基于PLC 控制的電子產(chǎn)品智能灌膠機(jī)的研制

王青葉

（天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院<工業(yè)與信息化系>，中國 天津 300400）

0 引言

隨著工業(yè)4.0 逐步展開，社會生產(chǎn)力將實現(xiàn)大幅飛躍， 全球制造業(yè)制造模式正在悄然地發(fā)生變革，中國制造的高端制造已沒優(yōu)勢，低端制造業(yè)流向勞動力成本低國家，這雙重擠壓倒逼中國制造模式變革。 我國智能制造領(lǐng)域相關(guān)扶持政策的相繼出臺為中國制造模式變革提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，隨著智能技術(shù)的出現(xiàn)，智能制造滲透領(lǐng)域正在拓展。 而電子產(chǎn)品生產(chǎn)與制造業(yè)主要面臨著勞動力緊缺、 成本急劇上升、市場需求個性化、技術(shù)與產(chǎn)品的快速更新等問題，這些問題亟待解決。為此，研制出能夠改善工藝、提高質(zhì)量和效率的電子產(chǎn)品灌膠機(jī)能有效改善以上問題、優(yōu)化企業(yè)產(chǎn)值、提高生產(chǎn)效率有著深遠(yuǎn)意義。 本文研制的電子產(chǎn)品智能灌膠機(jī)是基于工業(yè)以太網(wǎng)的PLC 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Smart S7-200PLC 控制灌封膠工藝流程。

1 功能要求

電子產(chǎn)品智能灌封機(jī)要求能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：（1）A/B 兩種膠分別使用兩個泵將其注入儲液罐中，并按照預(yù)設(shè)時間進(jìn)行加熱；（2）A/B 兩種膠按照預(yù)設(shè)的比例注入混合裝置中，預(yù)設(shè)比例可以從1∶1 至1∶10連續(xù)可調(diào)；（3） 混合裝置對注入的A/B 兩種膠進(jìn)行充分的融合和攪拌，之后即可進(jìn)行灌膠，灌膠量可以根據(jù)待灌膠電子產(chǎn)品的體積、面積的不同進(jìn)行調(diào)整；（4）機(jī)械手通過由伺服電機(jī)控制的精確定位系統(tǒng)自動將待灌膠產(chǎn)品送至加工地點(diǎn)；（5）灌膠完成后，產(chǎn)品由機(jī)械手運(yùn)送到實際指定位置后返回；（6） 灌膠系統(tǒng)具有異常報警、保護(hù)等功能，工作安全可靠；（7）具有通信功能，通過可靠的工業(yè)的以太網(wǎng)進(jìn)行通信以提高系統(tǒng)的實時性、準(zhǔn)確性、可靠性等性能，滿足現(xiàn)場工業(yè)要求；（8） 整個系統(tǒng)既可單站工作也可聯(lián)機(jī)工作；（9）使用觸摸屏或者通過生產(chǎn)系統(tǒng)的智能監(jiān)控系統(tǒng)來設(shè)定A/B 兩種膠的加熱時間、 待加工產(chǎn)品的數(shù)量和灌膠量、智能控制灌膠機(jī)的啟停、機(jī)械手的運(yùn)行距離以及加工完畢產(chǎn)品的輸送位置、顯示智能灌膠機(jī)工作情況及報警等相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 整體設(shè)計方案

本文智能灌膠機(jī)的整體方案:該系統(tǒng)整體設(shè)計方案主要由計算機(jī)、工業(yè)交換機(jī)、觸摸屏、主站PLC 和從站PLC 五部分組成，其中計算機(jī)、觸摸屏、主站PLC和從站PLC 均由網(wǎng)線連接到工業(yè)交換機(jī)構(gòu)成工業(yè)以太網(wǎng)通信平臺，各部分功能簡介如下：

（1）計算機(jī)在設(shè)備研發(fā)初期主要用來設(shè)計、調(diào)試主從站的PLC 程序和MCGS 觸摸屏的監(jiān)控程序，設(shè)備正式運(yùn)營之后，計算機(jī)可去掉。

（2）工業(yè)交換機(jī)是計算機(jī)、MCGS 觸摸屏、主站和從站之間的工業(yè)以太網(wǎng)通信通道。

（3）MCGS 觸摸屏主要設(shè)定相關(guān)數(shù)據(jù)、 監(jiān)控灌膠系統(tǒng)的運(yùn)行情況。 通過觸摸屏，可以設(shè)定A/B 兩種膠的加熱時間、待加工產(chǎn)品的數(shù)量和灌膠量等相關(guān)預(yù)設(shè)參數(shù)，還可監(jiān)控設(shè)備運(yùn)營情況。

（4）主站PLC 控制搬運(yùn)機(jī)械手和伺服電機(jī)的精確定位系統(tǒng)，其中機(jī)械手負(fù)責(zé)將待灌膠的電子產(chǎn)品搬運(yùn)到待加工區(qū)域，加工完畢后，將灌膠完畢的電子產(chǎn)品運(yùn)送到指定位置。

（5）從站PLC 控制灌膠機(jī)按照產(chǎn)品的實際控制要求對電子產(chǎn)品進(jìn)行灌膠。

3 電氣控制系統(tǒng)分析與設(shè)計

3.1 主站控制部分的設(shè)計

3.1.1 主站的工作過程分析

電子產(chǎn)品智能灌膠機(jī)的主站控制系統(tǒng)主要控制協(xié)調(diào)機(jī)械手搬運(yùn)將帶加工產(chǎn)品搬運(yùn)到加工區(qū)，待加工站（從站）灌膠完畢之后，將產(chǎn)品搬運(yùn)到指定區(qū)域，同時，它還接收來自觸摸屏的主令信號，讀取網(wǎng)絡(luò)上從站的狀態(tài)信息，加以綜合，向從站發(fā)送控制指令，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)工作。

該單元主要由機(jī)械手裝置、 直線運(yùn)動傳動組件、PLC 和伺服定位組件構(gòu)成。 其工作過程如下：（1）設(shè)備上電，初態(tài)檢查，主要檢查機(jī)械手是否在原位，觸摸屏與主從站之間通信正常等內(nèi)容，這些內(nèi)容工作正常之后，向觸摸屏發(fā)送檢查完畢；（2）當(dāng)接收到按鈕或者來自觸摸屏的啟動信號時，主站開始工作；（3）如果從站的灌膠環(huán)節(jié)已準(zhǔn)備就緒，待加工區(qū)域沒有待灌膠的電子產(chǎn)品，待加工的產(chǎn)品數(shù)量大于1 時，機(jī)械手負(fù)責(zé)將待灌膠的工件搬運(yùn)到待加工區(qū)；（4） 等待從站加工完畢的信號；（5） 當(dāng)接收到從站發(fā)送過加工完畢的信號后，啟動機(jī)械手和伺服定位系統(tǒng)，根據(jù)要求將加工完畢的電子產(chǎn)品運(yùn)送到指定區(qū)域，之后已加工電子產(chǎn)品數(shù)量加 1，并發(fā)送給觸摸屏返回；（6）重復(fù)第（3）步的動作；（7） 當(dāng)接收到停止按鈕或者來自觸摸屏的停止信號時，主站在運(yùn)送完畢之后停止工作；（8）工作過程中，如果發(fā)生不正常的事件，按下急停按鈕，整個系統(tǒng)停止工作。

3.1.2 主站電氣控制部分的設(shè)計

主站的核心器件是PLC， 本系統(tǒng)中選擇S7-200系列的SMART ST40 DC/DC/DC， 這款PLC 支持工業(yè)以太網(wǎng)通信，共有24 點(diǎn)輸入，16 點(diǎn)晶體管輸出。 原點(diǎn)接近開關(guān)選用的是一個無觸點(diǎn)的電感式傳感器，用于定位運(yùn)料小車的起始位置。電感式傳感器是利用電渦流效應(yīng)的原理制作而成，當(dāng)被測金屬物體接近電感線圈時，傳感器產(chǎn)生了渦流效應(yīng)，引起振蕩器振幅或頻率的變化， 由傳感器的信號調(diào)理電路 （包括檢波、放大、整形、輸出等電路)將該變化轉(zhuǎn)換成開關(guān)量輸出，從而達(dá)到檢測目的。 在本系統(tǒng)中，為了檢測運(yùn)料小車（運(yùn)料小車的側(cè)面安裝有金屬部分） 是否達(dá)到起始位置，在起始位置安裝了一個電感式傳感器。 在安裝和選用接近開關(guān)的時候，須認(rèn)真考慮檢測距離、設(shè)定距離，保證傳感器可靠動作。左、右限位開關(guān)均是有觸點(diǎn)的微動開關(guān)，這兩個微動開關(guān)動合觸點(diǎn)接PLC 輸入點(diǎn)I0.0 和I0.1， 它們的靜觸點(diǎn)須連接到公共點(diǎn)COM 上，動斷觸點(diǎn)必須連接到伺服驅(qū)動的控制端口CNX 的CCWL 和CWL 腳作為硬件聯(lián)鎖保護(hù)， 防范因程序錯誤引起的極限故障而造成設(shè)備損壞。機(jī)械手的上下限到位、伸出縮回到位、旋轉(zhuǎn)左右限位到位均采用磁性開關(guān)檢測機(jī)械手是否到位，機(jī)械手的上升、下降、伸出縮回到位、旋轉(zhuǎn)采用采用電磁閥。 啟動、停止、急停按鈕、指示燈、伺服電機(jī)驅(qū)動器的脈沖、方向只需直接分配I/O 口資源即可。

3.2 主站控制部分的設(shè)計

本站主要完成產(chǎn)品灌膠和儲液罐清洗等工作，其工藝過程及要求如下： 本設(shè)備為兩種液體混合的裝置，系統(tǒng)中有3 個液位傳感器，負(fù)責(zé)檢測液位，其安裝位置可調(diào)整，實現(xiàn)間接調(diào)整液體A、B 的混合比例，其中，中間位置的液位傳感器的位置是可調(diào)的，可根據(jù)實際工藝要求在一定的范圍內(nèi)調(diào)整中間液位傳感器的位置，即可實現(xiàn)調(diào)整AB 兩種膠的混合比例；液體A、B 閥門和混合液體的閥門分別由3 個電磁閥控制，1 個攪拌電機(jī)。本課題的調(diào)整比例范圍是 1∶1～1∶10。溫度傳感器是用來檢測混合灌封膠的溫度，由此判斷混合溶液的流動性是否良好。

產(chǎn)品灌膠工藝要求：按下啟動按鈕，只要儲液罐中有AB 混合膠， 即混合液液位高于高位的液位傳感器時，就打開混合液體的閥門開始灌膠；當(dāng)液位低于低位的液位傳感器，打開放液閥，延時5 s，放空儲液罐，關(guān)閉放液閥；打開A 液閥門，放入A 液體；當(dāng)液面上升至制定位置時，關(guān)閉A 液閥門，打開B 液閥門，放入B 液體；當(dāng)液面上升至制定位置時，關(guān)閉B 液閥門，打開攪拌電機(jī)開始攪拌，延時10 s（電機(jī)攪拌時間是10 s，攪拌時間亦可根據(jù)實際工藝要求在觸摸屏上設(shè)定攪拌時間），關(guān)閉電機(jī)，此工藝完成即可以灌膠產(chǎn)品。

4 灌膠機(jī)的程序設(shè)計思路

智能灌膠機(jī)程序設(shè)計主要包括PLC 和HMI 兩部分。

4.1 PLC 程序設(shè)計思路

PLC 程序設(shè)計采用順序控制設(shè)計方法， 設(shè)計時，為提高所編寫PLC 程序的質(zhì)量， 提高程序的可靠性，按照以下思路進(jìn)行設(shè)計：（1） 分析控制系統(tǒng)的工作過程；（2）接著將控制過程劃分成若干個時間段——步；（3）分析每步表示控制輸出的動作；（4）確定各步之間的轉(zhuǎn)換條件；（5）繪制順序功能圖；（6）依照順序功能圖以“步”為主線，使用順序控制指令“一步一步”設(shè)計、調(diào)試PLC 程序。 注意，如果有不同的步的動作相同，可以中間變量，可以有效地避免出現(xiàn)雙線圈現(xiàn)象。使用順控法設(shè)計出的程序，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，執(zhí)行效率高，能清楚反映控制系統(tǒng)的全部工作過程。

4.2 灌膠機(jī)的HIM 監(jiān)控設(shè)計

HIM 的主監(jiān)控設(shè)計，A/B 兩種膠的加熱時間、待加工產(chǎn)品的數(shù)量和灌膠量以及產(chǎn)品加工完畢后需要的輸送位置均可以在參數(shù)設(shè)置窗口進(jìn)行在線設(shè)置，以達(dá)到智能監(jiān)控的目的。

5 通信系統(tǒng)設(shè)計

本文系統(tǒng)的通信部分從管理層、車間層、現(xiàn)場級均采用工業(yè)以太網(wǎng)，即采用“一網(wǎng)到底”。工業(yè)以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)量較大，傳輸距離較遠(yuǎn)，傳輸速率快，可適應(yīng)惡劣環(huán)境和抗干擾要求高的工業(yè)場合，又因采用TCP/IP 通信協(xié)議， 可以通過以太網(wǎng)將自動化系統(tǒng)連接到企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)（Intranet)、外部互聯(lián)網(wǎng)（Extranet）和英特網(wǎng)（Internet），不需要額外的硬件設(shè)備，就可實現(xiàn)管理網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)共享，即實現(xiàn)“管控一體化”。

本文研制的智能型電子產(chǎn)品灌膠機(jī)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的程度較高，降低了生產(chǎn)成本，增強(qiáng)了灌膠機(jī)的通用性，使其靈活運(yùn)用于多種電子產(chǎn)品灌膠，滿足實際應(yīng)用需求。