基于PLC與組態(tài)軟件的自動涂膠機(jī)的研制

王豐，彭志輝，李峰平

（1. 浙江省激光加工機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江溫州，325035）2. 溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江溫州，325035）

基于PLC與組態(tài)軟件的自動涂膠機(jī)的研制

王豐1,2，彭志輝1,2，李峰平1,2

（1. 浙江省激光加工機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江溫州，325035）2. 溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江溫州，325035）

為了提高涂膠效率和涂膠厚度的一致性，根據(jù)涂膠板運(yùn)動速度和涂膠速度互相匹配的控制要求，設(shè)計(jì)了基于PLC和組態(tài)軟件控制的自動涂膠系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用兩級控制方式，上位機(jī)由觸摸屏和組態(tài)監(jiān)控軟件組成，實(shí)現(xiàn)涂膠過程監(jiān)控，包括涂膠參數(shù)設(shè)定、涂膠過程的顯示以及非正常操作報(bào)警等；下位機(jī)采用三菱FX1S-30MT-001可編程PLC，實(shí)現(xiàn)涂膠機(jī)涂膠參數(shù)采集和涂膠板的運(yùn)動控制，利用RS232/485串口通訊方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通訊。系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際操作驗(yàn)證：運(yùn)動控制滿足涂膠要求，提高了涂膠效率和質(zhì)量。

涂膠機(jī)；伺服控制系統(tǒng)；組態(tài)軟件；PLC

引言

隨著人力成本的不斷增加，手工涂膠質(zhì)量不穩(wěn)定問題的日益凸顯，手工涂膠越來越不能滿足人們追求更高的要求，尤其在某些制造精度較高的場合，手工涂膠的質(zhì)量幾乎無法達(dá)到要求，所以隨著市場競爭的日趨激烈，手工涂膠機(jī)必定不斷向著自動化、集成化、智能化方向發(fā)展。為此，有些企業(yè)選擇了機(jī)器人。機(jī)器人智能集成化高，具有柔性的自動化涂膠手段，但價(jià)格昂貴，不但一次性投資大，后期還需要較高的專業(yè)人員維護(hù)保養(yǎng)，特別在調(diào)試初期，有時(shí)一小段膠型需要調(diào)試人員花大量時(shí)間，反復(fù)的示教、修改參數(shù)才能完成，同時(shí)機(jī)器人的使用維護(hù)費(fèi)用也相當(dāng)高［1，2］。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要采用自由度高、動作精確靈活的機(jī)器人來完成的工作占很小部分，很大一部分工作只要采用專用的自動化機(jī)械設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)專用的自動化設(shè)備投資少、效率高，往往給企業(yè)帶來更多的利益回報(bào)，自動涂膠機(jī)就是基于這種分析而研制的。

1 自動涂膠機(jī)工作原理與控制功能

1.1工作原理

本涂膠機(jī)專用于汽車尾部零件氧化鋯涂膠，主要由控制柜、工作臺、控制系統(tǒng)3部分組成，主要實(shí)現(xiàn)水平方向移動涂膠，其運(yùn)動要求使得載有涂膠導(dǎo)流板的電控移動導(dǎo)軌在X方向水平勻速移動，同時(shí)需Y方向的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動氣缸活塞缸體做均勻擠壓氧化鋯膠體的下料運(yùn)動。在涂膠板行程末端和氣缸體末端均需設(shè)定行程開關(guān)來進(jìn)行控制電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)涂膠作業(yè)。如圖1所示。

圖1　自動涂膠機(jī)工作臺原理

1.2控制功能

本涂膠機(jī)設(shè)計(jì)有以下控制功能：①涂膠速度控制功能，根據(jù)氧化鋯膠體輸出流量大小，通過PLC輸出脈沖頻率調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證涂膠均勻和設(shè)備的可實(shí)用性；②自動復(fù)位功能，根據(jù)用戶需要或在設(shè)備重啟時(shí)自動進(jìn)行復(fù)位；③工件加緊定位功能，通過PLC輸出控制電磁閥換向使氣缸加緊工件，通過計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)動圈數(shù)和絲杠螺紋距確定涂膠嘴所在坐標(biāo)；④報(bào)警功能，防止誤操作造成設(shè)備或人員受傷，能夠自動彈出報(bào)警窗口及其報(bào)警內(nèi)容，例如對X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)的非正常操作報(bào)警等；⑤觸摸屏操作顯示界面功能，可以自主選擇或輸入涂膠方案，實(shí)時(shí)顯示涂膠狀態(tài)，實(shí)際操作便捷。

2 控制系統(tǒng)與算法設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC可編程控制技術(shù)和MCGS組態(tài)控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域，近年來在自動化領(lǐng)域應(yīng)用得越來越普遍［3-7］。本涂膠系統(tǒng)利用PLC可編程控制技術(shù)和MCGS組態(tài)控制技術(shù)，采用電機(jī)絲杠傳動結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對工件的涂膠作業(yè)。系統(tǒng)主要分上位機(jī)控制系統(tǒng)和下位機(jī)控制系統(tǒng)。上位機(jī)控制系統(tǒng)由觸摸屏和基于MCGS的監(jiān)控系統(tǒng)組成，用于人機(jī)交互功能，包括用戶管理、系統(tǒng)主界面、報(bào)警界面等；下位機(jī)控制系統(tǒng)由三菱PLC、PLC 控制程序以及其他元器件（包括流量傳感器、氣缸、繼電器、電機(jī)絲杠等）組成，負(fù)責(zé)執(zhí)行上位機(jī)任務(wù)。自動涂膠機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　涂膠機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2.2涂膠過程PID算法控制

為保證氧化鋯膠體在工件涂膠過程中涂膠均勻，本系統(tǒng)在氧化鋯膠體出口處安裝了流量傳感器，實(shí)時(shí)檢測流量輸出大小并反饋回PLC，形成一條閉環(huán)控制回路。由于涂膠嘴在X軸上移動速度與氧化鋯的輸出流量呈線性關(guān)系：

v=KQ （1）

由式（1）知，涂膠嘴在X軸上移動速度隨氧化鋯的輸出流量增大而增大，反之減小，呈線性關(guān)系。因此，通過PID算法就可以獲得較好的效果。PID控制原理圖如圖3所示。

圖3　PID控制原理圖

根據(jù)實(shí)際需要（膠體流速、涂膠厚度等），在設(shè)備調(diào)試環(huán)節(jié)人為確定好系數(shù)K，然后利用式（1）計(jì)算出實(shí)際的v（t），與系統(tǒng)設(shè)定r（t）比較與作差，求得偏差e（t）：e（t）=r（t）-v（t） （2）

偏差e（t）作為PID算法的輸入，u（t）作為PID算法的輸出，其控制規(guī)律為：式中： Kp——比例系數(shù)； T1——積分常數(shù)； Td——微分常數(shù)。由于PLC是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進(jìn)行連續(xù)控制。由于這一特點(diǎn)，式（3）中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。離散后的PID表達(dá)式為式中 k——采樣序號，k=0，1，2，…；uk——第 次采樣時(shí)刻的控制器輸出值； ek——第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； KP，KI，KD參數(shù)可根據(jù)實(shí)際設(shè)備采用人工整定方法“鄰界比例法”確定?；赑ID算法的PLC程序框圖如圖4所示。

圖4　PID算法的PLC程序框圖

最后將u（k）通過PLC程序上的轉(zhuǎn)化，變成步進(jìn)電機(jī)的輸入，達(dá)到根據(jù)氧化鋯膠體輸出流量大小，自動調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出，使涂膠達(dá)到均勻的效果。

3 涂膠機(jī)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括PLC、觸摸屏以及其他元器件的選擇和控制電路的設(shè)計(jì)。其中，對于PLC的選擇，我們根據(jù)系統(tǒng)I/O端口實(shí)際需要（根據(jù)統(tǒng)計(jì)：需要16個(gè)數(shù)字量輸入端，14個(gè)數(shù)字量輸出端口），同時(shí)為保證滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，留取一定余量為后期功能擴(kuò)展，選擇三菱FX-30MT-001型號PLC。對于觸摸屏的選擇，我們根據(jù)涂膠機(jī)控制設(shè)計(jì)要求及實(shí)際生產(chǎn)成本，并且顧及觸摸屏要與MCGS組態(tài)軟件相兼容，采用TPC7062KS嵌入式觸摸屏，通過RS485/RS232口與PLC進(jìn)行通訊，電源采用廠家規(guī)定的24V直流電源單獨(dú)供電。行程開關(guān)采用STDELE的AZ-7121型號行程開關(guān)等。涂膠機(jī)系統(tǒng)硬件與PLC連線原理圖如圖5所示。

圖5　涂膠機(jī)系統(tǒng)硬件原理圖

4 涂膠機(jī)軟件設(shè)計(jì)

4.1PLC程序設(shè)計(jì)

PLC梯形圖程序編寫方法具有直觀、簡單、易懂等特點(diǎn)。本系統(tǒng)PLC程序采用梯形圖編寫，通過三菱公司提供的GX-developer軟件在計(jì)算機(jī)上完成，然后通過三菱專用傳輸電纜下載到PLC中。PLC程序設(shè)計(jì)是整個(gè)涂膠機(jī)控制系統(tǒng)的核心，其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6　PLC程序流程圖

4.2監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

4.2.1監(jiān)控主界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控主界面內(nèi)容包括實(shí)時(shí)涂膠狀態(tài)信息顯示、啟停按鈕控制、復(fù)位按鈕控制以及故障信息顯示等。涂膠方案信息能進(jìn)行對涂膠速度、涂膠次數(shù)的選擇與編輯；啟停按鈕控制可以對步進(jìn)電機(jī)、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)行立即啟動或停止控制；實(shí)時(shí)涂膠狀態(tài)信息顯示可以實(shí)現(xiàn)X軸移動距離、Y軸移動距離、運(yùn)行時(shí)間、涂膠完成個(gè)數(shù)等的實(shí)時(shí)顯示。其監(jiān)控自動界面如圖7所示。

圖7　監(jiān)控軟件主界面

4.2.2基于組合設(shè)計(jì)的“涂膠方案”功能組態(tài)

所謂組合是同一類數(shù)據(jù)的集合，如機(jī)器生產(chǎn)數(shù)據(jù)或參數(shù)設(shè)置。本系統(tǒng)將涂膠方案作為組合，涂膠方案的一系列參數(shù)信息作為“組合成員”，主要包括各個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動速度和工件的涂膠次數(shù)。用戶先在涂膠方案界面建立常用的涂膠參數(shù)，下次涂膠工作時(shí)可直接進(jìn)行選擇，操作更加簡便，如圖8所示。

圖8　涂膠方案選擇界面

4.2.3系統(tǒng)報(bào)警提示功能模塊

報(bào)警功能不僅可以提示用戶當(dāng)前故障信息，而且可以防止由于不當(dāng)操作產(chǎn)生的不良后果，是監(jiān)控軟件必不可少的功能。本系統(tǒng)主要包括X軸步進(jìn)電機(jī)的左右調(diào)節(jié)限位報(bào)警，Y軸步進(jìn)電機(jī)的上下調(diào)節(jié)限位報(bào)警以及電機(jī)非正常啟動報(bào)警。要求報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)會自動彈出報(bào)警窗口并顯示可能報(bào)警原因。以涂膠嘴X軸方向運(yùn)動非正常操作報(bào)警為例，通過編寫腳本程序控制報(bào)警及其窗口的自動彈出，報(bào)警窗口如圖9所示，其腳本程序舉例如下：

IF SB定位缸1=1 或 SB定位缸2=1 THEN

SBX軸電機(jī)前移=0

SBX軸電機(jī)后移=0

！OpenSubWnd（非正常操作報(bào)警窗口，250，100，335，150，0）

ENDIF

圖9　涂膠嘴在X軸非正常操作下的報(bào)警窗口

5 結(jié)論

（1）基于PLC與MCGS組態(tài)軟件控制方式的自動涂膠機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了涂膠機(jī)X軸、Y軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)以及涂膠次數(shù)數(shù)據(jù)的采集與顯示；通過觸摸屏和MCGS組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了涂膠參數(shù)、X軸移動距離、Y軸移動距離等顯示。

（2）經(jīng)實(shí)際操作驗(yàn)證，涂膠機(jī)各控制部件能夠按照設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)預(yù)定動作；能準(zhǔn)確設(shè)定涂膠參數(shù)和顯示涂膠狀態(tài)；軟件運(yùn)行可靠、人機(jī)界面友好、操作方便，提高了涂膠的效率和質(zhì)量，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性。

國家國際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目（0S2012ZR0038）、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （71101112）。

［1］王吉芳， 郭桂蘭， 王錫俊. 自動涂膠機(jī)的研制［J］. 制造業(yè)自動化，2001， 23（6）: 43-45.

［2］趙菁菁. 基于SCARA機(jī)器人的自動涂膠系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］. 黑龍江:東北石油大學(xué)， 2012.

［3］楊志方， 孫小兵， 彭新顯， 等. 基于PLC的涂膠粘接生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 長江大學(xué)學(xué)報(bào): 自然版， 2014（9）: 41-43.

［4］汪玉基. 基于PLC自動點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］. 遼寧:東北大學(xué)， 2011.

［5］劉寶志. 步進(jìn)電機(jī)的精確控制方法研究［D］. 山東: 山東大學(xué)， 2010.

［6］聶巍. 步進(jìn)電動機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)研究［D］. 湖北: 武漢理工大學(xué)， 2014.

［7］史敬灼. 步進(jìn)電動機(jī)伺服控制技術(shù)［M］. 北京: 科學(xué)出版社， 2006.

李峰平（1978-），通信作者，男，浙江溫嶺人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事制造系統(tǒng)與自動化工程相關(guān)研究。

E-mail: lfp@wzu.edu.cn。

Design of Control System for Coating Material Machine Based on PLC and Confguration Software

Feng Wang1，2， Zhihui Peng1，2， Fengping Li1，2
（1. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Laser Processing Robot， Wenzhou， Zhejiang， 325035， China；2. College of Mechanical & Electrical Engineering， Wenzhou University， Wenzhou， Zhejiang， 325035， China）

In order to improve the efficiency of coating material， a control system was developed based on PLC and configuration software according to the working principle and control requirements of keep the speed of movement platform correspond with speed of coating. A Two-grade control method was used in the system， the host computer was developed by the touch screen and configuration software to fulfill coating processing monitoring， including the coating parameters setting and displaying， painting program selecting and fault alarming， etc. The lower computer was developed with Mitsubishi FX1S-30MT-001 PLC to control the coating machine and collect the coating parameters， etc. The lower computer was communicated with the host computer through RS232/485 serial port. The system was friendly reliable，which increased automation level and coating efficiency.

Coating Machine； Servo Control System； MCGS； PLC

TQ021.5

A

2095-8412 （2016） 04-783-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.055

王豐（1989-），男，浙江臺州人，學(xué)生，主要從事制造系統(tǒng)與自動化工程相關(guān)研究。

E-mail: 1136653355@qq.com

彭志輝（1980-），男，江西南昌人，講師，主要從事機(jī)電一體化、電力電子技術(shù)研究。

E-mail: pzh_8003@wzu.edu.cn