)工藝控制流程圖

3.3 控制系統(tǒng)控制程序設(shè)計

本自動裝配機(jī)控制程序通過STEP 7–Micro/WIN 4.0編程軟件，進(jìn)行控制程序設(shè)計開發(fā)。根據(jù)自動裝配機(jī)的控制流程圖，及考慮到程序的可維護(hù)性，本控制系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，設(shè)計自動裝配機(jī)控制程序，以方便復(fù)雜程序的管理與調(diào)試。

本控制系統(tǒng)由主程序和子程序兩部分組成。在主程序中，通過調(diào)用子程序控制整個系統(tǒng)的運行。本控制程序中有初始化、復(fù)位、待裝配物件輸送、提取配件、裝配、已裝配物件輸送、循環(huán)判斷等7個子程序組成[3]。由于子程序較多，僅對初始化、待裝配物件輸送、提取配件、裝配、循環(huán)判斷等部分子程序進(jìn)行詳細(xì)講解。

（1）初始化子程序。系統(tǒng)上電時，主程序直接調(diào)用初始化子程序進(jìn)行系統(tǒng)初始化。在圖3所示初始化子程序中，SM0.1首次掃描，復(fù)位各輸出Q0.0～Q0.6；置位首步S0.0，復(fù)位從S0.1開始的其他步；復(fù)位停止?fàn)顟B(tài)位M2.0和M0.0～M0.7。

圖3 初始化子程序圖

（2）待裝配物件輸送子程序。主程序中調(diào)用待裝配物件輸送子程序，執(zhí)行待裝配物件的輸送工作。在圖4為裝配物件輸送子程序中，置位M0.5，M0.5導(dǎo)通后Q0.0置位，控制變頻器啟動輸出驅(qū)動電動機(jī)運行；到達(dá)指定位置后，復(fù)位Q0.0，使變頻器停止輸出；置位Q0.6，使擺動氣缸轉(zhuǎn)出執(zhí)行攔截待裝配物件；為后續(xù)的裝配做好前期準(zhǔn)備。

圖4 待裝配物件輸送子程序

（3）提取配件和裝配子程序。主程序調(diào)用提取配件子程序，用于提取所需的配件。在提取配件子程序中，置位Q0.5，直線氣缸下降、置位Q0.4，使吸盤吸取配件；復(fù)位Q0.5，直線氣缸上升；置位Q0.2，導(dǎo)桿氣缸伸出等一系列動作，完成配件提取的動作過程，如圖5（a）所示提取配件子程序。

圖5 提取配件和裝配子程序

主程序調(diào)用裝配子程序，主要實現(xiàn)將已經(jīng)提取的配件準(zhǔn)確地裝配到待裝配物件上。置位Q0.5，直線氣缸下降、置位Q0.3，使吸盤釋放配件，完成裝配任務(wù)，如圖5（b）所示裝配子程序。

（4）循環(huán)判斷子程序。循環(huán)判斷子程序，主要是手動模式與自動模式的判斷選擇。當(dāng)主程序調(diào)用循環(huán)判斷子程序時，執(zhí)行運行循環(huán)判斷。在該子程序中，當(dāng)選擇自動模式并且沒有停止信號（I2.3為1，M2.0為0）時，置位M0.2并復(fù)位M0.0后，返回到主程序中M0.2的狀態(tài)中；當(dāng)選擇手動模式或者自動模式且有停止信號（I2.3為1，M2.0為1）時，執(zhí)行單周期的控制任務(wù)，置位M0.1并復(fù)位M0.0后，返回到主程序M0.1的狀態(tài)位中，如圖6所示循環(huán)判斷子程序。

圖6 循環(huán)判斷子程序

4 自動裝配機(jī)組態(tài)監(jiān)控的實現(xiàn)

為了更好對自動裝配機(jī)的控制運行，利用組態(tài)王6.52軟件，設(shè)計制作了自動裝配機(jī)的登入界面、監(jiān)控界面、手動操作界面、故障及報警界面等監(jiān)控功能界面。登入界面，要求操作者輸入指令登入，以防止系統(tǒng)運行參數(shù)被隨意修改。手動操作界面，主要用于設(shè)備的調(diào)試和應(yīng)急操作。監(jiān)控界面，能真實顯示設(shè)備的運行狀態(tài)。故障及報警界面，對設(shè)備產(chǎn)生故障時，實現(xiàn)實時報警[4]。

5 結(jié)束語

本文針對西門子S7-200系列PLC提出的自動裝配機(jī)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，易于擴(kuò)展，能實現(xiàn)對自動裝配機(jī)自動化控制，借助組態(tài)王組態(tài)軟件完成自動裝配機(jī)監(jiān)控設(shè)計，實現(xiàn)對自動裝配機(jī)的運行過程及運行狀態(tài)實時監(jiān)控。該自動裝配機(jī)控制系統(tǒng)目前運行情況良好，利用PLC對該自動裝配機(jī)實現(xiàn)了自動控制，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)，經(jīng)過改進(jìn)，還可以應(yīng)用于其他生產(chǎn)線的控制。

[1]黎洪生，李 超，等.基于PLC和組態(tài)軟件的分布式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2002，24（3）：27-29.

[2]欒厚寶，胡國清，等.基于PLC的分輪自動裝配機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與研究[J].機(jī)械制造與自動化，2008，37（6）：145-147.

[3]何用輝.自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4]王 芳，何 洋，等.基于PLC和氣動的音圈自動裝配控制系統(tǒng)的研究[J].輕工機(jī)械，2006，(9)：100-102.