基于PLC的清洗提升機控制系統設計

熊 健，余 飛，張昌漢，何 濤

（1湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢430068；2武漢正源高理光學有限公司，湖北 武漢430223）

CD、DVD讀取頭用光學零部件生產的工藝流程，主要分為光刻、鍍膜、精密劃切、清洗和成品檢測等。其中清洗工藝尤為重要，通常經人工手持清洗后進入到下一工序，這樣帶來的二次污染會對零部件質量造成影響。為節省人力成本和防止二次污染，提高生產線的工作效率，亟需設計一臺自動化清洗機械設備。現有技術的研究主要集中于PLC與觸摸屏結合［1］的自動化應用方面，側重于設備獨立運行的研究；同時，采用自由口模式來實現PLC與上位機的通信工作［2］也是工廠自動化應用領域的一個重點，但缺少可在工業現場同步操作的觸摸屏，不利于設備運行參數的實時調整和現場操作。為此，設計出一套自動化清洗方案，采用三菱FX1S系列PLC［3］和維綸觸摸屏，在實現設備運行參數實時調整和現場操作的同時，利用RS-485通訊協議，實現了PC機和PLC的自由口通訊，使得生產工藝過程能被實時監控，確保了工業生產的網絡化。

1 清洗提升機系統結構

清洗提升機的結構如圖1所示。豎向支架用于固定整體設備，以確保整體機構平穩、安全運行；橫向支架作為連接運動機構和豎支架的橋梁，也是設備得以穩定運行的一個重要因素。設備動力系統由伺服電機、同步帶、同步輪三部分組成，通過同步帶將電機的轉動轉化為懸掛機構的直線運動。由于交流伺服電機運轉平穩，可被系統精確控制，且在過載的工況下表現優秀［4］，通常被選作設備運動系統的核心元件。滾珠絲杠利用滾動摩擦取代滑動摩擦，使絲杠和螺母之間的相對運動由滑動變成滾動，運動時極大減少了兩者的摩擦［5］，在具有較高定位精度的同時，確保了傳動效率。因此，選用滾珠絲杠作為設備的移動機構。在運動過程中，由于設備的懸掛機構通過螺母固定在滾珠返回裝置上，懸掛機構與同步帶也通過螺母結合在一起，從而在同步帶實現直線往復運動的同時，設備能正常運行。

設備通過懸掛機構來懸掛裝有待清洗工件的吊籃。懸掛機構通過同步帶、同步輪的傳動，在移動機構的作用下上下滑動，以達到讓工件反復浸入、提升出溶液的效果，完成清洗、瀝干的工作步驟。

圖1 清洗提升機的結構

2 清洗提升機系統硬件設計

2.1 PLC選型

為確保系統運動控制的精確性，在采用伺服電機的基礎上，利用PLC的輸出脈沖和方向信號來實現系統的運行［6］。根據系統的控制需求，確認輸入設備（運行開關、傳感器、伺服驅動器等）、輸出設備（報警指示燈、電機繼電器等），從而確定數字量I/O點數。根據圖2的總體控制方案，選擇三菱公司的FX1S-30MT-001。該產品帶有8K的EEPROM存儲器，數字量I/O口為16入/14出。此種型號的PLC自身不能增加擴展模塊，但是可以利用BD板擴展出少量的I/O，同時也可以擴展出RS485端口，實現PC機和PLC的通訊。人機界面選用維綸TP6070i型觸摸屏。

圖2 清洗提升機系統總體控制框圖

2.2 I/O分配表

按清洗提升機控制系統設計要求，對PLC輸入輸出點分配（表1）。

表1 可編程輸入點/輸出點分配

其中，數字輸入信號包括原點信號、上下極限信號、回原點按鈕、開始清洗按鈕等，在設置循環次數和循環距離時，選址應充分考慮到FX1S的輸入地址特點，選用具有停電保持功能的地址。在I/O分配表中預留一定的輸入輸出點以供后續設備的增加。

3 清洗提升機系統軟件設計

系統軟件設計任務中包括PLC主控程序設計、PC與PLC的自由口通訊［7］和人機界面組態。

3.1 系統主控軟件及流程

主程序流程見圖3。

圖3 主程序控制流程

系統軟件由一個主程序和若干子程序組成。系統初始化程序包括:系統循環速度、循環距離、清洗延時等若干參數的初值設定。邏輯控制程序包括:機器的啟停、運行模式的選擇。原點返回程序:開機后，使懸掛機構上升，以便于裝有工件吊籃的懸掛。循環運行程序:通過懸掛機構的上下來控制吊籃的運動，保證清洗效果。參數設置程序:通過一系列換算，把運行的速度、距離等通過觸摸屏顯示出來。伺服電機的控制程序:根據運行的實際情況設定伺服電機的運行速度和方向。故障監控程序:監控伺服驅動器信息，及時顯示到觸摸屏上。

當設備運行時，可根據實際情況，在觸摸屏上設置不同的升、降循環次數，使設備自動運行，或者設置無限循環次數，通過手動來控制設備停止運行。運行有限次數時，開機后在觸摸屏上設定運行次數，點擊“回原點”按鈕，此時懸掛機構從下極限位置向上返回原點，掛上裝有工件的吊籃后，點擊“開始清洗”按鈕，懸掛機構開始提升，至上極限位置后，再下降到下極限并使吊籃完全浸入溶液，之后吊籃上升到使其離開溶液的距離（即循環距離，可設定），開始進入下降到下極限、上升到循環距離點的循環運行。達到運行次數后，懸掛機構停在循環距離點，清洗完畢。若在觸摸屏上設置無限循環，則須按下“停止”按鈕，等待設備停止運行。

3.2 PC與PLC之間通訊程序

通過PLC與計算機通信的方式遠程監控工業設備［8］，有利于實現工業生產信息的實時傳遞。三菱FX系列PLC內部，有專為主機使用RS-485串聯通訊接口所提供的便利指令（圖4），其功能是當PLC接收到指定長度的數據后，馬上返回一串指定長度的指定數據。不傳送數據的時候，可以將m的值指定為K0；不接收數據的時候，可以將n的值指定為K0；在此基礎上，PLC通過BD板擴展的RS485端口，經RS485/RS232轉換器與PC機通訊，實現信息的實時交換。但若沒有相應的程序配合，只單一存在此RS指令，PLC只能重復一收一發、只收不發或者只發不收，其中只發不收指令執行的情況下，同一條指令會無限重復發送，顯然不能達到數據實時、精確交換的要求。因此，需要PLC的程序來保證PC與PLC通訊收發的可控性。其中主要是只發不收指令，即每次執行時只發送一次，從而實現數據收、發完全由程序控制。控制系統實現了PC和PLC之間實時、可控的信息通訊。經驗證，使用中該程序穩定可靠。

圖4 RS指令功能說明

3.3 清洗提升機系統的人機界面設計

人機界面（HIM）設備是用戶和機器之間的橋梁［9］，可以提高系統操作的靈活性和適應性，便于用戶對機器運行參數的設置和信息的實時掌握。通過PPI協議，維綸觸摸屏和三菱PLC可以實現通信，從而完成信息交換。本系統采用維綸EB8000軟件來對觸摸屏的界面進行編制。系統運行人機控制界面如圖5所示。運行畫面中可設置循環次數、循環速度、循環距離、清洗延時、首次下降距離，通過可自動彈出的報警界面中的伺服報警燈來判斷系統是否出現故障，并可查看界面報警記錄。

圖5 系統人機界面設計

4 結束語

通過PLC和觸摸屏的結合，使得該控制系統表現出良好的穩定性、可操作性和故障處理能力，在工業現場中表現穩定可靠。清洗提升機的控制系統采用PC機為上位機，通過自由口通訊實現了PC機與PLC之間信息的實時交互，促進了工廠自動化設備的網絡化。

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