基于PLC和觸摸屏技術(shù)的儀表指針壓裝控制系統(tǒng)

譚順學(xué)，鄧其貴，藍偉銘，李楊，蒙飚

(柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，廣西 柳州 545006)

0 引言

在深入調(diào)查與分析現(xiàn)階段汽車儀表生產(chǎn)和裝配企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及工藝基本特點和要求的基礎(chǔ)上，我們看到現(xiàn)行的汽車儀表指針壓裝過程中存在壓力不能實時檢測、壓裝間隙不能精確控制、壓裝位置點不靈活、不能適用于多種車型儀表生產(chǎn)等問題，因而設(shè)計與制作本儀表指針壓裝控制系統(tǒng)以解決以上問題是重要的和必要的。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)由協(xié)調(diào)管理級、控制級、執(zhí)行級組成3級控制架構(gòu)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

執(zhí)行級是控制結(jié)構(gòu)的最底層，主要包括模擬量信號采集單元(由壓力傳感器、電流傳感器)、數(shù)字量輸入輸出單元(由限位開關(guān)、按鈕、指示燈、蜂鳴器、伺服驅(qū)動器組成)、脈沖信號采集與處理單元、高速脈沖輸出單元[1－2]、伺服運動系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)(由兩個不同行程的氣缸組成)和各種傳感器，它是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部分;控制級是3級控制結(jié)構(gòu)的中間層，主要包括PLC主機、模擬量模塊和通信模塊等，它可以完成執(zhí)行級中各設(shè)備間的控制，并可以將執(zhí)行級的數(shù)據(jù)上傳到協(xié)調(diào)管理級，它是連接執(zhí)行級和協(xié)調(diào)管理級的橋梁;協(xié)調(diào)管理級是人機界面的觸摸屏，它可以完成對系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)控、輸入輸出參數(shù)的監(jiān)控與設(shè)定、設(shè)備故障報警等。采用3級控制架構(gòu)的控制方式可以提高系統(tǒng)的診斷效果和穩(wěn)定性，降低出錯率，從而對系統(tǒng)設(shè)備的平穩(wěn)運行產(chǎn)生積極作用。

2 控制系統(tǒng)功能

如圖1所示控制系統(tǒng)功能由7個功能模塊組成，現(xiàn)將各個功能模塊的功能作如下說明:模擬量信號采集單元，主要完成對壓裝壓力、儀表上電電流等模擬信號的采集與處理;數(shù)字量輸入輸出單元，主要完成對手動操作面板、行程限位開關(guān)的開關(guān)量的采集，以及對伺服系統(tǒng)啟動停止、氣缸動作、聲光報警元件的輸出等開關(guān)量的控制;脈沖信號采集與處理單元，主要完成來自伺服運動機構(gòu)中的旋轉(zhuǎn)編碼器、測量壓裝行程的光柵尺對XY軸坐標、壓裝行程的輸入脈沖采集，對PLC形成運行距離的反饋[3－4];高速脈沖輸出單元，主要完成對伺服系統(tǒng)的脈沖信號控制，對XY軸兩個方向運動的速度控制;人機界面，主要完成系統(tǒng)的輸入輸出參數(shù)的監(jiān)控與設(shè)定，以及系統(tǒng)運行過程狀態(tài)的監(jiān)控;伺服運動系統(tǒng)，主要完成XY軸兩個方向運行機構(gòu)的驅(qū)動和坐標點坐標值的定位，由兩套伺服驅(qū)動器和交流伺服電機組成[5];氣動系統(tǒng)，主要完成儀表盤支撐平臺的平面移送和壓裝氣缸壓軸的向下壓制。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件由PLC控制程序軟件和人機界面的觸摸屏軟件2部分組成[6－7]。控制系統(tǒng)選用西門子S7－200系列PLC，CPU224，外加EM235模擬量和EM223數(shù)字量擴展模塊作為控制系統(tǒng)的核心，用戶可以很方便地下載程序并實現(xiàn)與觸摸屏的通信。觸摸屏采用10寸彩屏的TCP1062K昆侖通態(tài)MCGS。兩者通過RS－485工業(yè)控制直接通信訪問，主要完成系統(tǒng)的輸入輸出參數(shù)的設(shè)定與控制，以及運行過程狀態(tài)的監(jiān)控。

3.1 PLC控制程序設(shè)計

PLC編程選用西門子公司開發(fā)的V4.0版C編程軟件編輯，本設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，根據(jù)汽車儀表指針自動壓裝控制系統(tǒng)對實際產(chǎn)品生產(chǎn)流程步驟的控制來編寫，程序包括主程序和滿足各種控制功能要求的10個子程序(系統(tǒng)復(fù)位、電流檢測與判斷、手動、調(diào)試、平臺前進、讀取坐標、氣缸XY軸移動、壓裝氣缸下壓、壓力檢測與判斷、多點壓裝判別)組合而成。PLC工作時系統(tǒng)程序首先循環(huán)掃描主程序，主程序先進行數(shù)據(jù)的采集，再判斷是在何種運行模式。如果是在手動運行模式，則按照手動模式運行;如果是在調(diào)試模式運行，則按調(diào)試模式運行，用戶可設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù);如果是選擇在自動運行模式，則通過主程序再調(diào)用各功能模塊化的子相關(guān)程序，完成各種相應(yīng)控制任務(wù)。文章分別以主程序、系統(tǒng)復(fù)位子程序、電流檢測與判斷子程序為例來說明程序的設(shè)計與編寫。并列出PLC輸入(如表1所示)、輸出(如表2所示)端口地址分配表。

表1 PLC輸入地址分配表

表2 PLC輸出地址分配表

系統(tǒng)復(fù)位子程序用于平臺的回位、壓裝氣缸的彈起以及XY軸伺服運行返回至零點，每一個壓裝流程之前必須執(zhí)行這個子程序，當發(fā)生故障或者意外退出都執(zhí)行這個子程序，實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位。系統(tǒng)復(fù)位程序子流程圖如圖2所示。

電流檢測與判斷子程序用于儀表在壓裝前的質(zhì)量檢測，檢測上電瞬間最大電流和上電穩(wěn)態(tài)電流，是后續(xù)流程正常運行的條件。電流檢測與判斷子程序流程圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)復(fù)位流程圖

圖3 電流檢測與判斷流程圖

3.2 觸摸屏界面設(shè)計

系統(tǒng)采用觸摸屏人機接口，可直觀地了解系統(tǒng)運行過程狀況監(jiān)控及各種參數(shù)值設(shè)置。根據(jù)生產(chǎn)流程技術(shù)要求，觸摸屏人機接口控制軟件設(shè)計了如下的6個界面。

主界面:按照實現(xiàn)功能的不同，設(shè)置了登錄監(jiān)控界面、壓制點設(shè)置界面、壓制點存取界面以及壓力歷史曲線界面等分界面的按鈕，通過這些按鈕可進入相應(yīng)的分界面。主界面還設(shè)置了當前時間顯示和退出系統(tǒng)按鈕。

用戶登錄界面:按用戶使用安全要求，設(shè)置了技術(shù)員和操作員等兩個權(quán)限，技術(shù)員登錄后可進行全部的操作和參數(shù)設(shè)置，操作員登陸后只能登錄監(jiān)控界面和壓力歷史曲線界面。

監(jiān)控主界面:按功能和使用要求設(shè)計了壓力值顯示輸出、電流值顯示輸出、壓裝點壓裝的壓力值等相關(guān)參數(shù)的顯示框，這些數(shù)據(jù)實時與PLC鏈接，根據(jù)運行的過程實時顯示。同時設(shè)計了三維動畫運行圖，壓裝氣缸隨著伺服電機的運行位置而做相應(yīng)的動態(tài)變化，可直觀顯示氣缸的運行狀態(tài)。界面上還設(shè)計了報警清除、主界面、壓力歷史曲線界面的切換登錄按鈕，方便界面之間的切換。

壓制點設(shè)置界面:用戶可通過界面設(shè)置系統(tǒng)的基本參數(shù)和運行參數(shù)，比如壓力上下限設(shè)定值，電流設(shè)定值、脈沖速度、壓裝總行程，以及各個壓裝點的壓裝點坐標值、壓力值、壓裝間隙值等參數(shù)，這樣便于用戶對系統(tǒng)的調(diào)試和壓裝的調(diào)整。為了便于調(diào)試，在調(diào)試情況下，隨著操作的進行，實時顯示當前氣缸的XY坐標，便于確定壓裝點的坐標。

壓制點存取配方界面:用戶可通過界面把當前壓裝儀表的壓裝坐標參數(shù)存入內(nèi)存變量，當作配方存儲起來，也可以讀取配方參數(shù)，當做當前壓裝參數(shù)，大大減少更換儀表類型的時間，操作簡捷方便。

壓力歷史曲線界面:用戶可通過界面觀測到一段時間內(nèi)多個儀表壓裝點的最終壓裝的壓力變化曲線圖，借此可以調(diào)整壓裝的速度和節(jié)拍，調(diào)整整批的壓裝廢品率，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。壓力歷史曲線二維圖是通過觸摸屏工具箱中的歷史曲線構(gòu)件建立的，在歷史曲線構(gòu)件的屬性中，設(shè)置曲線標識對應(yīng)的PLC變量，即壓力和電流值，再完成X軸的時間標識參數(shù)設(shè)置，就可實現(xiàn)壓力歷史曲線的界面設(shè)計。

3.3 觸摸屏與PLC數(shù)據(jù)通信設(shè)置

為能實現(xiàn)正常通信，還需要作必要的通信設(shè)置，觸摸屏與PLC都要設(shè)置相同的通信波特率，通信數(shù)據(jù)位位數(shù)、停止位、校驗方式等要相同。觸摸屏與PLC進行實時數(shù)據(jù)通信，除了連接好通信接口電纜以及設(shè)置好通信參數(shù)以外，必須在觸摸屏的設(shè)備編輯窗口中，建立連接變量，這些變量與PLC中的Q、I、M、V等區(qū)的變量一一對應(yīng)[8]，其中Q、I區(qū)的變量設(shè)置為只讀，M、V區(qū)的變量可根據(jù)實際的監(jiān)控方式靈活設(shè)置為讀寫、只讀或者只寫等方式，觸摸屏與PLC數(shù)據(jù)通信通道具體的設(shè)置方法如圖4所示。

圖4 觸摸屏與PLC數(shù)據(jù)通信通道圖

4 結(jié)束語

本設(shè)計采用PLC和觸摸屏做為控制系統(tǒng)核心進行具體設(shè)計與開發(fā)，解決了目前汽車儀表指針壓裝中存在的缺陷，達到了壓裝壓力精確度準確、壓裝間隙精度精確、快速壓裝、多點同時壓裝、靈活坐標點壓裝、適用于不同車型儀表的目的。目前該系統(tǒng)已形成實際產(chǎn)品并投入到廣西柳州市某汽車儀表裝配生產(chǎn)廠運行[9]。經(jīng)實際生產(chǎn)實踐證明，該系統(tǒng)運行平穩(wěn)，有很好的柔性控制，現(xiàn)場評價良好，完全達到了當前汽車儀表裝配企業(yè)的裝配生產(chǎn)設(shè)計要求。文章中所介紹的系統(tǒng)設(shè)計已獲得實用新型專利(專利號:ZL201220346811.3)。

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