一種基于PLC 的鎖付工裝及檢測系統改造設計

林心宇

（福建信息職業技術學院智能智造學院，福建 福州 350003）

0 引言

傳統的鎖付設備通常采用硬件電路進行控制，雖然擁有結構簡單，成本低廉的特點，但是傳統方式依靠人工進行手動鎖付，一方面嚴重影響了企業的產能，另一方面也導致不良產品的漏檢[1]，同時還存在交互性差，可維護性不佳等缺點，已經不再適合現代智能化生產的需要。隨著制造業的飛速發展，伴隨著各類工控設備的普及，為了實現高效率、高質量的生產和產品的可檢測性，本文設計了一種利用PLC 系統對傳統的鎖付設備進行的改造方案，改造后的鎖付設備利用PLC 控制電路替換硬件電路控制，實現了控制過程的可視化并提升了系統的可維護性，同時增加了觸摸屏作為人機交互的界面，提供鎖付作業中每一個螺釘的扭矩檢測和最終的結果檢測，簡化了人工的質檢流程，提高了良品率。該改造方案還可作為其他類型的工裝的改造模板，實現對其他產品的檢測，大大提升了實用性，對其他類型的設備改造也有一定的借鑒意義。

1 系統功能概述

該套鎖付設備原用于某車型底護板的螺栓鎖付，該底護板的結構圖如圖1 所示。未改進的系統工作流程如下：底護板通過龍門吊被吊裝至工裝的指定位置，操作人員可通過掃碼槍對該工件的條形碼進行掃描以確定工件序號。配套工裝通過電磁閥控制對應的夾具將該底護板進行固定，工裝夾具電磁閥分正反面兩組，反面夾具到位后方可進行正面夾具的固定。在所有夾具固定完成后，操作人員使用鎖付槍按照規定加工順序將螺栓固定于底護板之上。完成正面所有螺釘的鎖付后，翻轉電磁閥得電，底護板翻轉后可以繼續進行反面螺釘的鎖付。所有螺釘鎖付完成后，翻轉電磁閥再次得電，底護板回到正面位置，此時可以打開所有電磁閥，將工件運輸至下一個站點。該型號底護板的部分螺釘鎖付的順序如圖2 所示，操作人員按順序安裝完所有螺釘并通過檢測后即完成整個鎖付流程，底護板可以被運至下一個加工工位。

圖1 車輛底護板結構

圖2 車輛底護板部分螺栓鎖付順序

2 改造方案整體設計

改進后的鎖付設備硬件如圖3 所示。左側下方為數顯鎖付槍放置槽位，使用完畢的鎖付槍可以放置在指定的槽位中。槽位上方有鎖付槍配套的觸摸屏，可以通過觸摸屏對鎖付槍的參數進行更改。中間為觸摸屏立架，改造后增加的西門子觸摸屏和相關的設備控制按鈕被安裝在該立架上。最右側則為控制柜，PLC控制器、中間繼電器及網關等連接和控制設備被安裝在控制柜內。

圖3 基于PLC 系統改造的設備

改進后的鎖付設備工作流程基本保持不變，但是引入的PLC 與觸摸屏等設備具有穩定性高、人機交互性好，維修更換模塊方便，聯網通訊能力強等特點[2]。

根據實際控制需求，控制器選用的是西門子S7-1200 系列的1214-DC/DC/DC 型號的PLC，根據實際的采集信號數量，需要增加一個16 輸入16 輸出I/O拓展模塊。人機交互界面選用的是西門子的KTP700 Basic 系列的操作面板。改進方案也可參考經濟成本、使用習慣、培訓及保養等因素選擇其他品牌的設備。

改造后的系統設計框圖如圖4 所示。

圖4 改造后的系統設計框架

PLC 的輸入端口采集操作人員發出的夾持、打開或翻轉工裝的信號，經過PLC 內部控制器的處理，產生輸出信號驅動相應的電磁閥工作。電磁閥動作后可檢測夾持工裝的到位信息，確保工件處于正確的位置上，同時PLC 可以取代硬件電路用于控制各類工作指示燈。觸摸屏將會與PLC 使用以太網進行通信，PLC 將采集到的操作人員的操作信號、工裝夾具的到位信號、鎖付槍傳感器的角度信息、扭矩信息、加工順序信息等傳送至觸摸屏并予以顯示。通過這套設備，操作人員可以輕松實現加工參數的設定、輸入、輸出端口狀態的監控和鎖付槍扭矩、角度和螺釘安裝數量的檢測。

3 軟件改造設計

3.1 硬件電路部分改造

根據原有電氣控制回路的設計，可以將原有輸入拆分成操作按鈕和工裝夾緊傳感器兩個部分。其中，PLC 本體的輸入端口分配給系統的操作按鈕，拓展模塊的輸入端口分配給工裝控制的按鈕和夾持傳感器的信號；PLC 本體的輸出端口分配給系統的指示燈和報警器，拓展模塊的輸出端口分配給控制工裝的電磁閥和相應的指示燈。綜上所述，該系統具體的I/O 分配表見表1。

表1 PLC 控制方案的I/O 分配表

根據分配的I/O 可以完成PLC 程序的設計，夾緊工裝的程序工作流程圖如圖5 所示。通過正面和反面夾持按鈕可以控制工裝完成對工件兩面的夾緊動作。當工裝正反兩面處于夾緊到位的狀態時，都會有相應的夾持指示燈予以指示；當所有傳感器都檢測到工件處于夾緊狀態時，踩下腳踏翻轉按鈕就可以讓翻轉電磁閥得電，工件得以翻轉；當夾緊工裝就緒時，操作人員即可開始正面螺釘的鎖付，工件翻轉后可以進行反面螺釘的鎖付，完成正反兩面的鎖付后，整個鎖付流程才算結束。此時可以按下正面和反面放開按鈕接觸工裝的固定，使行車將底護板運輸至下一個工位。

圖5 基于PLC 系統改造的功能流程

3.2 檢測數據采集

EtherNet/IP （Ethernet Industrial Protocl） 簡 稱EIP，是一種通用工業協議（Common Industrial Protocol），由于具備應用價格低廉、軟硬件產品豐富、通信傳輸速率高、技術較成熟等優點，得到了全球很多工業企業的大力支持[3]。其顯著優越性是將TCP/IP 和Ethernet 技術融合在了一起，通過以太網軟硬件，為實現工業自動化設備的診斷、訪問與配置定義了一個應用層協議[4]。本次改造的鎖付槍使用EIP 通信協議進行通信。每個鎖付槍內有2 個IP 地址。4 個鎖付槍的8 個IP 地址中，4 個IP 地址與PLC 和觸摸屏屬于同一網段，另4 個IP 地址則分配單獨網段以滿足EIP通信的要求，局域網內的設備地址分配見表2。

表2 IP 地址分配

西門子S7-1200 CPU 可以通過集成的PN 接口與鎖付槍進行Ethernet/IP 通信。由于共有四把鎖付槍，可以使用交換機進行連接。西門子PLC 側需要使用西門子提供的專用的LCCF_EnetScanner 通訊功能模塊才可以實現主站的西門子PLC 與從站的鎖付槍的通信。其中PLC 側的設置如圖6 所示。其中LCCF_EnetScanner 作為加密的通訊模塊，EnetIOSystem和LCCF_EnetScanner_DB 作為配合通訊快使用的數據塊，可以用來存放從站的配置信息。

圖6 通訊模塊和通訊數據塊設定

打開EnetIoSystem（DB14）數據塊，可以設置鎖付槍配置信息，本文以鎖付槍的地址設置舉例：在address 的數據塊中可以設置1#鎖付槍的IPv4 地址為192.168.0.10，此時可以通過直接更改地址數據數組的前四個字節的起始值的方法實現地址的配置，如圖7 所示。

圖7 通訊數據塊地址設定

同時操作人員也可以通過程序來配置需要通訊的鎖付槍IP 地址，如2#鎖付槍的地址為192.168.0.11，此時的程序與在DB14 數據塊中手動寫入參數相當，數據傳輸的程序如圖8 所示。數據通訊的程序還可以用于傳輸其他的配置信息，其功能與數據塊內手動修改起始值的功能是一致的。

圖8 鎖付槍參數通訊程序

3.3 觸摸屏界面設計

觸摸屏作為人機交互的重要部分，其承擔了部分控制和監控功能。監控界面由首頁、主畫面、參數設置界面、I/O 監控界面、數據記錄界面和報警信息界面共計6 個部分組成。其中，首頁為監控的進入界面；主畫面提供報警信息的顯示和加工工件參數的顯示；如圖9 所示，參數設置界面可以設置不同鎖付槍的程序和數據狀態；I/O 監控界面可以監控PLC 控制各輸出的輸出狀態；數據記錄界面可以記錄加工的每一個工件的詳細信息；報警界面則會記錄系統運行時鎖付扭矩、鎖付順序和螺釘數量。鎖付槍強制條目和鎖付槍反轉條目可在緊急情況下使用鎖付槍或令鎖付槍反轉。

圖9 參數設置界面

I/O 監控界面如圖10 所示。該界面可以監控連接PLC 的所有輸入和輸出信號。通過該界面，操作人員可以觀察設備控制按鈕和工裝固定傳感器的信號，確保工作時的安全，同時也可以監測電磁閥的工作狀態和工作狀態指示燈，在系統出現故障時便于后期的系統維護和檢查。

圖10 I/O 監控界面

螺釘布局界面如圖11 所示。操作人員可以通過各個鎖付點位的指示燈觀察鎖付的情況。左側的扭矩和角度輸出域可以顯示每一次鎖付時的扭矩和鎖付角度，其中目標扭矩可以為最終的鎖付扭矩提供參考。右側的進度輸出可以顯示螺釘的鎖付數量，最后可以通過結果的顯示來判斷工件的是否合格。

圖11 螺釘布局界面

4 結語

觸摸屏及PLC 的應用大大提高了機器運行的穩定性和可靠性，使系統操作簡單、直接[5]。改造后的新設備相比于原來的老設備，使用PLC 對輸出設備進行控制不僅使運行穩定性得到了增強，可維護性也得到了提升。同時利用高效、便捷的EIP 協議實現了PLC 與鎖付槍之間的通訊，使得鎖付槍的數據得以通過觸摸屏顯示，增加了工作狀態的監視和成品的檢查，大大提升了加工的效率，也提供了不同類型工件加工的拓展性。整套設備的改進對其他同類型的設備改進也有相當的借鑒意義，可以進一步推廣。