基于觸摸屏和PLC的產(chǎn)品厚度合格率檢測系統(tǒng)設計

孫春虎，方愿捷

巢湖學院電子工程學院，安徽巢湖,238000

當前的產(chǎn)品厚度合格率檢測系統(tǒng)雖能實現(xiàn)基本的厚度檢測功能,但仍存在以下三方面的不足[1-3]。第一，產(chǎn)品的厚度檢測精度不夠高，普遍的在1 mm以上，無法實現(xiàn)0.1 mm及更高精度的測量。第二，由于產(chǎn)品每次檢測時，傳送帶都要停頓一下，因此會降低系統(tǒng)的檢測效率。第三，系統(tǒng)交互性不足，不能提供較好的厚度和合格率等信息的顯示以及合格產(chǎn)品參數(shù)的設定。采用工業(yè)級高精度激光測距傳感器，可以實現(xiàn)高精度的厚度在線測量；借助觸摸屏不僅能很好的顯示產(chǎn)品厚度和合格率等信息，還可以進行合格產(chǎn)品參數(shù)的設定；利用PLC可以很方便地對檢測系統(tǒng)進行控制。為此，本系統(tǒng)基于激光測距傳感器、觸摸屏和PLC設計了一款產(chǎn)品厚度合格率檢測系統(tǒng)。

1 厚度合格率檢測系統(tǒng)控制要求

控制要滿足以下三個基本要求。(1)產(chǎn)品的厚度檢測精度要達到0.1 mm，傳感器測量范圍要大于200 mm。(2)要求能對傳送帶速度進行精確控制，傳送帶不能停頓，實現(xiàn)厚度在線測量。(3)通過觸摸屏顯示產(chǎn)品厚度和合格率等信息，還可以進行合格產(chǎn)品參數(shù)的設定。

2 系統(tǒng)總體設計圖

系統(tǒng)總體設計如圖1所示，工業(yè)激光傳感器安裝位置比物件A高，確保物件A傳送到激光傳感器正下方時，能處于激光傳感器的檢測范圍內(nèi)；物件A放在載物臺上，通過軸進行傳送，每個軸的兩端為鏈輪通過鏈條連在一起；接近開關的位置要比載物臺高點但又比物件A低點，確保始終能檢測到物件；PLC通過變頻器控制電機的速度，以適應不同長度的物件；PLC與工業(yè)激光傳感器進行RS485通信，進行報文的收發(fā)；觸摸屏用于厚度參數(shù)顯示與設定、電機調(diào)速控制和合格率參數(shù)的顯示[4]。

圖1 系統(tǒng)總體設計圖

2.1 厚度測量原理

當物件A傳送到接近開關位置時，接近開關的常開觸點會閉合，一直到物件A離開接近開關。這樣PLC的輸入口會產(chǎn)生1次上升沿信號，從而啟動PLC發(fā)送1次測量厚度的報文命令通過RS485通信口給工業(yè)激光傳感器。激光傳感器會測量1次到物件A的距離值，然后將該距離值通過報文的形式應答給PLC。PLC解析報文信息，從而提取出距離的數(shù)字量，進而計算出激光傳感器到物件的距離[5]，假設為S。

激光傳感器到載物臺的距離為固定值，假設為H0，那么物件A的厚度d將為：

d=H0-S

(1)

2.2 PLC與激光傳感器通信報文格式

激光傳感器選用的型號為FT50RLA-220-S1L8，該傳感器分辨率為0.1 mm，工作距離為80～300 mm，滿足控制要求，并且該模塊帶有RS485口，支持Modbus-RTU通信[6]。PLC選用國產(chǎn)ZK2N-32MT工控板[7]，PLC與激光傳感器接線見圖2。

圖2 PLC與激光傳感器接線圖

PLC與FT50RLA-220-S1L8通信時，波特率為38400bit/s，無奇偶校驗位，8位數(shù)據(jù)長度，1位停止位，數(shù)據(jù)傳送的位數(shù)為8位(M8161得電)，假設激光傳感器地址為1，讀取距離測量值時，PLC端發(fā)送的請求報文格式如表1所示。

表1 PLC端發(fā)送報文格式

第1字節(jié)為激光傳感器的地址，地址可設為1～127，對應的地址代碼為H81～HFF；第2字節(jié)為指令長度，表示共幾個字節(jié)；第3字節(jié)為命令代碼，如讀取距離測量值命令代碼為H41；第4字節(jié)為校驗和，即將前3個字節(jié)內(nèi)容進行異或運算并將最高位置0。

依據(jù)表1，PLC端應發(fā)送的報文如表2所示。

表2 PLC端發(fā)送的報文

激光傳感器測量距離值后向PLC端發(fā)送的應答報文格式如表3所示。

表3 傳感器發(fā)送的應答報文格式

第1字節(jié)地址通常為H81；第2字節(jié)長度通常為H06；第3字節(jié)的命令通常為H59；第6字節(jié)為前5個字節(jié)的校驗和；第4、5字節(jié)中的內(nèi)容含有12位的距離S的采樣值，內(nèi)容格式通常如表4所示。

表4 第4、5字節(jié)內(nèi)容格式

由表4可知，12位距離S采樣值的高6位在字節(jié)4的D5～D0位，低6位在字節(jié)5的D5～D0位。

2.3 厚度的計算

假設PLC接收的字節(jié)4、5存儲在D200、D201單元，那么可計算出高6位的距離S采樣值為：

高6位采樣值=(D200)&&(H003F)×64

(2)

低6位的距離S采樣值為：

低6位采樣值=(D201)&&(H003F)

(3)

那么12位距離S采樣值為：

12位采樣值=高6位值+低6位值

(4)

而激光傳感器的檢測距離S和12位距離采樣值成正比，當檢測距離S為80 mm時，距離采樣值為4095，當檢測距離S為300 mm時，距離采樣值為0。假設12位距離S采樣值用D表示，那么變量S與變量D的數(shù)學關系可表示為：

(5)

結合公式(1)、(5)，即可求出厚度d為：

(6)

若d值在設定的合格物件厚度范圍內(nèi)時，為合格產(chǎn)品，將檢測的產(chǎn)品總數(shù)加1，合格產(chǎn)品數(shù)量加1，合格率重新計算1次；若d值不在設定的合格物件厚度范圍內(nèi)時，為不合格產(chǎn)品，將檢測的產(chǎn)品總數(shù)加1，不合格產(chǎn)品數(shù)量加1，合格率重新計算1次。

2.4 變頻器控制電路

變頻器采用了施耐德的HXB8000系列變頻器，其PLC控制電路如圖3所示，當觸摸屏輸入頻率并按下啟動按鈕后，變頻器就會輸出指定的頻率正轉。通過改變輸入頻率，即可對電機進行變頻調(diào)速[8]。

圖3 變頻器HXB8000的PLC控制電路

如圖3所示，PLC的Y0口控制變頻器的FWD口，實現(xiàn)電機和傳送軸的正轉，從而帶動載物臺右行；PLC的DA0+、DA0-口接變頻器的VI、GND口，以實現(xiàn)頻率給定；DA0通道量程設為0～4 000，那么待轉換數(shù)字量與模擬輸出電壓間關系為：0～4 000對應0～10 V，而變頻器輸入電壓與輸出頻率間關系為：0～10 V對應0～50 Hz，因此給DA0通道不同的數(shù)字量，變頻器就會輸出不同的頻率。

3 PLC程序設計

PLC程序設計主要包括電機變頻調(diào)速控制程序設計、PLC發(fā)送命令報文程序設計和PLC處理應答報文程序設計三部分[9]。

3.1 電機變頻調(diào)速控制程序設計

電機變頻調(diào)速控制程序如圖4所示，第1、2行指令用于設置DA通道的量程范圍，存于D7、D8中；第3、4行指令用于計算給定頻率值(D0、D1)對應的數(shù)字量值(D4、D5)，兩者均為浮點數(shù)；第5行指令用于將浮點數(shù)(D4、D5)轉換為16位正整數(shù)值D6；第6行指令的功能為根據(jù)量程D7、D8，將數(shù)字量D6轉換為模擬電壓通過DA0通道輸出，從而控制變頻器，實現(xiàn)對電機的變頻調(diào)速控制。

圖4 電機變頻調(diào)速控制程序

3.2 PLC發(fā)送命令報文程序設計

PLC發(fā)送命令報文程序如圖5所示，第1行指令使線圈M8161一直得電，從而使數(shù)據(jù)傳送的位數(shù)設為8位；第2行指令通過通信參數(shù)控制字D8120，將波特率設為38400bit/s、采用RS自由通信協(xié)議、無奇偶校驗位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位；第3行指令將D100～D103設為命令報文發(fā)送區(qū)，將D197～D202設為應答報文接收區(qū)；第4～7存放待發(fā)送的命令報文；第8行M8122置1，從而使能報文數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送結束后，M8122自動復位。

圖5 PLC發(fā)送命令報文程序

3.3 PLC處理應答報文程序設計

PLC處理應答報文程序如圖6所示，第1、2行指令用于提取距離采樣值的高6位數(shù)據(jù)，并計算出高6位值；第3行指令用于提取距離采樣值的低6位數(shù)據(jù)，并計算出低6位值；第4行指令用于計算出12位距離采樣值；第5～7行用于計算出檢測距離S，并存于(D219、D220)中；第8行指令用于計算出厚度d，并存于(D223、D224)中，其中(D221、D222)存放的為(H0-300)的值。

圖6 PLC處理應答報文程序

4 觸摸屏界面設計

觸摸屏采用中達優(yōu)控公司的YKHMI觸摸屏，型號為S700A，根據(jù)硬件系統(tǒng)和PLC程序，所設計的系統(tǒng)觸摸屏界面如圖7所示[10]。

圖7 系統(tǒng)觸摸屏界面

該產(chǎn)品厚度合格率檢測系統(tǒng)的界面由三部分組成。第1部分為電機控制部分，頻率輸入為32位浮點數(shù)，寫到PLC的(D0、D1)中，啟動和停止長動按鈕控制Y0回路的通斷，從而實現(xiàn)電機的正轉和停止；第2部分為厚度參數(shù)顯示部分，可以輸入(H0-300)的值(D221、D222)、零件厚度的下限值(D30、D31)、零件厚度的上限值(D40、D41)以及當前厚度值d(D223、D224)的顯示；第3部分為產(chǎn)品合格率顯示部分，可以顯示產(chǎn)品總數(shù)(D20)、合格產(chǎn)品數(shù)(D21)、不合格產(chǎn)品數(shù)(D22)以及合格率(D23、D24)，計數(shù)清零點動按鈕用于清零D20～D28計數(shù)值。

5 實 驗

系統(tǒng)實驗平臺如圖8所示。系統(tǒng)實驗主要包括PLC工控板、24 V開關電源、觸摸屏、激光傳感器、測厚度傳感器和多塊10 mm厚度木塊。產(chǎn)品厚度的下限、上限值分別為15 mm、85 mm，依次測量1到10塊木塊的厚度值并顯示。

圖8 系統(tǒng)實驗平臺

當系統(tǒng)進行第5次木塊厚度測量時，系統(tǒng)運行結果如圖9所示。

圖9 第5次測量時，系統(tǒng)運行結果

系統(tǒng)在進行第5次測量時，觸摸屏顯示結果如圖10所示。

圖10 第5次測量時，觸摸屏顯示結果

由于前5次測量，木塊的給定厚度值依次為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm，而設置的產(chǎn)品合格厚度值范圍為15 mm～85 mm，因此合格產(chǎn)品數(shù)為4，合格率為80%，與圖9測量結果相吻合，第5次測量后，當前厚度值為50.2 mm，而理論厚度值為50 mm，測量誤差為0.4%，厚度誤差極小，測量精度高。

當系統(tǒng)進行第10次木塊厚度測量時，系統(tǒng)運行結果如圖11所示。

圖11 第10次測量時，系統(tǒng)運行結果

系統(tǒng)在進行第10次測量時，觸摸屏顯示結果如圖12所示。

同理，前10次測量，木塊的給定厚度值依次為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm、90 mm、100 mm，而設置的產(chǎn)品合格厚度值范圍為15～85 mm，因此合格產(chǎn)品數(shù)將為7，合格率為70%，與圖10測量結果相吻合，第10次測量后，當前厚度值為99.7 mm，而理論厚度值100 mm，測量誤差為0.3%，厚度誤差仍極小，測量精度仍很高。

6 結 論

本文基于觸摸屏和PLC設計了一款產(chǎn)品厚度檢測系統(tǒng)，檢測精度能達到0.1 mm，測量范圍為220 mm；系統(tǒng)能對傳送帶速度進行精確的調(diào)速控制，實現(xiàn)了產(chǎn)品厚度的無停頓在線測量，從而提高了檢測效率；通過觸摸屏可以簡潔方便地對電機速度、產(chǎn)品厚度、產(chǎn)品合格率等信息進行監(jiān)控，為工業(yè)領域提供了一種高效、快速的產(chǎn)品厚度、合格率檢測方法。