三菱PLC和HMI在尼龍帶自動剪裁設備中的應用

蔡曉芷

（佛山市順德區陳村職業技術學校，廣東佛山 528313）

0 引言

PLC也稱為可編程邏輯控制器，目前PLC融合HMI技術在工業自動化中被廣泛應用，此類系統運行可靠性高，穩定性好，抗干擾能力強，能在惡劣的環境中長期不間斷運行，而且其編程容易，維護工作量較小[1]。在珠三角地區有很多汽車零部件加工廠，其中汽車座椅上的尼龍帶拉手把需要經過測量、剪裁、沖孔工序完成產品的加工。目前很多使用手工或半手工的形式進行加工，由于尼龍帶具有多種不同的規格，如長度不同、孔的大小不同和孔間距等，許多只能手工測量、沖孔、剪裁，產品生產效率低而且產品精度不高，質量參差不齊，因此為了解決以上問題，很有必要對尼龍帶剪裁機進行自動化改造。針對尼龍帶產品種類繁多的問題，確定采用WEINVIEW觸摸屏TK6070IP作為人機界面，使用三菱PLCFX3U 48MT為控制器來控制設備的運行[2]。其中設備運行模式、速度、尼龍帶產品尺寸可以通過觸摸屏來設定，然后通過PLC控制伺服電機和步進電機來控制尼龍帶長度和寬度和沖裁速度，超聲波發波時長，從而實現尼龍帶的自動剪裁。

1 設備系統控制方案

尼龍帶自動剪裁系統方案如圖1所示。主機采用三菱FX 3U系列PLC，由程序控制各種外部設備運行。

圖1 設備系統方案Fig.1 Equipment systemscheme

當按下實體按鍵“啟動按鈕”時，系統進入初始化狀態，對各個參數進行初始化，可以選擇不同的按鈕進入手動模式、調試模式、量產模式和測試模式中，這幾個模式分別互鎖，每次只能進入一個。

在手動模式中，每個外設都是通過觸摸屏上的按鈕控制的，按下按鈕，外設得電并動作，按鈕復位，外設失電復位。調試模式中，以伺服電機開始，利用導向夾緊氣缸作為計數點，以夾緊導向氣缸復位而結束。耐久測試中，伺服電機用定位控制模式控制，使用三菱的相對位置控制指令DDRVI對電機位置進行精確控制。程序中的M8029是脈沖結束標志，當電機執行完成程序設置的脈沖數時，M8029得電一個掃描周期，對電機的測試數量進行計數。量產模式中，對于故障處理的程序段，當量產模式時出現故障，設備將報警并顯示故障原因及其處理辦法。當故障原因是沖裁出現問題時，可以按下“沖裁”按鈕完成沖裁。沖裁結束后，彈出此產品是否計入總數量的界面，選擇是，將計數，選擇否則不計數。當故障已經人工確認清除，按下觸摸屏上的“故障已清除”按鈕，此時程序繼續執行，完成接下來的量產生產工序[4]。

2 系統組成

2.1 三菱PLC（FX 3U_48MT）

在本設計中，全部控制都是利用了開關量（數字量）的邏輯順序控制，要求控制系統按照邏輯條件和一定的順序和時序產生控制動作，并能夠對來自現場的大量開關量、脈沖、計時、計數等數字信號進行監控和處理[3]。本系統共需要驅動1臺伺服電機，2臺步進電機，4個電磁閥，2個指示燈和1個蜂鳴器，所以一共需要16個輸出口，2個高速脈沖輸出口。所以，最終本系統選擇了FX 3U-48MT PLC。

2.2 觸摸屏選型

從系統的要求和成本考慮，本文采用性價比較高的威綸觸摸屏TK6071IP，輸入電壓為10.5~28 VDC，外觀大小為7 in，像素800×480。觸摸屏上有兩個接口，用于與PLC通信和PC通信下載觸摸屏界面程序[5]。

2.3 伺服驅動器

伺服驅動器是用于控制伺服電機的一種控制器，作用類似于變頻器作用于普通的交流馬達，是伺服系統的重要組成部分，主要應用于高精度定位系統中[6]。為了準確控制尼龍帶的長度，并綜合考慮了性價比，最后采用了力川的伺服電機。采用的是位置控制。為了能在觸摸屏的參數設置中直接輸入長度（mm），直接轉換成脈沖數量給PLC控制伺服電機定位到相應的位置[7]。設置電子齒輪比為1∶1，即電機轉一圈需要10 000個脈沖，滾動軸直徑為40 mm，因此長度尺寸L與脈沖數的換算方法如下：

產品尺寸的公差在±0.5 mm，所以圓周率近似取3.14不會出現產品不合格現象。

2.4 步進電機

設計中需要用到2臺步進電機，1臺用于根據尼龍帶的寬度對輸送材料的過程中進行限位，1臺用于將剪裁后的尼龍帶送出?？紤]用步進電機是性價比較高，而且便于調速，在觸摸屏參數中設置便可[8]。步進電機1用于限位，防止尼龍帶傳輸過程中出現偏差，導致孔位出現偏差而增加廢品率。步進電機2用于將產品送出，產品質量很小，所以采用了28系列的步進電機。

3 PLC梯形圖設計

3.1 PLC輸入輸出IO口分配表

表1所示為本系統中輸入輸出端子及其功能分配

表1 系統IO分配表Tab.1 System IOallocation table

3.2 PLC程序控制流程

圖2所示為程序控制的流程圖。

圖2 PLC程序控制流程Fig.2 PLCprogramcontrol flow chart

4 觸摸屏界面設計

在設計的過程中，充分與工廠的工作人員進行討論交流，做出交互性較強的人機界面[9]。觸摸屏界面分為首頁、手動模式、調試模式、量產模式、參數設置及歷史報警等界面。

在手動模式中，操作人員可以操作設備中的動作單獨執行，特別是在調整好尼龍帶的長度和寬度后，可以對準確度進行檢測，調試到合適后進行量產。同時，可以在界面上通過燈的狀態觀察各個外設的工作情況。

在調試模式中，主要是用于測試沖裁機構沖裁效果的穩定性。比如輸入測試次數10，然后電機調式開始，設備會自動生產10個產品，通過檢測產品的合格率判斷沖裁機構的運行情況。這一模式和自動模式的不同之處在于，沒有來料傳感器和落料傳感器的限制[10]。

在量產模式中，工人輸入生產數量后開始生產，當生產過程出現問題，則亮紅燈報警，并且屏幕顯示報警原因，工人對材料進行處理。量產模式中設置沖裁按鈕，是為了在沖裁不完全造成的故障，需要手動沖裁完成后，再點擊錯誤已清除，那么設備才會再次自動運行[11]。

5 設備運行效果

按下實體鍵“啟動按鈕”使系統啟動，在觸摸屏上選擇“參數設置”界面對尼龍帶的寬度、長度、沖裁的時間和超聲波發波時間進行設置，寬度設置后在手動模式中按下“寬度調整”按鈕，設備對軌道的寬度進行調整，這是為了防止在傳送過程中，尼龍帶輸送過程中出現錯位，導致沖孔時出現錯誤[12]。

這里在“參數設置”界面進行了沖壓時間和超聲波發波時間的設置，主要是因為在實際調試過程中，超聲波需要進行兩次短時間的發波才可以完全沖裁尼龍帶，而且如果設備的超聲波機器更換或者刀模更換，都需要進行相應時間的調整。

參數設置完成后，可以進入“量產模式”設置需要生產的產量，如果是新換物料，那么第一個物料需要手動進行裁切，避免浪費。在手動模式中，按下沖裁，沖裁第一段物料。如果是舊物料，則設置好產品的長度，產量就可以開始加工生產。

當生產過程中，設備出現問題，蜂鳴器響同時紅燈閃爍。觸摸屏上彈出故障指示和相應的故障處理對策，下面是故障類型及相對應的處理方式：

（1）如果物料用完，傳感器1觸發報警并在觸摸屏上顯示缺物料并提示操作步驟[13]；

（2）如果送料機構出現問題，傳感器2觸發報警并在觸摸屏上顯示傳送故障，并提示操作步驟；

（3）如果加工完成（即已加工數量=產量），紅燈閃爍蜂鳴器報警，屏幕顯示加工已完成。

通過調試，本設備能夠準確按照不同長度剪裁出尼龍帶，并投入生產，在生產過程中，如果需要加快生產周期，可以通過設置伺服電機的運行速度、沖裁時間和超聲波發波時間。

6 結束語

實際運行證明，設備運行穩定、可靠，通過三菱PLC融合HMI技術，能夠實現不同產量、不同長度尼龍帶的自動化生產，本設計采用PLC控制伺服電機，通過位置控制模式精確控制尼龍帶的長度，設備投入使用后，生產的尼龍帶產品取樣質檢結果顯示其誤差值均在允許的偏差范圍內；在尼龍帶沖孔和剪裁時采用超聲波技術，使尼龍帶切斷速度快、切口固結平整不散邊效率高；通過觸摸屏參數設定可定制不同規格的尼龍帶。設備通過自動化控制不僅提高了產品生產效率和質量，而且還降低了工作人員的操作危險系數。