三菱PLC與變頻器和觸摸屏的綜合應用

朱峰剛，臧能義

新疆工程學院，新疆烏魯木齊，830011

0 引言

隨著自動控制技術在各行業的應用越來越廣泛，PLC、觸摸屏與變頻器的應用也越來越深入和廣泛。一個完整的自動控制系統，往往是PLC、觸摸屏與變頻器等部件的綜合應用。在生產中的工件上下料作業，廣泛應用于機械、航空等行業流通中心和配送中心。

本文所涉及的是一個在車間用的自動上下料系統，自動上下料機械手控制系統的搭建是為了保證設備運行精度，選用PLC作為控制系統主控單元，由PLC向伺服電機的編碼器發送脈沖指令，控制伺服電機對自動上下料機械手工作位置進行精準定位，同時PLC可以接收連接的各傳感器和其他的IO接口信號，進而控制整機。選用工業觸摸屏作為人機交互界面，通過對觸摸屏控制界面的布局設計，用戶可以在觸摸屏上進行操作，發送信號控制自動上下料機械手，同時可以隨時調整控制系統的相關參數，實時監控系統的運行狀態。

1 上下料機械手控制系統設計

PLC一般指的是可編程邏輯控制器，專門為工業環境下應用設計的數字運算操作系統，具有可靠性高、編程容易、安裝方便和運行速度快的特點。

1.1 PLC選型

本設備控制系統選用的是三菱FX3U-48MT/ES系列，內置64K大容量RAM存儲器，內置由CPU、電源、程序內存、輸入輸出組成的基本單元，同時具有48個IO接口，包括24個輸入點和24個輸出點，基本滿足該自動上下料機械手控制系統的IO配置要求。此外，FX3U-48MT/ES系列PLC采用的是晶體管漏型的輸出形式，可以直接連接直流負載，相比于其他輸出方式使用壽命長，穩定性也高，更適合作為機械手控制系統的控制器[1]。具體技術參數如表1所示。

表1 PLC 技術參數

1.2 觸摸屏型號選型

作為現代工業PLC控制系統中人機交互的組成部分，觸摸屏可以代替傳統的按鈕控制。借助觸摸屏設計軟件，可以實現界面的布局和觸摸屏界面的功能設計，并且可以添加指示虛擬按鈕和顯示程序運行數據的圖標。通過將三菱PLC和觸摸屏相結合，可以實現人為遠程對控制系統的操作，觸摸屏作為上位主機，可以對連接的一個或多個PLC進行遠程控制，不僅可以完成信號觸發，還可以將PLC程序中設定的各項數據完整地顯示在觸摸屏上，方便用戶對控制系統的操作和監視[2]。

本次設計的構成自動上下料機械手控制系統的觸摸屏，選用的是三菱GOT2000系列觸摸屏。觸摸屏外觀尺寸為316mm×246mm，采用的是模擬電阻膜的觸摸方式，支持100萬次以上的使用壽命。觸摸屏主要技術參數如表2所示。

表2 觸摸屏技術參數

1.3 PLC程序設計

1.3.1 工作流程

為了方便調試自動上下料機械手，對機械手的控制系統設計了手動模式和自動模式兩種控制模式。在手動模式下，用戶可以通過觸摸屏控制三個操作軸之一的移動，實現在目標區域的正確放置。此外，在手動控制模式下，控制速度可以由觸摸屏進行調整。

機械手根據系統確定的邏輯順序自動執行動作。機械手的上下料操作分為4個運行點：取料點上、取料點、放料點上、放料點。這4個程序點的定位由示教確定。運作過程中，需要由用戶手動將各軸操作回零點，隨后再按下自動運行按鈕。首先，機械手會從零點位置運動到原點位置，再由原點快速運動到取料點的上方，待取料點上的工件到位后，機械手開始緩慢下降到取料點，當真空吸盤接觸到工件時，吸盤電磁閥開始接通，通過真空氣壓吸附工件，等待吸附穩定后，機械手緩慢上升，再快速移動到放料點上方，到達放料點上方后，機械手慢速下降到放料點位置，吸盤電磁閥關閉，吸盤松開工件，工件落在指定的放料點上，工作流程結束后，機械手再緩慢上升到放料點上方，隨后快速回到原點位置，進行相同的自動工作過程[3]。在自動運行的整個過程中，如果中途出現緊急情況，可以快速拍下急停按鈕，使機械手運行強制停止，待斷開急停按鈕后，再重新進行回零點的操作，方可重新進行自動運行。圖1為自動上下料機械手自動運行流程圖。

圖1 控制系統運行流程

1.3.2 I/O接口分配

IO接口是主機和被控制對象進行信息交換的紐帶，是控制系統中信號傳遞的通道，控制器借由IO接口與連接的設備完成信號傳遞。在設計PLC程序之前，需要先對PLC上的IO接口根據要求分配好各個接口的地址。PLC控制器的IO接口中，輸入端口和輸出端口多為數字信號，屬于離散信號，PLC控制器的IO接口地址分配如表3所示。

表3 PLC 的IO 接口分配

1.3.3 程序梯形圖設計

本次設計的自動上下料機械手是使用PLC控制器作為機械手控制系統的控制器，需要先對PLC進行程序設計，本次使用的是FX3U/FX3UC機型，梯形圖作為程序語言。針對三菱FX3U系列PLC，使用的是GX works2軟件作為編程軟件。

根據要求先對手動模式下的各軸進行編程，使用的是DDRVI相對定位指令，同樣是作為常用定位指令，相對定位指令也被稱為增量定位，以相對驅動的方式來執行單速定位的指令。結合觸摸屏使用，實現三個軸的手動控制程序。按照流程圖要求，機械手運動之前需要對設備進行回零點操作，通過復位按鈕對設備進行自動回零點操作。同樣使用相對定位DDRVI指令，使運行軸從當前位置運動到原點位置。同時，為了可以在手動控制模式下時，更精準地控制機械手的運動位置，設置寸動程序，使機械手在手動控制模式下可以精準移動一定的位置，同時設置方向控制寸動方向，設計出寸動程序梯形圖。

在完成自動控制程序的設計時，考慮到機械手在工作過程中是由單個機械手完成整個沖壓過程中上下料的取料和放料過程，所以，需要先設置完成好上下料機械手的信號對接，即需要在控制系統中添加相應的取料區域的工件到位信號，同理，也需要添加放料區域的工件放置到位信號。這樣才能在工件到達取料區位置時，通過信號發送控制機械手由待命區域運行至取料點進行取料，再根據系統設計的運行流程完成上下料的工作[4]。

1.4 觸摸屏界面設計

觸摸屏作為控制系統中實現人機交互作用的操作元件，可以與控制器和PLC實現互聯。根據本文選型使用的觸摸屏型號，運用GT Designer3軟件對觸摸屏的界面進行編輯布局，根據設備要求設置觸摸屏基礎參數。

設定好觸摸屏主要的技術參數后，進入觸摸屏設計界面，將觸摸屏左上方設置一個按鍵，顯示機械手的手動工作模式和自動工作模式，右下方分別設有自動模式指示燈、啟動指示燈和急停指示燈。下方分為三個運動軸，設定可讀取手動控制模式下時，三軸的當前運動位置和手動輸入的運行速度，右邊有寸動按鈕，可以使機械手每次前進指定的距離。在觸摸屏下半部分為機械手自動工作模式下的數據讀取面板，自動運作模式下機械手在自動運行程序的同時，觸摸屏上可以實時顯示自動上下料機械手當前運行到的位置。

2 實驗結果與分析

2.1 自動上下料機械手的運行結果

將PLC程序寫進觸摸屏，在手動模式控制下，在觸摸屏中點擊手動/自動模式切換，當設備處在手動模式中時，自動模式指示燈熄滅。此時在觸摸屏中的“軸手動速度”處輸入數值，可用于調節指定軸的速度，此時，可在程序監控中讀取到軸位置的數據變化。點擊“手動速度”旁邊的調試按鍵，自動上下料機械手對應的軸會沿著程序設定方向進行運動，運動的距離會隨著按鍵觸發時間的長短發生變化，并將數值顯示在觸摸屏中“軸當前位置”處。此外，設置寸動按鍵，點擊對應數值的按鍵可以控制機械手移動程序指定的距離。

在自動控制模式下，自動模式指示燈亮起，此時需要先將自動上下料機械手控制模式切回“手動模式”，通過“回原點”按鍵在手動模式下，將機械手各軸完成回原點操作，完成后再切回“自動模式”。隨后點擊啟動自動按鍵，設備會自動循環運行程序，并且會檢測工件到位信號，按設定流程完成循環工作。由于受到實驗設備限制，在對機械手自動控制系統設計時，另外使用SFC程序語言設計一個自動控制程序，并且設計一個觸摸屏界面作為自動控制流程的監視。

根據實驗要求，設計的觀察觸摸屏界面如圖2所示，重新設計好SFC程序后，將程序寫進GOT進行模擬。在觸摸屏界面中，用開關控制機械手運行過程中的定位，用指示燈顯示自動上下料機械手的當前運動狀態。

圖2 自動程序觸摸屏

啟動程序后，在觸摸屏中點擊“啟動”和“自動”按鍵，自動上下料機械手會進行上升、伸長、正轉以到達取料待機位置。觸摸屏中“上升”“伸長”“正轉”三個指示燈會亮起，以表示自動上下料機械手當前狀態，如圖3所示，此時機械手自動運行到取料待機點。當機械手到達待機點時，會接通“上升定位”“正轉定位”“伸長定位”三個開關，當工件到達指定位置時，機床工件位置會發出信號，即“產品到位”開關接通，此時，自動上下料機械手會開始下降到取料位置并進行取料。隨后機械手會再次“上升”“回收”“反轉”，到達放料點上方，再進行“下降”“伸長”進行放料，結束后再次回到取料待機位置[5]。

2.2 實驗結果與誤差分析

從系統實際運行效果看，在手動模式下，按下啟動按鈕接通后，在觸摸屏上點擊各軸回原點按鈕，升降軸、旋轉軸和伸縮軸會自動退回原點。按下“上升”或“下降”，升降軸會根據程序設定的方向進行運動，同時可以在觸摸屏上隨時更改手動模式操作時的各軸手動運行速度。在自動模式下，要先手動進行回原點操作，隨后通過觸摸屏切換成自動模式，隨后開始運行程序，完成原點出發、取料、放料、回原點的流程，并循環工作。系統在運行過程中，有時會有一定的偏差，比如取料時，會因為末端執行器定位的誤差導致取料時位置偏移，其中動態誤差是因為伺服電機運作時產生的震動，這種情況屬于不可控因素，無法做到完全控制。

3 結語

自動上下料機械手的零部件或各軸在設計、安裝、調試生產的過程中，可能受到精度和加工條件等因素的限制，使得加工完成出來的機械手各零部件或模組的理論值與實際值出現一定的差異，并且在實際安裝機械手的過程中，可能會出現人為因素的外部安裝受力使得模組桿件發生輕微變形，導致機械手在工作過程中末端執行器會出現定位誤差。