基于PLC的自動裝配機控制系統的設計與實現

林 豐，何用輝

（福建信息職業技術學院，福建 福州 350003）

在目前很多自動控制系統中，常常選用PLC作為現場控制設備執行控制任務。PLC對現場環境要求不高，使用簡單方便，故障率低，可滿足多領域自動化系統設計和集成的需求[1]。集提取、裝配、輸送等功能于一體的自動裝配機，是生產自動化中不可或缺的環節，深受現代企業的青睞。本文針對合作企業所需一款自動裝配機的要求，研發了采用PLC技術進行控制的自動裝配機控制系統。

1 自動裝配機結構與功能要求

自動裝配機由輸送模塊、提取裝配模塊、配件送料模塊、控制系統等共同組成，數個模塊聯合協調工作，以實現其自動送料、裝配、輸送的任務要求。

自動裝配機的輸送模塊中，通過MM430變頻器驅動三相異步電動機運行，為傳送帶輸送物件提供動力。提取裝配模塊中，利用電磁閥控制氣缸、真空吸盤工作，準確完成半成品物件裝配的任務。通過PLC為核心的控制系統，協調控制整個自動裝配機運行。為了滿足應用場合的需要，自動裝配機功能設置上應有便捷的自動與手動操作功能。同時，控制系統應具有遠程監控的功能，實現自動裝配機運行實時過程監控、數據處理、報警管理等監控功能。

2 控制系統的總體結構

自動裝配機控制系統采用上、下位機組織結構，控制系統通過PPI協議實現現場控制與遠程管理的運行模式。上位監控計算機，實時監控整個自動裝配機運行狀態、查詢管理數據信息。下位的西門子S7-200系列的PLC，是整個控制系統的樞紐，實時采集過程數據，通過西門子PC/PPI電纜，實現與上位監控計算機互換數據信息；其將上位監控計算機調度指令信息分解，直接控制現場輸出設備（MM430變頻器、電磁閥等）執行相關動作，圖1為自動裝配機控制系統結構示意圖。

圖1 自動裝配機控制系統結構示意圖

3 控制系統控制功能的實現

3.1 控制系統的I/O地址分配

考慮到自動裝配機系統的通用性、可擴展性及其性價比；同時其自身需求PLC的16點輸入和9點輸出的I/O點數，PLC還需預留I/O點數，以適應以后現場擴展需要[2]，故而選用S7-200 CPU 226 CN DC/DC/DC的PLC，就可滿足該控制系統I/O點數的需要。本控制系統具體的I/O分配，如表1所示。

表1 自動裝配機控制系統的I/O地址分配

3.2 自動裝配機系統控制流程設計

自動裝配機采用自動和手動兩種工作模式。在任何一種工作模式中，自動裝配機系統必須處于初始復位狀態，方可允許啟動。自動裝配機系統上電啟動運行，執行復位操作；當有待裝配物件時，輸送模塊中電動機運行，帶動傳送帶輸送待裝配物件，并在指定位置攔截待裝配物件，完成后，傳送帶停止輸送；接著提取裝配模塊相繼進行配件吸取和釋放工作；完成裝配任務后，放行已裝配物件，輸送模塊中電動機運行，直到已裝配物件到達后停止，完成一個工作過程。

具體的控制過程如圖2所示的自動裝配機工藝控制流程圖。

圖2 自動裝配機工藝控制流程圖

3.3 控制系統控制程序設計

本自動裝配機控制程序通過STEP 7–Micro/WIN 4.0編程軟件，進行控制程序設計開發。根據自動裝配機的控制流程圖，及考慮到程序的可維護性，本控制系統采用模塊化的編程思想，設計自動裝配機控制程序，以方便復雜程序的管理與調試。

本控制系統由主程序和子程序兩部分組成。在主程序中，通過調用子程序控制整個系統的運行。本控制程序中有初始化、復位、待裝配物件輸送、提取配件、裝配、已裝配物件輸送、循環判斷等7個子程序組成[3]。由于子程序較多，僅對初始化、待裝配物件輸送、提取配件、裝配、循環判斷等部分子程序進行詳細講解。

（1）初始化子程序。系統上電時，主程序直接調用初始化子程序進行系統初始化。在圖3所示初始化子程序中，SM0.1首次掃描，復位各輸出Q0.0～Q0.6；置位首步S0.0，復位從S0.1開始的其他步；復位停止狀態位M2.0和M0.0～M0.7。

圖3 初始化子程序圖

（2）待裝配物件輸送子程序。主程序中調用待裝配物件輸送子程序，執行待裝配物件的輸送工作。在圖4為裝配物件輸送子程序中，置位M0.5，M0.5導通后Q0.0置位，控制變頻器啟動輸出驅動電動機運行；到達指定位置后，復位Q0.0，使變頻器停止輸出；置位Q0.6，使擺動氣缸轉出執行攔截待裝配物件；為后續的裝配做好前期準備。

圖4 待裝配物件輸送子程序

（3）提取配件和裝配子程序。主程序調用提取配件子程序，用于提取所需的配件。在提取配件子程序中，置位Q0.5，直線氣缸下降、置位Q0.4，使吸盤吸取配件；復位Q0.5，直線氣缸上升；置位Q0.2，導桿氣缸伸出等一系列動作，完成配件提取的動作過程，如圖5（a）所示提取配件子程序。

圖5 提取配件和裝配子程序

主程序調用裝配子程序，主要實現將已經提取的配件準確地裝配到待裝配物件上。置位Q0.5，直線氣缸下降、置位Q0.3，使吸盤釋放配件，完成裝配任務，如圖5（b）所示裝配子程序。

（4）循環判斷子程序。循環判斷子程序，主要是手動模式與自動模式的判斷選擇。當主程序調用循環判斷子程序時，執行運行循環判斷。在該子程序中，當選擇自動模式并且沒有停止信號（I2.3為1，M2.0為0）時，置位M0.2并復位M0.0后，返回到主程序中M0.2的狀態中；當選擇手動模式或者自動模式且有停止信號（I2.3為1，M2.0為1）時，執行單周期的控制任務，置位M0.1并復位M0.0后，返回到主程序M0.1的狀態位中，如圖6所示循環判斷子程序。

圖6 循環判斷子程序

4 自動裝配機組態監控的實現

為了更好對自動裝配機的控制運行，利用組態王6.52軟件，設計制作了自動裝配機的登入界面、監控界面、手動操作界面、故障及報警界面等監控功能界面。登入界面，要求操作者輸入指令登入，以防止系統運行參數被隨意修改。手動操作界面，主要用于設備的調試和應急操作。監控界面，能真實顯示設備的運行狀態。故障及報警界面，對設備產生故障時，實現實時報警[4]。

5 結束語

本文針對西門子S7-200系列PLC提出的自動裝配機控制系統，其結構簡單，可靠性高，易于擴展，能實現對自動裝配機自動化控制，借助組態王組態軟件完成自動裝配機監控設計，實現對自動裝配機的運行過程及運行狀態實時監控。該自動裝配機控制系統目前運行情況良好，利用PLC對該自動裝配機實現了自動控制，大大提高了生產效率和產品品質，經過改進，還可以應用于其他生產線的控制。

[1]黎洪生，李 超，等.基于PLC和組態軟件的分布式監控系統設計與研究[J].武漢理工大學學報，2002，24（3）：27-29.

[2]欒厚寶，胡國清，等.基于PLC的分輪自動裝配機控制系統設計與研究[J].機械制造與自動化，2008，37（6）：145-147.

[3]何用輝.自動化生產線安裝與調試[M].北京：機械工業出版社，2011.

[4]王 芳，何 洋，等.基于PLC和氣動的音圈自動裝配控制系統的研究[J].輕工機械，2006，(9)：100-102.