基于PLC的液晶玻璃基板自動上料控制系統

王曉燕

(太原學院, 太原 030032)

液晶玻璃基板是液晶顯示面板的核心部件，也是電子信息顯示產業的關鍵材料之一，具有十分廣闊的發展前景。液晶玻璃基板自動上料機用于將清洗后的液晶玻璃基板自動傳送到AOI(自動光學檢測)測試機進行檢測[1-2]。清洗后的液晶玻璃基板要求無“疊片”現象，經檢測定位后，傳送至指定位置，由“機械手”搬運至AOI測試機相關工位。

PLC是一種以微處理器為基礎，集計算機技術與自動控制技術為一體的一種數字運算控制器，其通過程序邏輯實現控制功能。本研究充分利用了PLC在自動化控制方面反應快、功能多樣、運行可靠、操作簡便等優越性，設計了一套液晶玻璃基板的自動上料控制系統。PLC的輸入接口配置按鈕、傳感器等信號，輸出接口配置指示燈、電機驅動器等執行元件。以PLC為核心控制器接收信號，經運算處理后，發送信號給執行元件完成機構的整體運作[3-5]。該系統成功取代了人工上料并克服了人工上料效率低、易出錯等弊端。

1 自動上料系統整體方案設計

1.1 功能設計

本研究設計的液晶玻璃基板自動上料系統包含以下幾種功能：

1) 啟動、暫停、復位、急停、警示

按下“啟動”按鈕，系統自動運行。此時，警示燈顯示綠燈亮。系統正常運行過程中安全門必須處于關閉狀態，打開安全門，系統報警，系統停止運行。

按下“暫停”按鈕，警示燈顯示黃燈和綠燈同時亮，系統此時處于暫停狀態。

按下“急停”按鈕，警示燈紅燈亮，設備立刻停止。

系統上電后，按下“復位”按鈕，此時，所有電機回原點，所有氣缸回初始位。初始化設置完成后，警示燈黃燈亮。

2) 皮帶傳送功能

上位機傳送來的液晶玻璃基板經本系統檢測后，OK料，皮帶傳送開始；NG料，系統報警。

3) 機械手搬運功能

皮帶將料傳送到取料位置后，機械手將料搬運到下位機指定位置。

1.2 自動上料控制系統方案設計

如圖1所示，檢測傳感器檢測到上位機傳來的液晶玻璃基片后，如果玻璃基片無重疊現象，暫判定為OK料，皮帶開始高速傳送，當減速傳感器檢測到玻璃基片后，皮帶進入低速傳送區，直到停止傳感器檢測到玻璃基片后，皮帶停止傳送。皮帶傳送電機選用可調速的無刷電動機[6-7]。

皮帶傳送停止后，機械手執行“抓料”動作。機械手X向和Y向動作分別由伺服系統控制的X向和Y向模組實現，機械手Z向動作由電磁閥控制的氣缸實現，機械手旋轉的θ角度由驅動器控制的步進電機實現。最終機械手將玻璃基板搬運到下位機指定位置。

圖1 自動上料示意圖

2 自動上料控制系統硬件設計

2.1 硬件控制

如圖2所示，自動上料控制系統以PLC為核心，安全開關、控制按鈕、傳感器、磁開關信號連接到PLC的輸入接口，PLC的輸出接口連接指示燈、電磁閥、電機驅動器。電機的驅動由相應的驅動器完成，其控制信號來自PLC，PLC進行邏輯運算、故障判斷、傳感器信號接收等。觸摸屏通過232通訊接口連接到PLC，下位機和本系統采取PLC link的方式通訊，上位機和本系統采取I/O互聯交換信號[8]。

圖2 硬件控制框圖

2.2 硬件選型

1) PLC

系統在PLC選型上綜合考慮PLC的I/O點數、存儲器容量以及控制功能等方面。

自動上料控制系統包括1個無刷可調速電機、2個伺服電機、1個步進電機。其中，伺服電機占用2個軸，步進電機選擇I/O控制方式。系統還有多個控制按鈕、安全開關、檢測傳感器、磁開關、電磁閥、警示燈等，同時考慮其他輸入輸出信號(包括與上位機的通訊信號)占用PLC的I/O點數，系統共計32個輸入點，31個輸出點[9-10]。所以選用松下FP-XH 通用型PLC控制單元：FP-XH C60T(24V DC輸入32點、 0.5 A/5 V～24 V DC 晶體管輸出28點)，并擴展I/O單元FP-X E16T (24 V DC輸入8點、0.5 A/5 V～24 V DC晶體管輸出8點)。此款PLC能滿足系統需求并適當預留I/O點滿足升級需求。

2) 觸摸屏

系統采用威綸的觸摸屏，型號：MT6070iH5。如圖3所示，觸摸屏通過COM1端口與PLC的COM0端口通訊。

3) 皮帶電機

皮帶電機選用東方馬達的無刷電動機組合BMU系列：BMU230C-50-3(輸出功率30 W，匹配50的減速比)。皮帶電機的選型在滿足一般通用要求外，主要考慮設置兩段傳送速度。

圖3 觸摸屏和PLC通訊示意圖

將PLC的I/O信號按要求連接到電機的驅動器端子CN4上，CN4 Pin分配如表1所示，其中[ ]內為出廠時分配的功能，將X1變更為M1(選擇運行數據)功能。通過切換M0、M1輸入的ON/OFF，可選擇運行數據No.0～3，如表2所示，最多進行4段速度切換運行。時序如圖4所示。參照1.2所述方案設計，兩段速度即可滿足本系統要求，故硬件電路圖設計原理如圖5所示，通過CN4端子的6腳和7腳的信號輸入情況選擇運行速度，PLC通過輸出信號到CN4端子的8腳控制電機的轉動[11-12]。

表1 CN4 Pin分配

表2 運行條件

4) 機械手X向和Y向模組電機

機械手X向模組電機選用松下MHMJ系列的高慣量伺服電機：MHMJ022G1U(額定輸出功率200 W)，對應驅動器型號MADKT1507E。Y向模組電機選用松下MHMJ系列的高慣量伺服電機：MHMJ042G1U(額定輸出功率400 W，匹配8的減速機)，對應驅動器型MBDKT2510E。本系統將伺服電機和驅動器按要求連接后，PLC通過發出脈沖信號輸入伺服驅動器，控制相應伺服電機的轉動[13]。伺服系統采用位置控制方式，這樣可由頻率直接控制電機速度，由脈沖數來控制電機位置，達到高精度定位控制的目的。PLC通過2軸直線插補方式控制機械手X向和Y向搬運料。硬件電路圖設計如圖6所示。

圖4 時序示意圖

皮帶電機-PLC輸入/輸出點(I/O)分配輸入點地址描述輸出點地址描述1X0上料皮帶脈沖計數1Y10皮帶電機正向旋轉1X1上料皮帶報警輸出1Y11選擇運行速度

5) 機械手θ向電機

由于上位機來料方向的不確定性，根據工藝要求，參照實際情況需要將玻璃基板旋轉90°、180°、270°。機械手θ向電機選用鼎智的混合式旋轉步進電機(定制款)：23H2045-250-4BK-20，驅動器選用步科的FM860-LA-000。PLC采用I/O方式控制步進電機。利用kincostep調試軟件對驅動器I/O進行功能定義：選擇DIN1為指令啟動，DIN2為位置0，DIN3為位置1，DIN4為開始找原點，DIN5為原點輸入，DIN6為工作模式控制；OUT1為位置到達，OUT2為找原點完成，OUT3為報警輸出。硬件電路圖設計如圖7所示。

機械手X向模組電機-PLC輸入/輸出點(I/O)分配輸入點地址描述輸出點地址描述1X8定位完成信號1Y0脈沖信號1X9報警信號1Y1方向信號1YC偏差清除信號1Y12報警復位信號

機械手Y向模組電機-PLC輸入/輸出點(I/O)分配輸入點地址描述輸出點地址描述1XA定位完成信號1Y2脈沖信號1XB報警信號1Y3方向信號1YD偏差清除信號1Y13報警復位信號

θ向電機-PLC輸入/輸出點(I/O)分配輸入點地址描述輸出點地址描述IX17原點1Y18指令啟動1X18位置到達1Y19位置01X19找原點完成1Y1A位置11X1A報警1Y1B開始找原點1Y1D工作模式控制

3 自動上料控制系統軟件設計

3.1 觸摸屏程序設計

觸摸屏是一種簡單、方便、自然的人機交互方式。本系統主要設計了手動操作界面、參數設置界面、報警界面[14]。

手動操作設計了3個界面，如圖8所示，手動操作-1界面主要完成各軸回原點、皮帶電機、氣缸、真空、θ軸的手動操作；手動操作-2界面可以實現X軸與Y軸單獨或插補去取料位和放料位；手動操作-3界面實現X軸和Y軸的JOG操作。

圖8 手動操作界面

參數設置設計了2個界面，如圖9所示，參數設置-1界面對各軸JOG加速時間、減速時間、速度以及定位加速時間、減速時間、速度進行設置，并將屏上當前畫面數據下載到PLC；參數設置-2界面對各軸的放料位、取料位進行設置及執行，同時可以執行各軸JOG+、JOG-操作。各位置對應一個保存按鍵，點擊對應的保存按鍵，將當前值設定為位置值。

報警界面如圖10所示，用來顯示自工作以來的所有報警信息。

圖9 參數設置界面

圖10 報警界面

3.2 PLC程序設計

PLC程序設計的控制模式分為自動和手動。在自動模式下，按運行后，設備將自動運行，直到出現故障后停止。手動模式可用于手動上料或者檢修，操作方便。自動運行的軟件流程如圖11所示。

圖11 軟件流程框圖

本系統采用松下Control FPWIN Pro編程軟件，利用順序流程圖(SFC)的方法編寫程序，SFC是利用步遷移、分支等表示程序步的一系列流程的結構，可以將復雜的程序表現成易于理解的形式[15]。本系統SFC如圖12所示。皮帶傳送料采用兩段速度運行，程序設計如圖13所示；機械手采用直線插補的方法搬運料，程序設計如圖14所示。

圖12 順序流程框圖

圖13 皮帶傳送程序設計框圖

圖14 機械手搬運程序設計框圖

4 結論

自動上料控制系統以PLC為核心，采用觸摸屏顯示與操作，針對不同規格的基板，精心設計了參數設置界面，直接在觸摸屏上輸入相關參數輸出到PLC，PLC通過運算輸出信號到各執行元件，將檢測OK的玻璃基板按照指定方向搬運到下位機。為提高系統工作效率，皮帶傳送采用兩段速度，完成基板的高/低速傳送；伺服系統采用位置控制方式，實現基板的精準上料。

系統設計了手動和自動控制兩種工作模式，手動控制模式便于對系統進行維護，操作靈活方便；自動控制模式完成了系統的自動化流程，運行平穩，高效實現了基板上料功能，成功克服了人工上料效率低、易損傷面板等弊端，系統效率高、穩定性好。