三菱PLC和HMI在尼龙带自动剪裁设备中的应用

蔡晓芷

（佛山市顺德区陈村职业技术学校，广东佛山 528313）

0 引言

PLC也称为可编程逻辑控制器，目前PLC融合HMI技术在工业自动化中被广泛应用，此类系统运行可靠性高，稳定性好，抗干扰能力强，能在恶劣的环境中长期不间断运行，而且其编程容易，维护工作量较小[1]。在珠三角地区有很多汽车零部件加工厂，其中汽车座椅上的尼龙带拉手把需要经过测量、剪裁、冲孔工序完成产品的加工。目前很多使用手工或半手工的形式进行加工，由于尼龙带具有多种不同的规格，如长度不同、孔的大小不同和孔间距等，许多只能手工测量、冲孔、剪裁，产品生产效率低而且产品精度不高，质量参差不齐，因此为了解决以上问题，很有必要对尼龙带剪裁机进行自动化改造。针对尼龙带产品种类繁多的问题，确定采用WEINVIEW触摸屏TK6070IP作为人机界面，使用三菱PLCFX3U 48MT为控制器来控制设备的运行[2]。其中设备运行模式、速度、尼龙带产品尺寸可以通过触摸屏来设定，然后通过PLC控制伺服电机和步进电机来控制尼龙带长度和宽度和冲裁速度，超声波发波时长，从而实现尼龙带的自动剪裁。

1 设备系统控制方案

尼龙带自动剪裁系统方案如图1所示。主机采用三菱FX 3U系列PLC，由程序控制各种外部设备运行。

图1 设备系统方案Fig.1 Equipment systemscheme

当按下实体按键“启动按钮”时，系统进入初始化状态，对各个参数进行初始化，可以选择不同的按钮进入手动模式、调试模式、量产模式和测试模式中，这几个模式分别互锁，每次只能进入一个。

在手动模式中，每个外设都是通过触摸屏上的按钮控制的，按下按钮，外设得电并动作，按钮复位，外设失电复位。调试模式中，以伺服电机开始，利用导向夹紧气缸作为计数点，以夹紧导向气缸复位而结束。耐久测试中，伺服电机用定位控制模式控制，使用三菱的相对位置控制指令DDRVI对电机位置进行精确控制。程序中的M8029是脉冲结束标志，当电机执行完成程序设置的脉冲数时，M8029得电一个扫描周期，对电机的测试数量进行计数。量产模式中，对于故障处理的程序段，当量产模式时出现故障，设备将报警并显示故障原因及其处理办法。当故障原因是冲裁出现问题时，可以按下“冲裁”按钮完成冲裁。冲裁结束后，弹出此产品是否计入总数量的界面，选择是，将计数，选择否则不计数。当故障已经人工确认清除，按下触摸屏上的“故障已清除”按钮，此时程序继续执行，完成接下来的量产生产工序[4]。

2 系统组成

2.1 三菱PLC（FX 3U_48MT）

在本设计中，全部控制都是利用了开关量（数字量）的逻辑顺序控制，要求控制系统按照逻辑条件和一定的顺序和时序产生控制动作，并能够对来自现场的大量开关量、脉冲、计时、计数等数字信号进行监控和处理[3]。本系统共需要驱动1台伺服电机，2台步进电机，4个电磁阀，2个指示灯和1个蜂鸣器，所以一共需要16个输出口，2个高速脉冲输出口。所以，最终本系统选择了FX 3U-48MT PLC。

2.2 触摸屏选型

从系统的要求和成本考虑，本文采用性价比较高的威纶触摸屏TK6071IP，输入电压为10.5~28 VDC，外观大小为7 in，像素800×480。触摸屏上有两个接口，用于与PLC通信和PC通信下载触摸屏界面程序[5]。

2.3 伺服驱动器

伺服驱动器是用于控制伺服电机的一种控制器，作用类似于变频器作用于普通的交流马达，是伺服系统的重要组成部分，主要应用于高精度定位系统中[6]。为了准确控制尼龙带的长度，并综合考虑了性价比，最后采用了力川的伺服电机。采用的是位置控制。为了能在触摸屏的参数设置中直接输入长度（mm），直接转换成脉冲数量给PLC控制伺服电机定位到相应的位置[7]。设置电子齿轮比为1∶1，即电机转一圈需要10 000个脉冲，滚动轴直径为40 mm，因此长度尺寸L与脉冲数的换算方法如下：

产品尺寸的公差在±0.5 mm，所以圆周率近似取3.14不会出现产品不合格现象。

2.4 步进电机

设计中需要用到2台步进电机，1台用于根据尼龙带的宽度对输送材料的过程中进行限位，1台用于将剪裁后的尼龙带送出。考虑用步进电机是性价比较高，而且便于调速，在触摸屏参数中设置便可[8]。步进电机1用于限位，防止尼龙带传输过程中出现偏差，导致孔位出现偏差而增加废品率。步进电机2用于将产品送出，产品质量很小，所以采用了28系列的步进电机。

3 PLC梯形图设计

3.1 PLC输入输出IO口分配表

表1所示为本系统中输入输出端子及其功能分配

表1 系统IO分配表Tab.1 System IOallocation table

3.2 PLC程序控制流程

图2所示为程序控制的流程图。

图2 PLC程序控制流程Fig.2 PLCprogramcontrol flow chart

4 触摸屏界面设计

在设计的过程中，充分与工厂的工作人员进行讨论交流，做出交互性较强的人机界面[9]。触摸屏界面分为首页、手动模式、调试模式、量产模式、参数设置及历史报警等界面。

在手动模式中，操作人员可以操作设备中的动作单独执行，特别是在调整好尼龙带的长度和宽度后，可以对准确度进行检测，调试到合适后进行量产。同时，可以在界面上通过灯的状态观察各个外设的工作情况。

在调试模式中，主要是用于测试冲裁机构冲裁效果的稳定性。比如输入测试次数10，然后电机调式开始，设备会自动生产10个产品，通过检测产品的合格率判断冲裁机构的运行情况。这一模式和自动模式的不同之处在于，没有来料传感器和落料传感器的限制[10]。

在量产模式中，工人输入生产数量后开始生产，当生产过程出现问题，则亮红灯报警，并且屏幕显示报警原因，工人对材料进行处理。量产模式中设置冲裁按钮，是为了在冲裁不完全造成的故障，需要手动冲裁完成后，再点击错误已清除，那么设备才会再次自动运行[11]。

5 设备运行效果

按下实体键“启动按钮”使系统启动，在触摸屏上选择“参数设置”界面对尼龙带的宽度、长度、冲裁的时间和超声波发波时间进行设置，宽度设置后在手动模式中按下“宽度调整”按钮，设备对轨道的宽度进行调整，这是为了防止在传送过程中，尼龙带输送过程中出现错位，导致冲孔时出现错误[12]。

这里在“参数设置”界面进行了冲压时间和超声波发波时间的设置，主要是因为在实际调试过程中，超声波需要进行两次短时间的发波才可以完全冲裁尼龙带，而且如果设备的超声波机器更换或者刀模更换，都需要进行相应时间的调整。

参数设置完成后，可以进入“量产模式”设置需要生产的产量，如果是新换物料，那么第一个物料需要手动进行裁切，避免浪费。在手动模式中，按下冲裁，冲裁第一段物料。如果是旧物料，则设置好产品的长度，产量就可以开始加工生产。

当生产过程中，设备出现问题，蜂鸣器响同时红灯闪烁。触摸屏上弹出故障指示和相应的故障处理对策，下面是故障类型及相对应的处理方式：

（1）如果物料用完，传感器1触发报警并在触摸屏上显示缺物料并提示操作步骤[13]；

（2）如果送料机构出现问题，传感器2触发报警并在触摸屏上显示传送故障，并提示操作步骤；

（3）如果加工完成（即已加工数量=产量），红灯闪烁蜂鸣器报警，屏幕显示加工已完成。

通过调试，本设备能够准确按照不同长度剪裁出尼龙带，并投入生产，在生产过程中，如果需要加快生产周期，可以通过设置伺服电机的运行速度、冲裁时间和超声波发波时间。

6 结束语

实际运行证明，设备运行稳定、可靠，通过三菱PLC融合HMI技术，能够实现不同产量、不同长度尼龙带的自动化生产，本设计采用PLC控制伺服电机，通过位置控制模式精确控制尼龙带的长度，设备投入使用后，生产的尼龙带产品取样质检结果显示其误差值均在允许的偏差范围内；在尼龙带冲孔和剪裁时采用超声波技术，使尼龙带切断速度快、切口固结平整不散边效率高；通过触摸屏参数设定可定制不同规格的尼龙带。设备通过自动化控制不仅提高了产品生产效率和质量，而且还降低了工作人员的操作危险系数。