基于PLC的PCB板檢測與分揀生產線控制系統設計

張凌志，何文雪，曹洋洋

ZHANG Ling-zhi, HE Wen-xue, CAO Yang-yang

（青島大學 自動化學院，青島 266071）

0 引言

隨著社會的發展，傳統行業生產模式的局限性越來越大，其生產工序復雜，需要大量人力物力，極大影響了生產效率，因此對傳統行業的改造迫在眉睫[1～4]。隨著自動化水平的不斷提高，一些較高端的自動化設備也隨之產生，企業開始使用自動化設備來代替人力[5～8]。

本文對已加工完成的PCB板進行檢測與分揀流程控制系統設計。使用西門子S7-1200 PLC作為控制器，實現自動化生產。投入運行后的生產線效率較以前人工效率提高了數倍，同時節省了大量的人力，減少了經濟投入，提高了生產效益。

1 系統構成及特點

1.1 生產線的組成

PCB板檢測與分揀自動生產線由分板單元、抓取單元、檢測單元、分揀單元組成，所有單元都由總控單元集中控制，系統構成如圖1所示。該控制系統是分板單元將待分板進行沖壓分板，抓取單元將分板機切割完成后的PCB板拿出，運送到檢測單元，檢測裝置對每一個小板進行電路檢測，攝像頭識別每一個小板上的紅綠燈是否能夠正常發光，兩者將檢測結果通過串口發送到上位機，再由上位機進行數據分析，當兩者的檢測結果都為良品則判定為當前小板為良板，分揀單元抓取并將PCB板按照良板和不良板放到不同的工位上。

圖1 系統構成

圖2 系統布局圖

1.2 PLC與伺服電機（臺達A2系列）通訊

PLC與臺達伺服電機有多種通訊方式，該生產線控制系統采用Modbus-RTU方式進行通訊。由于需要與三路伺服通訊，用RS485連接，通過Modbus-RTU通訊方式，不僅可以節省成本，而且編程方便。西門子S7-1200PLC使用西門子TIA Portal軟件進行編程、編譯，該軟件是西門子公司特地研發出來的一款集工程的組態和軟件項目開發環境于一體的軟件。

在TIA Portal軟件中，調用MB_COMM_LOAD指令塊和MB_MASTER指令塊。其中MB_COMM_LOAD指令塊的作用是組態Modbus通訊協議，MB_MASTER指令塊的作用是進行主站數據發送和接收。此生產線將S7-1200PLC作為主站，臺達伺服驅動器作為從站，同時更改臺達伺服驅動器內部寄存器的數據來實現PLC與臺達伺服建立通訊。MB_COMM_LOAD指令塊如圖3所示，MB_MASTER指令塊如圖4所示。

圖3 MB_COMM_LOAD指令塊

圖4 MB_MASTER指令塊

S7-1200PLC與臺達伺服驅動器的硬件連接接線圖如圖5所示。連接線一端連接PLC的9pin接頭，另一端連接臺達伺服驅動器的CN3接頭。在連接線的內部，9pin針腳的RS485發收通訊針腳要與3臺伺服驅動器CN3的5、6針腳分別連接。

圖5 PLC與伺服驅動器接線圖

2 程序設計與運行

2.1 程序設計

PLC程序設計是整個控制系統的核心部分[9,10]。該系統的控制方法要根據PCB板檢測分揀生產線的控制過程和生產需要，在保證生產線可以正常按照流程工作的情況下，還要具有發生故障時候能夠緊急停止的能力。工作流程如圖6所示。具體流程如下：

圖6 系統PLC控制原理圖

1）設備通電后，默認為自動模式，可以在上位機上選擇為手動模式。自動模式下，需要按住start按鈕持續2秒才能啟動，避免操作人員的誤觸，抓取單元、檢測單元和分揀單元在初始狀態等待命令。在手動操作下，能夠對各個單元進行單獨操作，包括伺服電機的運動、氣缸的升降以及機械抓手的抓緊松開。

2）分板機分板完成后，繼電器閉合，PLC收到PCB板到位信號，抓取單元動作，機械抓手將分板機切割完成的PCB板從模具中抓出，移動并放入檢測單元的待檢測工位，再回到初始位置。如果待檢測工位上有前一組未檢測完成的PCB板，則機械抓手在等待位置滯留，等前一組PCB板被抓走以后，再將這次的PCB板放入待檢測工位。

3）抓取單元機械抓手移動出檢測單元后，氣缸進行下壓動作使PCB板的針腳與檢測裝置觸碰，同時上位機發出檢測信號讓檢測裝置和攝像頭進行檢測，檢測裝置返回50bytes數據，與預設定的協議格式進行比較，判斷出好壞板，攝像頭判斷PCB板上的LED燈是否發光，也進行判斷好壞板。上位機將檢測裝置和攝像頭返回的數據進行分析，決定最終的PCB板好壞情況，完成后氣缸進行上升動作。

4）氣缸上升到位后，機械抓手運動到檢測工位將已檢測完成的PCB板抓出，再根據上位機分析后存儲的好壞板的信息進行分揀，不良板放到已安置好的傳送帶上，通過檢測的板放到流水線上進行下一步生產，機械抓手最后移動回初始位置。

5）在保證正常生產的前提下，要盡可能地提高生產效率，因此對分揀單元和檢測單元對接時間進行了優化。正常的工藝流程是等待檢測單元的氣缸上限位磁性開關產生信號后，分揀單元的機械抓手移動抓取檢測完成的PCB板，如果在檢測單元的氣缸上升的同時，分揀單元的機械抓手進行移動，則能夠減少原來流程浪費的時間。控制分揀單元機械抓手的伺服控制器一共發出3101229個脈沖，電子齒輪比為1280000/10，直線模組的螺距為20mm，可以得到機械抓手一共移動的距離s=3101229/（1280000/10）×20=484.567mm，機械抓手的移動速度v=333.333mm/s，則分揀單元的機械抓手運動所需的時間為t=s/v=1.45秒。檢測單元氣缸上升時間約為3秒，因此在氣缸上升1.15秒后，機械抓手即可開始運動。

2.2 設備運行

現場設備運行如圖7所示。在實際運行過程中，可能會遇到各種各樣的突發情況，因此設計了緊急停止按鈕。在現場運行過程中，如果發生緊急情況，操作工可以立即按下緊急停止按鈕，設備中的電機立即停止運動，氣缸掉氣保持原有狀態，生產線停止工作。在故障排除以后，可以重新按開始按鈕讓生產線進行工作，極大的保證了生產線的安全運作。該生產線在手動模式下，可以對每一個電機，每個氣缸進行單獨動作，方便檢修和維護。在投入實際生產自動運動時，經檢測生產線的效率可以達到每小時1200塊，并且能夠穩定安全的工作。

圖7 現場運行

3 結論

用西門子S7-1200PLC作為生產線控制系統核心，上位機、攝像頭和檢測裝置在檢測單元進行PCB板檢測分析，再加以傳感器技術，共同完成該生產線的控制系統。無論是PLC控制伺服電機，還是檢測裝置和攝像頭與上位機的數據交互，都能夠按照預想的工藝流程運動。該設備在維持一個月實際生產過程中，能夠保證所要求的生產效率，極大的改善了以前人工操作的困境。