基于PLC和組態軟件的自動線上料監控系統設計*

肖劍蘭

0 引言

上料是自動線生產過程中的基本環節。傳統生產方式采用手工上料，存在效率低、勞動強度大、不安全因素多等問題。自動上料是提高勞動生產率和改善勞動條件的有效措施和主要方法[1]。某送料自動線的上料單元主要用于監控和檢測料倉和料臺是否有料，完成將工件從料倉推送到料臺等功能。

1 自動上料單元的結構和工作原理

自動上料單元的結構示意如圖1所示。系統主要由上料氣缸、料臺、滑槽和供料臺等部分組成。

圖1 自動上料單元結構圖

上料氣缸是單缸雙作用氣缸，用于將工件從料倉中推出，選用SMC公司型號為CDJ2KB16-45Z-B/0.7MPa的產品，用型號為4V110-06的2位5通單電控電磁閥驅動。為了使氣缸推料運動平穩，氣缸的2個氣口裝有單向節流閥[2-3]，型號為SMC公司的ARJ1020F-M5。

SQ14、SQ15磁性開關分別用于檢測氣缸前后限位，選用SMC公司的D-C73產品。S4和S5是光電傳感器，分別用于檢測料倉和供料臺是否有料，選用型號為E3X-NA，電源規格為DC12～24V， 螺紋型E32-D21R 2M，可檢測距離30 mm。

控制系統啟動后，如果S4檢測到料倉有料，而S5檢測到供料臺無料時，則上料氣缸動作，將工件從料倉推出。系統啟動后，綠燈亮。系統停止后，紅燈亮。HMI能顯示上料過程，也能控制啟停操作。

2 PLC控制系統設計

2.1 PLC選型與I/O接口分配

PLC是自動線上料單元的核心控制器[4]。根據控制要求分析，PLC的輸入信號有6個，分別是：主令信號有啟動和停止按鈕共2個；現場檢測信號有料倉有料檢測光電開關、料臺有料檢測光電開關、推料前限位磁性開關和推料后限位磁性開關，計4個檢測信號。輸出信號有3個，分別是：指示類信號有運行指示HL2和停止指示HL3，計2個；現場執行機構有單線圈上料電磁閥1個，24VDC。選用三菱的FX3U-48MT/ES-A型PLC，24點直流輸入，24點晶體管型輸出[5]，完全可以滿足控制要求。

上料單元的I/O地址分配見表1。

表1 上料單元的I/O地址分配表

涉及到觸摸屏的遠程監控，需要分配遠程啟停控制地址和監視現場檢測信號[6]，其通信地址分配見表2。

表2 上料單元的遠程通信地址分配表

2.2 PLC控制程序

上料單元控制程序設計如圖2所示。第0步邏輯行和第3邏輯行，用于實現本地/遠程的系統啟停控制。第6邏輯行，用于指示運行或停止狀態。第10步邏輯行，實現上料氣缸推料控制。第17步邏輯行，PLC與HMI通信數據區域。

圖2 上料單元控制程序

3 HMI監控系統設計

上料單元的HMI采用北京昆侖通泰自動化軟件科技有限公司生產的TPC7062Ti實時監控。TPC7062Ti是一款采用Cortex-A 8 CPU為核心的，高性能嵌入式一體化觸摸屏[7]。組態監控畫面如圖3所示。在HMI上既能顯示上料過程，也能控制上料操作。

圖3 上料單元監控畫面

3.1 設備組態

（1）添加設備0。首先打開MCGSE組態環境，創建一個新工程，選擇TPC類型為TPC7062Ti，其余參數默認。打開“設備窗口”，雙擊“通用串口父設備”，添加根目錄“通用串口父設備0--[通用串口父設備]”。再雙擊“三菱FX系列編程口”，在根目錄下添加子目錄“設備0--[三菱FX系列編程口]”[8]。

（2）設置硬件參數。在“通用串口設備屬性編輯”窗口，選擇通信串口端口號為COM1，選擇通訊波特率為19 200 bit/s。在“設備編輯窗口”窗口，選擇CPU類型為FX3UCPU。

（3）添加通信地址。在“設備編輯窗口”窗口，點擊增加設備通道，彈出“添加設備通道”窗口。添加通信地址Y5～Y10（共4個）和通信地址M0～M28（共29個），讀寫方式選擇“讀寫”。

3.2 動畫設計

（1）新建窗口。打開“用戶窗口”，新建“窗口0”，單擊“動畫組態”按鈕或雙擊“窗口0”圖標，可打開“動畫組態窗口0”。動畫組態窗口的尺寸為H=40×20，V=24×20；即分辨率為800×480[8]。

（2）組態滑槽。激活工具箱的“矩形”工具。在動畫組態窗口0的畫布上，繪制一個矩形，系統自動命名為控件0。在該矩形的“動畫組態屬性設置”窗口，選擇填充顏色“青色”。在組態環境窗口最下方的狀態欄，設置控件0的坐標為[H:100][V:220]，尺寸為[W:180][H:20]。用拷貝和粘貼工具，復制控件0，分別得到控件1和控件2。設置控件1的坐標[H:380][V:300]和尺寸[W:80][H:20]，設置控件2的坐標[H:460][V:270]和尺寸[W:20][H:50]。用“多邊形或折線”工具，將控件0和控件1相鄰的四個點連接起來，填充顏色青色，是為滑槽。

（3）組態料倉和工件。用“圓角矩形”工具，繪制第一個工件，設置坐標[H:240][V:195]和尺寸[W:40][H:25]，填充色烏金色。用復制和粘貼可得到第2～4個工件。用“矩形”工具，繪制料倉，設置坐標[H:235][V:90]和尺寸[W:50][H:100]，靜態填充顏色為“沒有填充”。用工具“置于最前面”，把料倉顯示在工件的前面。用“標簽”工具，在料倉正上方添加文本“料倉”，字符顏色“藍色”，宋體小四，無填充，無邊線，水平居中，垂直居中。

（4）組態出料口工件。當推料氣缸得電后，出料口的工件能運動起來。選中出料口工件，打開“動畫組態屬性設置”窗口，勾選位置動畫連接“水平移動”、“垂直移動”和“可見度”，可得到三個選項卡。在“水平移動”選項卡，選擇表達式為“設備0_讀寫Y0005”，水平移動連接最大偏移量為“100”，表達式的值為“0”。在“垂直移動”選項卡中，垂直移動的表達式選擇為“設備0_讀寫Y0005”，垂直移動連接最大偏移量為“45”，表達式的值為“0”。在“可見度”選項卡，設置表達式為“設備0_讀寫M0004*設備0_讀寫M0015”，當表達式的值非零時，對應圖符不可見。注意，表示式的變量需要通過“變量選擇”對話框下的“根據采集信息生成”進行選擇，不能用鍵盤錄入。Y5是PLC驅動上料電磁閥動作的輸出口。“*”表示兩個變量是“與”的關系，即，當料口檢測信號有效（M4=X4=ON），同時推料氣缸在后限位（M15=X15=ON）時，在觸摸屏中顯示料口的工件。

（5）組態料臺工件。從料倉任選擇一個工件，“拷貝”、“粘貼”得到一個新的工件。修改坐標為[H:415][V:275]，得到料臺工件。選擇可見度的表達式為“設備0_讀寫M0005”，當表達式的值非零時，對應圖符不可見。當料倉檢測信號有效（M5=X5=ON）時，在觸摸屏中顯示料臺的工件。

（6）組態推料氣缸。繪制缸筒，繪制1個矩形，坐標[H:100][V:200]和尺寸[W:100][H:20]，靜態填充顏色為“灰色”。繪制及組態活塞，繪制1個矩形，坐標[H:100][V:202]和尺寸[W:130][H:17]，靜態填充顏色為“藏青色”；設置活塞“水平移動”動畫屬性，表達式選擇為“設備0_讀寫Y0005”，最大偏移量為“40”，表達式的值為“0”。用快捷工具“置于最后面”，把活塞放在缸筒的后面。繪制上料電磁閥指示燈，繪制1個圓形，坐標[H:70][V:202]和尺寸[W:16][H:16]，靜態填充顏色為“銀色”；打開指示燈“動畫組態屬性設置”窗口，勾選顏色動畫連接“填充顏色”選項卡，設置指示燈“填充顏色”動畫屬性，表達式選擇為“設備0_讀寫Y0005”，填充顏色連接分段點“0”對應顏色“灰色”，分段點“1”對應顏色“淺綠色”。在上料電磁閥指示燈正上方添加標簽“推料氣缸”。

（7）組態檢測指示燈。復制上料電磁閥指示燈控件，用粘貼工具，得到“后限位”、“前限位”、“料倉有料”、“料臺有料”四個檢測信號指示燈。分別設置：“后限位”指示燈填充顏色表達式為“設備0_讀寫M0015”；“前限位”指示燈填充顏色表達式為“設備0_讀寫M0014”；“料倉有料”指示燈填充顏色表達式為“設備0_讀寫M0004”；“料臺有料”指示燈填充顏色表達式為“設備0_讀寫M0005”。添加各指示燈的標簽。

（8）組態系統工作指示燈。組態運行指示燈，繪制1個圓形，坐標[H:560][V:80]和尺寸[W:40][H:40]，靜態填充顏色為“銀色”；設置指示燈“填充顏色”表達式選擇為“設備0_讀寫Y0007”，填充顏色連接分段點“0”對應顏色“灰色”，分段點“1”對應顏色“淺綠色”。添加一個標簽，坐標[H:540][V:130]和尺寸[W:70][H:25]，宋體小四字體，填充顏色“銀色”，邊線“黑色”；文本內容“運行指示”；水平居中，垂直居中。組態停止指示燈。同時選中運行指示燈圖符和標簽，拷貝粘貼，拖曳到標簽框相連。修改指示燈“填充顏色”表達式，選擇為“設備0_讀寫Y0010”，修改填充顏色連接分段點“1”對應顏色“紅色”。修改標簽文本內容為“停止指示”。

（9）組態系統啟動和停止按鈕。組態啟動按鈕，用“標準按鈕”工具繪制1個按鈕，坐標[H:160][V:420]和尺寸[W:100][H:40]；組態基本屬性，文本“啟動按鈕”，文本顏色“藍色”，邊線色“銀色”；組態操作屬性，抬起功能——勾選“數據對象值操作”，“清0”的變量選擇為“設備0_讀寫M0021”；按下功能——勾選“數據對象值操作”，“置1”的變量選擇為“設備0_讀寫M0021”。組態停止按鈕，拷貝粘貼啟動按鈕得到一個新按鈕。修改參數，坐標[H:270][V:420]，文本“停止按鈕”，文本顏色“紅色”，抬起功能——數據對象值操作“清0”的變量選擇為“設備0_讀寫M0022”，按下功能——數據對象值操作“置1”的變量選擇為“設備0_讀寫M0022”。

4 結束語

系統設計完成后，在實驗室運行調試。

（1）料臺、料倉均無料時。按下觸摸屏的啟動按鈕，系統運行。執行機構的不動作，相應的檢測指示符合控制要求。

（2）料臺無料、料倉有料時。按下觸摸屏的啟動按鈕，系統運行。此時，運行指示燈亮、料倉有料亮，推料氣缸指示燈亮，活塞伸出，后限位先亮后滅，前限位先滅后亮。

（3）料臺、料倉均有料時。按下觸摸屏的啟動按鈕，系統運行。執行機構的不動作，相應的檢測指示也符合控制要求。

控制系統經過運行調試，設備動作順暢、性能穩定、可靠性高。自動上料控制相比傳統的人工送料生產，有著諸多優勢：生產效率高，產品質量穩定，降低了生產成本[9]。