一種基于PLC 的鎖付工裝及檢測(cè)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

林心宇

（福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能智造學(xué)院，福建 福州 350003）

0 引言

傳統(tǒng)的鎖付設(shè)備通常采用硬件電路進(jìn)行控制，雖然擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉的特點(diǎn)，但是傳統(tǒng)方式依靠人工進(jìn)行手動(dòng)鎖付，一方面嚴(yán)重影響了企業(yè)的產(chǎn)能，另一方面也導(dǎo)致不良產(chǎn)品的漏檢[1]，同時(shí)還存在交互性差，可維護(hù)性不佳等缺點(diǎn)，已經(jīng)不再適合現(xiàn)代智能化生產(chǎn)的需要。隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，伴隨著各類工控設(shè)備的普及，為了實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的生產(chǎn)和產(chǎn)品的可檢測(cè)性，本文設(shè)計(jì)了一種利用PLC 系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的鎖付設(shè)備進(jìn)行的改造方案，改造后的鎖付設(shè)備利用PLC 控制電路替換硬件電路控制，實(shí)現(xiàn)了控制過(guò)程的可視化并提升了系統(tǒng)的可維護(hù)性，同時(shí)增加了觸摸屏作為人機(jī)交互的界面，提供鎖付作業(yè)中每一個(gè)螺釘?shù)呐ぞ貦z測(cè)和最終的結(jié)果檢測(cè)，簡(jiǎn)化了人工的質(zhì)檢流程，提高了良品率。該改造方案還可作為其他類型的工裝的改造模板，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他產(chǎn)品的檢測(cè)，大大提升了實(shí)用性，對(duì)其他類型的設(shè)備改造也有一定的借鑒意義。

1 系統(tǒng)功能概述

該套鎖付設(shè)備原用于某車型底護(hù)板的螺栓鎖付，該底護(hù)板的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。未改進(jìn)的系統(tǒng)工作流程如下：底護(hù)板通過(guò)龍門吊被吊裝至工裝的指定位置，操作人員可通過(guò)掃碼槍對(duì)該工件的條形碼進(jìn)行掃描以確定工件序號(hào)。配套工裝通過(guò)電磁閥控制對(duì)應(yīng)的夾具將該底護(hù)板進(jìn)行固定，工裝夾具電磁閥分正反面兩組，反面夾具到位后方可進(jìn)行正面夾具的固定。在所有夾具固定完成后，操作人員使用鎖付槍按照規(guī)定加工順序?qū)⒙菟ü潭ㄓ诘鬃o(hù)板之上。完成正面所有螺釘?shù)逆i付后，翻轉(zhuǎn)電磁閥得電，底護(hù)板翻轉(zhuǎn)后可以繼續(xù)進(jìn)行反面螺釘?shù)逆i付。所有螺釘鎖付完成后，翻轉(zhuǎn)電磁閥再次得電，底護(hù)板回到正面位置，此時(shí)可以打開(kāi)所有電磁閥，將工件運(yùn)輸至下一個(gè)站點(diǎn)。該型號(hào)底護(hù)板的部分螺釘鎖付的順序如圖2 所示，操作人員按順序安裝完所有螺釘并通過(guò)檢測(cè)后即完成整個(gè)鎖付流程，底護(hù)板可以被運(yùn)至下一個(gè)加工工位。

圖1 車輛底護(hù)板結(jié)構(gòu)

圖2 車輛底護(hù)板部分螺栓鎖付順序

2 改造方案整體設(shè)計(jì)

改進(jìn)后的鎖付設(shè)備硬件如圖3 所示。左側(cè)下方為數(shù)顯鎖付槍放置槽位，使用完畢的鎖付槍可以放置在指定的槽位中。槽位上方有鎖付槍配套的觸摸屏，可以通過(guò)觸摸屏對(duì)鎖付槍的參數(shù)進(jìn)行更改。中間為觸摸屏立架，改造后增加的西門子觸摸屏和相關(guān)的設(shè)備控制按鈕被安裝在該立架上。最右側(cè)則為控制柜，PLC控制器、中間繼電器及網(wǎng)關(guān)等連接和控制設(shè)備被安裝在控制柜內(nèi)。

圖3 基于PLC 系統(tǒng)改造的設(shè)備

改進(jìn)后的鎖付設(shè)備工作流程基本保持不變，但是引入的PLC 與觸摸屏等設(shè)備具有穩(wěn)定性高、人機(jī)交互性好，維修更換模塊方便，聯(lián)網(wǎng)通訊能力強(qiáng)等特點(diǎn)[2]。

根據(jù)實(shí)際控制需求，控制器選用的是西門子S7-1200 系列的1214-DC/DC/DC 型號(hào)的PLC，根據(jù)實(shí)際的采集信號(hào)數(shù)量，需要增加一個(gè)16 輸入16 輸出I/O拓展模塊。人機(jī)交互界面選用的是西門子的KTP700 Basic 系列的操作面板。改進(jìn)方案也可參考經(jīng)濟(jì)成本、使用習(xí)慣、培訓(xùn)及保養(yǎng)等因素選擇其他品牌的設(shè)備。

改造后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖4 所示。

圖4 改造后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

PLC 的輸入端口采集操作人員發(fā)出的夾持、打開(kāi)或翻轉(zhuǎn)工裝的信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC 內(nèi)部控制器的處理，產(chǎn)生輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電磁閥工作。電磁閥動(dòng)作后可檢測(cè)夾持工裝的到位信息，確保工件處于正確的位置上，同時(shí)PLC 可以取代硬件電路用于控制各類工作指示燈。觸摸屏將會(huì)與PLC 使用以太網(wǎng)進(jìn)行通信，PLC 將采集到的操作人員的操作信號(hào)、工裝夾具的到位信號(hào)、鎖付槍傳感器的角度信息、扭矩信息、加工順序信息等傳送至觸摸屏并予以顯示。通過(guò)這套設(shè)備，操作人員可以輕松實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)的設(shè)定、輸入、輸出端口狀態(tài)的監(jiān)控和鎖付槍扭矩、角度和螺釘安裝數(shù)量的檢測(cè)。

3 軟件改造設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路部分改造

根據(jù)原有電氣控制回路的設(shè)計(jì)，可以將原有輸入拆分成操作按鈕和工裝夾緊傳感器兩個(gè)部分。其中，PLC 本體的輸入端口分配給系統(tǒng)的操作按鈕，拓展模塊的輸入端口分配給工裝控制的按鈕和夾持傳感器的信號(hào)；PLC 本體的輸出端口分配給系統(tǒng)的指示燈和報(bào)警器，拓展模塊的輸出端口分配給控制工裝的電磁閥和相應(yīng)的指示燈。綜上所述，該系統(tǒng)具體的I/O 分配表見(jiàn)表1。

表1 PLC 控制方案的I/O 分配表

根據(jù)分配的I/O 可以完成PLC 程序的設(shè)計(jì)，夾緊工裝的程序工作流程圖如圖5 所示。通過(guò)正面和反面夾持按鈕可以控制工裝完成對(duì)工件兩面的夾緊動(dòng)作。當(dāng)工裝正反兩面處于夾緊到位的狀態(tài)時(shí)，都會(huì)有相應(yīng)的夾持指示燈予以指示；當(dāng)所有傳感器都檢測(cè)到工件處于夾緊狀態(tài)時(shí)，踩下腳踏翻轉(zhuǎn)按鈕就可以讓翻轉(zhuǎn)電磁閥得電，工件得以翻轉(zhuǎn)；當(dāng)夾緊工裝就緒時(shí)，操作人員即可開(kāi)始正面螺釘?shù)逆i付，工件翻轉(zhuǎn)后可以進(jìn)行反面螺釘?shù)逆i付，完成正反兩面的鎖付后，整個(gè)鎖付流程才算結(jié)束。此時(shí)可以按下正面和反面放開(kāi)按鈕接觸工裝的固定，使行車將底護(hù)板運(yùn)輸至下一個(gè)工位。

圖5 基于PLC 系統(tǒng)改造的功能流程

3.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)采集

EtherNet/IP （Ethernet Industrial Protocl） 簡(jiǎn) 稱EIP，是一種通用工業(yè)協(xié)議（Common Industrial Protocol），由于具備應(yīng)用價(jià)格低廉、軟硬件產(chǎn)品豐富、通信傳輸速率高、技術(shù)較成熟等優(yōu)點(diǎn)，得到了全球很多工業(yè)企業(yè)的大力支持[3]。其顯著優(yōu)越性是將TCP/IP 和Ethernet 技術(shù)融合在了一起，通過(guò)以太網(wǎng)軟硬件，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的診斷、訪問(wèn)與配置定義了一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議[4]。本次改造的鎖付槍使用EIP 通信協(xié)議進(jìn)行通信。每個(gè)鎖付槍內(nèi)有2 個(gè)IP 地址。4 個(gè)鎖付槍的8 個(gè)IP 地址中，4 個(gè)IP 地址與PLC 和觸摸屏屬于同一網(wǎng)段，另4 個(gè)IP 地址則分配單獨(dú)網(wǎng)段以滿足EIP通信的要求，局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備地址分配見(jiàn)表2。

表2 IP 地址分配

西門子S7-1200 CPU 可以通過(guò)集成的PN 接口與鎖付槍進(jìn)行Ethernet/IP 通信。由于共有四把鎖付槍，可以使用交換機(jī)進(jìn)行連接。西門子PLC 側(cè)需要使用西門子提供的專用的LCCF_EnetScanner 通訊功能模塊才可以實(shí)現(xiàn)主站的西門子PLC 與從站的鎖付槍的通信。其中PLC 側(cè)的設(shè)置如圖6 所示。其中LCCF_EnetScanner 作為加密的通訊模塊，EnetIOSystem和LCCF_EnetScanner_DB 作為配合通訊快使用的數(shù)據(jù)塊，可以用來(lái)存放從站的配置信息。

圖6 通訊模塊和通訊數(shù)據(jù)塊設(shè)定

打開(kāi)EnetIoSystem（DB14）數(shù)據(jù)塊，可以設(shè)置鎖付槍配置信息，本文以鎖付槍的地址設(shè)置舉例：在address 的數(shù)據(jù)塊中可以設(shè)置1#鎖付槍的IPv4 地址為192.168.0.10，此時(shí)可以通過(guò)直接更改地址數(shù)據(jù)數(shù)組的前四個(gè)字節(jié)的起始值的方法實(shí)現(xiàn)地址的配置，如圖7 所示。

圖7 通訊數(shù)據(jù)塊地址設(shè)定

同時(shí)操作人員也可以通過(guò)程序來(lái)配置需要通訊的鎖付槍IP 地址，如2#鎖付槍的地址為192.168.0.11，此時(shí)的程序與在DB14 數(shù)據(jù)塊中手動(dòng)寫入?yún)?shù)相當(dāng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛉鐖D8 所示。數(shù)據(jù)通訊的程序還可以用于傳輸其他的配置信息，其功能與數(shù)據(jù)塊內(nèi)手動(dòng)修改起始值的功能是一致的。

圖8 鎖付槍參數(shù)通訊程序

3.3 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏作為人機(jī)交互的重要部分，其承擔(dān)了部分控制和監(jiān)控功能。監(jiān)控界面由首頁(yè)、主畫面、參數(shù)設(shè)置界面、I/O 監(jiān)控界面、數(shù)據(jù)記錄界面和報(bào)警信息界面共計(jì)6 個(gè)部分組成。其中，首頁(yè)為監(jiān)控的進(jìn)入界面；主畫面提供報(bào)警信息的顯示和加工工件參數(shù)的顯示；如圖9 所示，參數(shù)設(shè)置界面可以設(shè)置不同鎖付槍的程序和數(shù)據(jù)狀態(tài)；I/O 監(jiān)控界面可以監(jiān)控PLC 控制各輸出的輸出狀態(tài)；數(shù)據(jù)記錄界面可以記錄加工的每一個(gè)工件的詳細(xì)信息；報(bào)警界面則會(huì)記錄系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)鎖付扭矩、鎖付順序和螺釘數(shù)量。鎖付槍強(qiáng)制條目和鎖付槍反轉(zhuǎn)條目可在緊急情況下使用鎖付槍或令鎖付槍反轉(zhuǎn)。

圖9 參數(shù)設(shè)置界面

I/O 監(jiān)控界面如圖10 所示。該界面可以監(jiān)控連接PLC 的所有輸入和輸出信號(hào)。通過(guò)該界面，操作人員可以觀察設(shè)備控制按鈕和工裝固定傳感器的信號(hào)，確保工作時(shí)的安全，同時(shí)也可以監(jiān)測(cè)電磁閥的工作狀態(tài)和工作狀態(tài)指示燈，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)便于后期的系統(tǒng)維護(hù)和檢查。

圖10 I/O 監(jiān)控界面

螺釘布局界面如圖11 所示。操作人員可以通過(guò)各個(gè)鎖付點(diǎn)位的指示燈觀察鎖付的情況。左側(cè)的扭矩和角度輸出域可以顯示每一次鎖付時(shí)的扭矩和鎖付角度，其中目標(biāo)扭矩可以為最終的鎖付扭矩提供參考。右側(cè)的進(jìn)度輸出可以顯示螺釘?shù)逆i付數(shù)量，最后可以通過(guò)結(jié)果的顯示來(lái)判斷工件的是否合格。

圖11 螺釘布局界面

4 結(jié)語(yǔ)

觸摸屏及PLC 的應(yīng)用大大提高了機(jī)器運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，使系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、直接[5]。改造后的新設(shè)備相比于原來(lái)的老設(shè)備，使用PLC 對(duì)輸出設(shè)備進(jìn)行控制不僅使運(yùn)行穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)，可維護(hù)性也得到了提升。同時(shí)利用高效、便捷的EIP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)了PLC 與鎖付槍之間的通訊，使得鎖付槍的數(shù)據(jù)得以通過(guò)觸摸屏顯示，增加了工作狀態(tài)的監(jiān)視和成品的檢查，大大提升了加工的效率，也提供了不同類型工件加工的拓展性。整套設(shè)備的改進(jìn)對(duì)其他同類型的設(shè)備改進(jìn)也有相當(dāng)?shù)慕梃b意義，可以進(jìn)一步推廣。