自動油脂噴涂機的PLC控制系統設計

孫君可

（蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021）

在汽車電動助力轉向機助力電機控制器裝配前，必須通過某種工藝在助力電機殼體內壁涂上一層均勻的防水油脂。 涂覆的油脂重量和均勻性是十分重要的，它關系到助力電機能否在惡劣環境下正常工作。 自動油脂噴涂機就是將桶裝的密封油脂經過油脂泵加壓后供給噴霧閥，然后通過PLC 控制噴涂閥的開啟與關閉，均勻地噴涂到助力電機殼體內表面， 得到厚度均勻且質量可靠的密封油脂層。 因此，對汽車電動助力轉向機的密封性能提高有重要意義。

1 自動油脂噴涂機構造及工作流程

圖1 自動油脂噴涂機實物圖

自動油脂噴涂機的結構如圖1 所示，設備長550mm，寬550mm，高1500mm，主要分六個部分：①油脂供給泵；②油脂噴涂閥；③助力電機殼體旋轉臺；④人機界面[1]；⑤控制系統；⑥機械結構。 其中油脂供給泵主要用于把桶內油脂送到油脂噴涂閥， 在油脂噴涂閥的進口處安裝了壓力傳感器，實時對油脂管路的壓力進行監控。 當壓力低于或高于正常設定范圍時， 傳感器會發送壓力錯誤報警到PLC。 油脂噴涂閥是噴涂工藝最關鍵的部件之一，它的作用是對進入油脂噴涂閥的油脂進行加壓霧化， 然后均勻地噴涂出來。 助力電機殼體旋轉臺主要用于定位助力電機殼體和執行旋轉動作，當油脂噴涂閥開始噴涂時，旋轉臺也開始啟動，使助力電機殼體旋轉360 度，旋轉臺的工作時間等于油脂噴涂閥工作的時間。 人機界面主要用于顯示零件和設備的實時狀態， 易于操作人員對報警信息進行查看和對設備進行控制。 控制系統部分主要用于控制自動油脂噴涂機實現油脂噴涂的自動化。 機械部分主要為系統提供整體的框架，將各個機構有機地結合起來。該自動油脂噴涂機技術先進， 結構設計合理， 具有體積小、重量輕、適用于柔性化[2]生產等特點，實現了助力電機內壁的自動噴涂， 改善了涂層的均勻性， 提高了工作效率。

該自動油脂噴涂機選用德國Walther SMS-02 精密噴涂閥，精確控制油脂的噴涂重量和均勻性。 此噴涂閥集成了以下幾種功能：①精密的棘齒式手動調節閥，方便快速調節油脂噴涂重量； ②適用于在多種不同電壓下控制電磁閥開關，有直流24V、交流110V、交流230V；③位置傳感器，用于檢測棘齒是否鎖緊；④壓力傳感器，用于檢測噴涂時是否有壓力不正常的情況。 PLC 通過計算轉臺電機的運行時間， 把運行時間復制給控制噴涂閥的運行時間，通過使用相等的電機運行時間和噴涂閥開啟時間，使油脂噴涂均勻。 另外可以通過調節主氣源的壓力調整油脂噴涂的寬度，來滿足不同的油脂覆蓋率要求。

2 控制系統

2.1 控制系統工作原理

該系統以Allen-Bradley CompactLogix[3]5318ER-BB18控制器為控制核心， 配置3 個PLC 數字量輸入模塊和3個PLC 數字量輸出模塊，用于連接油脂噴涂閥、旋轉臺電機、啟動開關、壓力傳感器、接近開關等元件。 另外通過EtherNet/IP 網絡[4]組態Cognex Dataman300 系列讀碼器讀取助力電機殼體的條碼。

控制系統上位機以Allen-Bradley Panel View Plus 700 人機界面通過以太網交換機與下位機PLC 連接，采用OCP（OLE for Process Control）協議。 即通過人機界面軟件Factory Talk View Studio 中的RSLinx Enterprise 數據服務器添加對應的PLC 并設定驅動， 來完成人機界面與PLC 的組態，建立HMI 與PLC 的地址鏈接，最終將HMI里的標簽與PLC 里的標簽一一對應起來，建立通信，實現對系統發出操作指令、 顯示工作狀態、 設定工藝控制參數。

2.2 I/O 口分配

在設計PLC 控制電路前， 首先統計自動油脂噴涂機控制硬件數量及信號類型，配置相應的輸入輸出模塊，對所有I/O 端口分配地址， 然后進一步繪制出PLC 輸入輸出原理圖。 根據自動油脂噴涂機的控制要求以及工作流程，共需要23 個輸入口和9 個輸出口，因此選用Allen-Bradley CompactLogix5318ER-BB18 PLC，具體I/O 分配如表1 所示。

表1 PLC 的I/O 地址分配表

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2.3 PLC 程序設計

根據自動油脂噴涂機的工作流程以及控制要求，畫出自動控制流程圖，如圖3 所示，再編寫出自動油脂噴涂機的梯形圖程序。

循環開始后，首先檢測旋轉工作臺上是否有零件，應有I5.0=0。 條件滿足后執行步驟1，即工位無電機殼體存在，然后放置電機殼體到工作臺上。 步驟2 放置殼體完成后，當電機殼體存在檢測傳感器I5.0=1 時，啟動步驟3，即開關啟動完成。 當檢測電機殼體正確位置的檢測傳感器感應即I5.1=1 時，啟動步驟4，即開始掃描電機殼體條碼。確認條碼長度信息正確條件滿足后，執行步驟5，即發送請求信號給追溯系統。追溯請求條件合格后，執行步驟6，即涂油脂開始條件滿足置1，執行步驟7，即涂油脂閥打開，接著執行步驟8，旋轉臺電機正轉。當轉臺原點位置接近開關斷開即I1.5=0 時，執行步驟9，電機正轉，當I1.5=1即旋轉臺回到原點位置時，執行步驟10。當I1.5=1 延時時間0.5 條件滿足后， 執行步驟11， 即發送涂油脂結束信號。 當接受到涂油脂結果后，執行步驟12，即發送結果給追溯系統， 當結果合格或者結果不合格并且按下不合格品手動判定按鈕I3.3=1 時，執行步驟13，取走零件。 最后執行步驟14，發送完成涂油脂工序信號。

圖2 自動控制程序流程圖

2.4 人機界面設計

人機界面（Human Machine Interface）使用的是羅克韋爾公司的Panel View Plus 700 人機界面，HMI 終端通過以太網交換機連接PLC。 軟件設計采用了Factory Talk View Studio 軟件，通過該軟件可以完成人機界面的組態、程序的編譯以及程序的上傳下載工作。

圖3 自動油脂噴涂機人機界面畫面框圖

人機界面的軟件設計包括創建畫面和設定變量。 創建畫面主要涉及指示燈、 功能按鍵及文本顯示的畫面格式的創建， 具體設計要根據自動油脂噴涂機控制要求設計不同的畫面。 設定變量是將人機界面的變量與PLC 程序里的變量進行鏈接配置，而HMI 與PLC 之間的鏈接是通過RSLinx Enterprise 軟件組態[2]實現的。在Factory Talk View Studio 里先建立一個HMI 到PLC 的地址鏈接，再分別將HMI 里的Tag 與PLC 里的Tag 一一對應起來， 建立通信，創建數據服務器。

人機界面畫面框圖如圖3 所示，它由目錄頁面、追溯信息頁面、手動控制頁面、自動控制頁面、換型頁面、參數修改頁面、密碼權限頁面、輸入輸出點控制頁面、計數頁面組成。 追溯信息頁面監控零件的標簽序列號、上一工位狀態信息、追溯信息發送及接受狀態等。 手動控制頁面包括手動開啟油脂閥門按鈕、電機正轉控制按鈕、電機反轉控制按鈕。 換型頁面監控幾種不同型號之間的切換按鈕。 參數修改頁面監控型號名稱、 零件標簽起始位數字、零件標簽長度等信息。 密碼權限頁面用來輸入不同權限的密碼，顯示出參數修改頁面。 輸入輸出點監控頁面監控7 個輸入輸出模塊所有I/O 口的狀態。 計數頁面監控總生產零件數量、不合格品數量、合格品數量信息。

3 結語

本文設計的控制系統充分發揮了Allen Bradley CompactLogix[3]小型PLC 集中式控制的優勢，配合先進的Panel View Plus 700 人機界面，使自動化油脂噴涂機具有操作簡單、自動報警、實時監控設備輸入輸出點I/O 狀態等功能， 具有較好的實際應用性。目前該設備已應用到生產線中，實際運行表明，該控制系統可靠性高，電氣連接簡單，操作方便，易于維護，能滿足控制要求。

［1］熊慶彥.混合生產模式下的總裝配線研究［D］.吉林：吉林大學汽車工程學院，2012.

［2］羅克韋爾自動化公司.選型指南.

［3］金魯東.ControlNet 與EtherNet/IP 網絡結構的應用研究［D］.甘肅：蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，2013.

［4］羅克韋爾自動化公司.Panel View Plus 操作員界面用戶手冊.