基于PLC的金膜電容器自動化生產線控制系統設計

馮英龍 羅軍

[摘 ? ?要]過去整個金膜電容器生產工藝流程包括芯子卷制、傳送、上料、噴金、下料、清理、鉆孔、裝箱等，每個工藝流程需要特定的設備輔助人工完成，長期處于半自動化生產狀態，人員工作負荷量大，生產效率低下。提出了一種將PLC應用到金膜電容器自動化生產線的設計方法，結合CC-Link網絡總線模塊、運動控制模塊以及射頻識別技術的應用，將相應的金膜電容器生產設備與自動化生產線集成到一起，實現了金膜電容器全自動生產，極大提高了自動化生產水平，解放了人力資源，提高了生產效率，推動了金膜電容器行業的發展。

[關鍵詞]金膜電容器;工藝流程;網絡總線;運動控制模塊

[中圖分類號]TP29 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）03–000–03

[Abstract]In the past， the whole production process of gold film capacitor included core winding， conveying， feeding， spraying gold， blanking， cleaning， drilling， packing， etc. Each process needed special equipment to assist manual completion， which was in semi-automatic production state for a long time， with heavy workload and low production efficiency. In this paper， a design method of applying PLC to the automatic production line of gold film capacitor is proposed. Combined with the application of CC-Link network bus module， motion control module and radio frequency identification technology， the corresponding production equipment of gold film capacitor is integrated with the automatic production line， which realizes the automatic production of gold film capacitor， greatly improves the automatic production level， liberates human resources， improves production efficiency and promotes the development of gold film capacitor industry.

[Keywords]gold film capacitor;technological process;network bus;motion control module

可編程控制器（PLC）在工業自動化生產領域的應用越來越普及，是工業生產中不可或缺的組成部分。其編程簡單，可在現場方便地編輯及修改程序，而且內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。其可靠性明顯高于繼電器控制系統，并且具有強大的擴展性及數據通訊功能。目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等行業。鑒于此，本文引入一種大型PLC系統應用于金膜電容器自動化生產線，將整個生產工藝流程簡單化、集成化、系統化，實現了金膜電容器生產設備與自動化生產線的組合。通過PLC的應用，極大提高了金膜電容器生產的可靠性，極大節省了人力物力。

1 系統組成

整條金膜電容器自動化生產線主要由元件卷制機、皮帶線、上料機器人、兩軸上料移載裝置、小車掛鉤換向機構、積放鏈懸掛線、噴金機、噴金后的金膜元件下料、清理、鉆孔和裝箱裝置、控制系統等組成。考慮到日后設備擴展要求，控制系統按8臺卷制機（8條倒槽）、8條滑道、4臺機器人、16個積放鏈上料工位、16套移載裝置和3臺噴金機、3個下料工位的布置要求進行設計。

2 系統工作原理

卷制機加工好元件后，皮帶線傳送元件到機器人上料點，經定位后，等待機器人抓取。同時積放鏈將元件框傳輸到指定位置，移載裝置將元件框移至機器人抓取位置，兩側板固定元件框，頂升氣缸抬起使元件框脫離上料小車的掛鉤。待脫離后，移載裝置縱向移至元件框上料定位點，將元件框放在上料定位點的V型定位槽內定位，移載裝置脫開并移至等待工位。元件框兩側的支耳被V型定位板上的氣缸頂起，打開彈性立柱，機器人抓取元件碼放在元件內。碼放完畢后，元件框兩側頂起支耳的氣缸縮回，彈性立柱關閉。移載裝置又移至元件框上料定位點，將元件框撐起掛入積放鏈，鏈體傳輸元件框到噴金工位。經過噴金機4個工位正反面噴涂鋅粉后，積放鏈傳送料框到下料點，通過下料機構取下，然后移載送到傳送皮帶線卸料。下料元件再通過升降機構進行排隊分隔，最終傳送到下一工序打孔。卸料后的空框通過下料機構再重新掛到積放鏈下料點上，通過積放鏈傳輸到相應的位置，按照以上流程循環工作。

3 PLC控制系統設計

整條生產線控制元件采用日本三菱Q系列大型PLC、工業觸摸屏、伺服電機、伺服驅動器、變頻器、德國倍加福RFID控制器、讀寫頭、載碼體、三相異步電動機、施耐德低壓電氣元件、奧托尼克斯光電開關、臺灣天得行程開關、現場控制盒、線纜等。

3.1 控制系統元件的選取

本系統PLC控制元件主要選擇日本三菱品牌，選型如表1所示。

PLC主機及其輔助模塊按照圖1所示順序排列在Q312B基板上。系統采用10.4“觸摸屏為上位機，PLC為主控單元，兩者通過以太網連接，采用ModbusTCP通訊協議，將金膜電容器自動化生產線集散控制。通過CC-Link總線將PLC與變頻器和RFID控制器連接到一起，減少了線路的連接，極大提高了系統的穩定性。伺服系統采用運動控制模塊將四臺伺服電機連接到一起，每臺伺服驅動器之間采用光纖連接，克服了由于距離較遠而引起的干擾和信號衰減問題，比以往獨立控制更簡單、更穩定、更可靠。

3.2 CC-Link總線的應用

現場總線技術是實現現場級控制設備數字化通信的一種工業現場層網絡通信技術。目前為止還沒有統一的現場總線標準，呈現多種總線并存的格局。如圖2所示，本次設計采用三菱公司開發的CC-Link網絡總線協議，網絡總站用一根通信電纜將CC-Link總線模塊與5個帶有通信接口的三菱變頻器以及4個倍加福載碼控制器相連接，共連接9臺設備，完成生產線工藝流程控制、數據監測、遠程參數化等功能。

網絡總站與各個分站點設備信息分配如表2所示，其中每臺變頻器占用1個站點，每臺RFID控制器占用4個站點，設計時嚴格按照設備占用的數據空間分配執行。程序編寫時，PLC軟件上按照I/O地址分配以及寄存器空間地址分配編寫，不需要連接多余線纜。應用CC-Link總線技術，免去了諸多的電纜連接，減少了不穩定點，同時節省了人力物力。CC-Link電纜可支持電力線、雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線等，具有較強的抗干擾能力，提高了系統的穩定性。

3.3 運動控制模塊的應用

為了保證金膜電容器自動化生產線上料和下料位置精度，設計中采用伺服控制。考慮到主控制柜與上料裝置和下料裝置的安裝位置，伺服電機、驅動器的布置通常有3種方式：

（1）伺服電機驅動器安裝到主控制柜內，延長伺服電機到驅動器之間的電源線電纜和編碼器電纜長度（大約50 m）。

（2）現場增加外部控制箱，伺服電機驅動器安裝到外部控制箱中，布置到相應設備附近，增加PLC脈沖口到伺服驅動器之間的電纜插頭雙絞屏蔽線長度（大約50m）。

（3）伺服驅動器安裝到外部控制箱中，主控制柜配置運動控制模塊。如圖3所示，運動控制模塊、4臺伺服驅動器之間采用SSCNETIII光纖線纜連接。

對于方案1和方案2，PLC脈沖口與伺服驅動器插頭連接雙絞屏蔽線通常建議2 m以內，伺服電機編碼器電纜通常建議30 m以內，兩者電纜不宜過長，否則易引起信號衰減和信號干擾，從而影響定位精度。方案3采用光纖電纜連接可以達到現場50 m距離要求，克服了方案1和方案2的不足。此外，通過PLC脈沖口發脈沖控制伺服電機軟件編程比較繁瑣，適合行程單一的場合，對于復雜的往復運動不適合。綜上，應用三菱運動控制模塊程序編寫比較方便，而且減少了線纜的連接，克服了信號干擾，穩定性極大加強。

3.4 RFID的應用

為了解決生產線上產品的信息儲存及傳輸問題，操作人員在卷制元件前，將元件的信息（如噴金機序號、產品型號、芯子長度、芯子直徑等）輸入系統。每個上料小車上安裝射頻載碼體，移載裝置安裝射頻識別系統（RFID）讀寫頭。當上料裝置需要裝元件時，PLC發出裝元件指令，移載裝置將對應的元件框放在該工位完成下線、裝框和上線。當元件框上線時，RFID控制器控制移載裝置上的讀寫頭將該元件框的產品信息寫入載碼體，同時也將該信息存入系統。在每臺噴金機前安裝讀寫頭，逐一讀取經過的元件框載碼體數據，當信息匹配成功，元件框自動在對應的噴金機前暫存。當元件框進入噴金機入口后，噴金機讀取該載碼體數據信息，且自動調整噴頭位置、噴金高度、噴金次數等參數。元件框下料后，通過裝置重新掛到積放鏈上，積放鏈帶動元件框運行到指定位置暫留，同時將載碼體儲存信息清零，然后重新分配到鏈體，等待控制系統呼叫。相比于電子、條形碼、視覺等信息識別系統，RFID可以應用到環境惡劣的場合，不受光線影響，不易受信號干擾，使用壽命更長，穩定性更好。

4 結論

三菱Q系列大型PLC在金膜電容器自動化生產線的應用具有以下優點：

（1）CC-Link總線的應用，減少了設備間線纜的連接，在一定程度上節省了人力物力，極大提高了系統穩定性。

（2）QD77MS4運動控制模塊的應用，使控制系統軟件編程變得簡單，減少了設備間線纜的連接，提高了系統可靠性。

（3）射頻識別系統（RFID）的應用，克服了噴金工藝中高溫和高污染的惡劣工作環境，抗干擾能力強，使用壽命長。

該控制系統自2018年正式在桂林電力電容器有限責任公司現場投入使用以來，整個金膜電容器生產線運行狀況穩定，操作簡便，能有效地提高生產效率，解放了人力資源，滿足生產和管理的需要。

參考文獻

[1] 胡學林.可編程控制器教程[M].北京：電子工業出版社，2007.

[2] 張培仁.CAN總線設計及分布式控制[M].北京：清華大學出版社，2012.