基于PLC的網絡變壓器繞線平臺設計

劉彥希，王佳，吳浩，何慶中，龔佳

(四川輕化工大學自動化與信息工程學院，四川宜賓 644000)

0 前言

互聯網作為現代人生活工作中不可或缺的一部分，正向規模更大、穩定性更好的方向發展。RJ45連接器作為一種國際通用的以太網連接器，在網絡通信中起到重要作用。最新的RJ45連接器，內部增加了網絡變壓器，可以大幅增加傳輸距離，增強傳輸信號，提供更舒適的體驗[1-3]。

不同種類的RJ45連接器所使用的網絡變壓器也有所不同。文中選取單端口12針模塊化RJ45連接器中的U912002-2型網絡變壓器進行研究。網絡變壓器在實際的生產過程中，主要是通過人工將銅線纏繞在針腳上[4]。為了提高網絡變壓器的生產效率以及節約人工成本，本文作者設計一種基于PLC的全自動網絡變壓器繞線系統。

1 繞線機平臺總體系統設計

1.1 生產對象

如圖1所示，該平臺生產對象為U912002-2型網絡變壓器，其膠殼呈長方形，11 mm(長)×6 mm(寬)×5 mm(高)，膠殼兩側均布12根直徑0.25 mm、伸出高度4 mm的針腳，其分別通過銅線與兩臥、兩立交替放置的4個帶銅線磁環繞連。

圖1 U912002-2型網絡變壓器

合格的網絡變壓器要求磁環上的銅絲與針腳一一對應，每根銅絲需緊密纏繞在針腳上，且銅線繞針腳圈數應不少于3圈。同時，不同針腳上的銅絲需按不同方向纏繞。以U912002-2型網絡變壓器為例，編號為1、3、4、6、7、9、10、12的針腳上的銅線要順時針纏繞；2、5、8、11針腳上的銅線需要逆時針纏繞。繞線完成后應當切除多余的銅絲，保證銅絲的線頭不得超出膠殼。

1.2 繞線機平臺的結構設計

網絡變壓器繞線平臺啟動后首先對系統進行復位，再通過機器視覺技術找到1號針腳坐標位置進而完成對針腳的繞線動作，最后依次完成12個針腳的繞線任務。網絡變壓器繞線平臺的工作流程如圖2所示。

圖2 繞線平臺工作流程

由于網絡變壓器體積小、質量輕，故需要設計一個起固定位置作用的載具配合繞線頭工作。圖3所示是上料完成的網絡變壓器置于載具中。

圖3 網絡變壓器及載具

繞線平臺結構中最核心的部分是繞線頭，繞線頭在PLC的控制下完成對網絡變壓器的夾線、繞線、切線工作。繞線頭部分主要由頂針氣缸1、切刀2、手指氣缸3、夾頭4、空心頂針5組成，如圖4所示。

圖4 繞線頭結構

繞線平臺的工作流程如下：開始繞線之前，將上料完成的網絡變壓器連同載具固定在工作臺上，由安裝在機架上端的工業相機對網絡變壓器進行圖像采集；利用機器視覺技術將采集到的網絡變壓器圖像進行形態學處理，并進行特征提取；對針腳位置進行標定，找到針腳坐標后，將坐標傳輸給PLC[5-6]。在進行繞線時，PLC首先控制手指氣缸動作3，帶動夾頭4夾起待繞銅線，再給X、Y、Z軸的伺服驅動器發出指定脈沖并輸送給對應的伺服電機；在多個伺服電機共同作用下將繞線頭移動到待繞針腳上方，此時繞線頭的空心頂針5置于第一個繞線針腳之上；然后PLC控制頂針氣缸1頂出使空心頂針5完全罩于待繞線針腳上方，進而PLC給控制旋轉動作的R軸伺服驅動器發出脈沖指令，使R軸的電機動作，繞線頭部分將以空心頂針5為中心進行旋轉；完成旋轉后將控制頂針氣缸收回頂針并控制繞線頭向后移動一定距離，使銅線能夠緊緊纏繞在針腳之上；最后將繞線頭移動到指定位置，用固定在繞線頭上的切刀2切斷銅線，松開夾頭，進而完成了單個針腳的繞線。然后控制繞線頭向下一個針腳方向移動，對下一針腳進行繞線。當依次對單邊6個針腳完成繞線之后，控制R軸旋轉180°到對邊重復繞線，最后完成整個12針腳的網絡變壓器繞線工作。

根據設計要求，通過SolidWorks建立繞線平臺的三維結構模型如圖5所示。繞線平臺主要由工作臺1、X軸(左)2、網絡變壓器載具3、繞線頭4、Z軸5、工業相機6、Y軸7、框架8、X軸(右)9組成。

圖5 繞線平臺三維圖

1.3 繞線平臺控制系統

繞線平臺的控制系統主要由PLC和伺服控制系統構成，完成繞線機構的一系列動作，是整套設計中最為核心的部分。文中重點研究繞線平臺的控制系統部分[7]，繞線平臺的控制系統的結構設計如圖6所示。

圖6 控制系統結構設計

2 伺服控制系統設計

2.1 伺服驅動器和伺服電機的選型

繞線平臺在工作時采用脈沖控制方式，且繞線平臺整體的負載較大，需要選用大慣量的電機[8]并且對精度和穩定性也有一定要求[9]。

故研選松下MBDLN25SE型伺服驅動器、松下MHMF042L1V2M型電機，伺服電機主要參數如表1所示。

表1 伺服電機主要參數

2.2 伺服驅動器的參數設置

松下MBDLN25SE型驅動器需要根據實際工況進行參數設置[10]。伺服驅動器參數設置主要包括旋轉方向、脈沖輸入選擇、電機旋轉1圈的脈沖數、閉環增益等。根據繞線平臺的實際工況條件，設定的參數值如表2所示。

表2 伺服驅動器參數

3 PLC控制設計

3.1 PLC選型與接線

當伺服驅動器接收到脈沖信號時，控制伺服電機旋轉相應的圈數，這樣可使繞線平臺的運動機構達到較高的精度水平，能夠滿足繞線平臺控制系統的需求，故選用的PLC必須擁有脈沖輸出功能。除此之外，所選用的PLC需要至少擁有18個輸入信號端口和23個輸出信號端口，其中包括6個限位傳感器輸入信號、3個原點傳感器輸入信號、5個伺服驅動器報警信號以及開始、急停、復位、手動運行4個開關輸入信號；1個手自動指示燈輸出信號、2個氣缸控制輸出信號、5個報警清除輸出信號、5個伺服驅動器的使能輸出信號以及10個脈沖輸出信號。

因此，繞線平臺研選信捷XD3-48T-E型PLC。信捷XD3-48T-E型PLC擁有24個輸入和24個輸出端口，采用低電平方式輸出，信號比較穩定，滿足了繞線機實際工況需求[11]。

在繞線平臺中，PLC需要控制4個軸，包括執行位置命令的X、Y、Z軸以及執行旋轉命令的R軸。PLC通過電纜與伺服驅動器的X4口相連，通過對伺服驅動器發送脈沖信號和脈沖方向信號來控制各個電機。繞線平臺的伺服驅動器與PLC接線如圖7所示。

圖7 繞線機伺服驅動器與PLC接線

3.2 PLC的I/O分配

根據繞線機系統的設計需求，PLC的I/O分配如表3所示。

表3 PLC的I/O分配

3.3 PLC編程

在XDPPro環境下編寫PLC的控制程序，PLC程序用梯形圖編寫，采用邏輯和順序控制[12]。繞線平臺的PLC程序主要包括了系統的復位和繞線兩個部分。編寫的PLC程序中S0～S99段控制繞線機系統的復位，S100～S299段控制繞線機整個繞線動作。繞線機系統啟、停及復位的控制程序段如圖8所示。

圖8 繞線機系統啟停段PLC程序

繞線平臺在繞線過程中需要判斷是否完成了網絡變壓器單邊針腳繞線以及是否完成整個網絡變壓器針腳繞線，對應功能的PLC程序段如圖9所示。

圖9 繞線機系統針腳判斷的PLC程序

網絡變壓器繞線時，不同的針腳繞線方向以及繞線圈數均不同。信捷PLC的C語言模塊專門用于復雜計算程序的編寫，利用二進制編碼法解決繞線時不同針腳繞線方向和圈數不同的問題，在XDPPro環境下編寫C程序再通過梯形圖直接調用[13]。編寫的C程序如圖10所示。

圖10 控制繞線圈數、方向的C程序

4 人機界面設計與實物驗證

4.1 人機界面設計

設計人機界面能給操作人員帶來極大方便、提高效率，也能減輕后續程序調試修改的工作量。此系統選用信捷TG-MT型觸摸屏開發人機界面。信捷TG-MT型觸摸屏使用TouchWin軟件完成人機界面設置。通過將PLC內部的特殊寄存器設置給TG-MT型觸摸屏來完成控制功能，窗口可視化的人機界面能極大地提高系統的可操作性[14-15]。人機界面如圖11所示。

圖11 人機界面

4.2 實物驗證

對網絡變壓器繞線平臺進行驗證性實驗，搭建的繞線平臺如圖12所示。

圖12 繞線機平臺實物

驗證之前先檢查各個硬件的線路連接是否正確，再設置好各類硬件的初始參數。啟動繞線平臺后先進行復位，再將其調整到手動操作模式，在手動模式下每給出一個動作信號繞線機進行一個繞線動作，手動模式檢驗無誤后轉換為自動工作模式，系統將自動完成網絡變壓器的整個繞線過程。表4為不同時間下，測試繞線機的實際生產效率。

表4 不同時間下繞線機生產數據

由表4可看出：繞線平臺平均每小時繞線個數維持在120～130個，在單位時間內產品合格率最高為97.6%，最低為96.2%，平均繞線合格率為96.7%。相較于傳統的人工繞線方式，單位時間內的生產效率提高了3～4倍。由此可知：繞線平臺的工作效率以及產品合格率都較高，說明繞線平臺的結構設計和硬件選型合理。

5 結論

基于PLC控制的網絡變壓器自動繞線機系統具有穩定性好、操作簡單的特點。采用PLC控制使得繞線機系統具有一定的自動化程度，同時PLC與上位機能夠通過串口保持實時通信，使得繞線機系統具有較好的抗干擾性。經實驗驗證：繞線機生產效率為120～130個/h，產品合格率在96%以上。相比于傳統的人工繞線方式效率更高，滿足工業生產要求。

下一步將采用多繞線頭設計，PLC控制多個繞線頭同時對多個網絡變壓器針腳進行繞線，將極大提高生產效率，以滿足更高的工業生產需求。