基于PLC和组态软件的自动线上料监控系统设计

肖剑兰

【摘 要】介绍了一种送料自动线上料单元的控制系统,以PLC为核心进行系统的硬件和软件设计.阐述了上料单元的结构、工作原理,详细设计了PLC控制程序和HMI监控程序,实现了送料自动线自动上料、检测和监控等功能. 【期刊名称】《机电工程技术》 【年(卷),期】2018(047)007 【总页数】4页(P84-86,194)

【关键词】上料;PLC;组态软件;电气控制系统 【作 者】肖剑兰

【作者单位】佛山职业技术学院机电工程系,广东佛山 528137 【正文语种】中 文 【中图分类】TP273 0 引言

上料是自动线生产过程中的基本环节。传统生产方式采用手工上料，存在效率低、劳动强度大、不安全因素多等问题。自动上料是提高劳动生产率和改善劳动条件的有效措施和主要方法[1]。某送料自动线的上料单元主要用于监控和检测料仓和料台是否有料，完成将工件从料仓推送到料台等功能。 1 自动上料单元的结构和工作原理

自动上料单元的结构示意如图1所示。系统主要由上料气缸、料台、滑槽和供料台等部分组成。

图1 自动上料单元结构图*佛山职业技术学院科研项目（编号：KY2013G01）收稿日期：2018－01－26

上料气缸是单缸双作用气缸，用于将工件从料仓中推出，选用SMC公司型号为CDJ2KB16-45Z-B/0.7MPa的产品，用型号为4V110-06的2位5通单电控电磁阀驱动。为了使气缸推料运动平稳，气缸的2个气口装有单向节流阀[2-3]，型号为SMC公司的ARJ1020F-M5。

SQ14、SQ15磁性开关分别用于检测气缸前后限位，选用SMC公司的D-C73产品。S4和S5是光电传感器，分别用于检测料仓和供料台是否有料，选用型号为E3X-NA，电源规格为DC12～24V， 螺纹型E32-D21R 2M，可检测距离30 mm。

控制系统启动后，如果S4检测到料仓有料，而S5检测到供料台无料时，则上料气缸动作，将工件从料仓推出。系统启动后，绿灯亮。系统停止后，红灯亮。HMI能显示上料过程，也能控制启停操作。 2 PLC控制系统设计 2.1 PLC选型与I/O接口分配

PLC是自动线上料单元的核心控制器[4]。根据控制要求分析，PLC的输入信号有6个，分别是：主令信号有启动和停止按钮共2个；现场检测信号有料仓有料检测光电开关、料台有料检测光电开关、推料前限位磁性开关和推料后限位磁性开关，计4个检测信号。输出信号有3个，分别是：指示类信号有运行指示HL2和停止指示HL3，计2个；现场执行机构有单线圈上料电磁阀1个，24VDC。选用三菱的FX3U-48MT/ES-A型PLC，24点直流输入，24点晶体管型输出[5]，完全可以满足控制要求。

上料单元的I/O地址分配见表1。

表1 上料单元的I/O地址分配表输入地址X4 X5 X14 X15 X24 X25输入信号S4 S5 SQ14 SQ15 SB2 SB3功能说明料仓有料光电检测料台有料光电检测推料前限位推料后限位启动按钮停止按钮输出地址Y5 Y7 Y10输出信号YV3 HL2 HL3功能说明上料电磁阀运行指示灯（绿色）停止指示灯（红色）— —— —— — 涉及到触摸屏的远程监控，需要分配远程启停控制地址和监视现场检测信号[6]，其通信地址分配见表2。

表2 上料单元的远程通信地址分配表通信地址K2M0 K2M10 M21 M22功能说明对应输入地址K2X000对应输入地址K2X010 HMI启动按钮HMI停止按钮 2.2 PLC控制程序

上料单元控制程序设计如图2所示。第0步逻辑行和第3逻辑行，用于实现本地/远程的系统启停控制。第6逻辑行，用于指示运行或停止状态。第10步逻辑行，实现上料气缸推料控制。第17步逻辑行，PLC与HMI通信数据区域。 图2 上料单元控制程序 3 HMI监控系统设计

上料单元的HMI采用北京昆仑通泰自动化软件科技有限公司生产的TPC7062Ti实时监控。TPC7062Ti是一款采用Cortex-A 8 CPU为核心的，高性能嵌入式一体化触摸屏[7]。组态监控画面如图3所示。在HMI上既能显示上料过程，也能控制上料操作。

图3 上料单元监控画面 3.1 设备组态

（1）添加设备0。首先打开MCGSE组态环境，创建一个新工程，选择TPC类型为TPC7062Ti，其余参数默认。打开“设备窗口”，双击“通用串口父设备”，添加根目录“通用串口父设备0--[通用串口父设备]”。再双击“三菱FX系列编

程口”，在根目录下添加子目录“设备0--[三菱FX系列编程口]”[8]。 （2）设置硬件参数。在“通用串口设备属性编辑”窗口，选择通信串口端口号为COM1，选择通讯波特率为19 200 bit/s。在“设备编辑窗口”窗口，选择CPU类型为FX3UCPU。

（3）添加通信地址。在“设备编辑窗口”窗口，点击增加设备通道，弹出“添加设备通道”窗口。添加通信地址Y5～Y10（共4个）和通信地址M0～M28（共29个），读写方式选择“读写”。 3.2 动画设计

（1）新建窗口。打开“用户窗口”，新建“窗口0”，单击“动画组态”按钮或双击“窗口0”图标，可打开“动画组态窗口0”。动画组态窗口的尺寸为H=40×20，V=24×20；即分辨率为800×480[8]。

（2）组态滑槽。激活工具箱的“矩形”工具。在动画组态窗口0的画布上，绘制一个矩形，系统自动命名为控件0。在该矩形的“动画组态属性设置”窗口，选择填充颜色“青色”。在组态环境窗口最下方的状态栏，设置控件0的坐标为[H:100][V:220]，尺寸为[W:180][H:20]。用拷贝和粘贴工具，复制控件0，分别得到控件1和控件2。设置控件1的坐标[H:380][V:300]和尺寸[W:80][H:20]，设置控件2的坐标[H:460][V:270]和尺寸[W:20][H:50]。用“多边形或折线”工具，将控件0和控件1相邻的四个点连接起来，填充颜色青色，是为滑槽。 （3）组态料仓和工件。用“圆角矩形”工具，绘制第一个工件，设置坐标[H:240][V:195]和尺寸[W:40][H:25]，填充色乌金色。用复制和粘贴可得到第2～4个工件。用“矩形”工具，绘制料仓，设置坐标[H:235][V:90]和尺寸

[W:50][H:100]，静态填充颜色为“没有填充”。用工具“置于最前面”，把料仓显示在工件的前面。用“标签”工具，在料仓正上方添加文本“料仓”，字符颜色“蓝色”，宋体小四，无填充，无边线，水平居中，垂直居中。

（4）组态出料口工件。当推料气缸得电后，出料口的工件能运动起来。选中出料口工件，打开“动画组态属性设置”窗口，勾选位置动画连接“水平移动”、“垂直移动”和“可见度”，可得到三个选项卡。在“水平移动”选项卡，选择表达式为“设备0_读写Y0005”，水平移动连接最大偏移量为“100”，表达式的值为“0”。在“垂直移动”选项卡中，垂直移动的表达式选择为“设备0_读写

Y0005”，垂直移动连接最大偏移量为“45”，表达式的值为“0”。在“可见度”选项卡，设置表达式为“设备0_读写M0004*设备0_读写M0015”，当表达式的值非零时，对应图符不可见。注意，表示式的变量需要通过“变量选择”对话框下的“根据采集信息生成”进行选择，不能用键盘录入。Y5是PLC驱动上料电磁阀动作的输出口。“*”表示两个变量是“与”的关系，即，当料口检测信号有效（M4=X4=ON），同时推料气缸在后限位（M15=X15=ON）时，在触摸屏中显示料口的工件。

（5）组态料台工件。从料仓任选择一个工件，“拷贝”、“粘贴”得到一个新的工件。修改坐标为[H:415][V:275]，得到料台工件。选择可见度的表达式为“设备0_读写M0005”，当表达式的值非零时，对应图符不可见。当料仓检测信号有效（M5=X5=ON）时，在触摸屏中显示料台的工件。

（6）组态推料气缸。绘制缸筒，绘制1个矩形，坐标[H:100][V:200]和尺寸[W:100][H:20]，静态填充颜色为“灰色”。绘制及组态活塞，绘制1个矩形，坐标[H:100][V:202]和尺寸[W:130][H:17]，静态填充颜色为“藏青色”；设置活塞“水平移动”动画属性，表达式选择为“设备0_读写Y0005”，最大偏移量为“40”，表达式的值为“0”。用快捷工具“置于最后面”，把活塞放在缸筒的后面。绘制上料电磁阀指示灯，绘制1个圆形，坐标[H:70][V:202]和尺寸

[W:16][H:16]，静态填充颜色为“银色”；打开指示灯“动画组态属性设置”窗口，勾选颜色动画连接“填充颜色”选项卡，设置指示灯“填充颜色”动画属性，表达

式选择为“设备0_读写Y0005”，填充颜色连接分段点“0”对应颜色“灰色”，分段点“1”对应颜色“浅绿色”。在上料电磁阀指示灯正上方添加标签“推料气缸”。

（7）组态检测指示灯。复制上料电磁阀指示灯控件，用粘贴工具，得到“后限位”、“前限位”、“料仓有料”、“料台有料”四个检测信号指示灯。分别设置：“后限位”指示灯填充颜色表达式为“设备0_读写M0015”；“前限位”指示灯填充颜色表达式为“设备0_读写M0014”；“料仓有料”指示灯填充颜色表达式为“设备0_读写M0004”；“料台有料”指示灯填充颜色表达式为“设备0_读写M0005”。添加各指示灯的标签。

（8）组态系统工作指示灯。组态运行指示灯，绘制1个圆形，坐标[H:560][V:80]和尺寸[W:40][H:40]，静态填充颜色为“银色”；设置指示灯“填充颜色”表达式选择为“设备0_读写Y0007”，填充颜色连接分段点“0”对应颜色“灰色”，分段点“1”对应颜色“浅绿色”。添加一个标签，坐标[H:0][V:130]和尺寸[W:70][H:25]，宋体小四字体，填充颜色“银色”，边线“黑色”；文本内容“运行指示”；水平居中，垂直居中。组态停止指示灯。同时选中运行指示灯图符和标签，拷贝粘贴，拖曳到标签框相连。修改指示灯“填充颜色”表达式，选择为“设备0_读写Y0010”，修改填充颜色连接分段点“1”对应颜色“红色”。修改标签文本内容为“停止指示”。

（9）组态系统启动和停止按钮。组态启动按钮，用“标准按钮”工具绘制1个按钮，坐标[H:160][V:420]和尺寸[W:100][H:40]；组态基本属性，文本“启动按钮”，文本颜色“蓝色”，边线色“银色”；组态操作属性，抬起功能——勾选“数据对象值操作”，“清0”的变量选择为“设备0_读写M0021”；按下功能——勾选“数据对象值操作”，“置1”的变量选择为“设备0_读写M0021”。组态停止按钮，拷贝粘贴启动按钮得到一个新按钮。修改参数，坐标

[H:270][V:420]，文本“停止按钮”，文本颜色“红色”，抬起功能——数据对象值操作“清0”的变量选择为“设备0_读写M0022”，按下功能——数据对象值操作“置1”的变量选择为“设备0_读写M0022”。 4 结束语

系统设计完成后，在实验室运行调试。

（1）料台、料仓均无料时。按下触摸屏的启动按钮，系统运行。执行机构的不动作，相应的检测指示符合控制要求。

（2）料台无料、料仓有料时。按下触摸屏的启动按钮，系统运行。此时，运行指示灯亮、料仓有料亮，推料气缸指示灯亮，活塞伸出，后限位先亮后灭，前限位先灭后亮。

（3）料台、料仓均有料时。按下触摸屏的启动按钮，系统运行。执行机构的不动作，相应的检测指示也符合控制要求。

控制系统经过运行调试，设备动作顺畅、性能稳定、可靠性高。自动上料控制相比传统的人工送料生产，有着诸多优势：生产效率高，产品质量稳定，降低了生产成本[9]。 参考文献：

【相关文献】

［1］罗庚兴，冯安平.柔性生产线机器人组装单元设计［J］.制造技术与机床，2016（04）：51-.

［2］冯安平，罗庚兴.柔性生产线自动冲压加工单元设计［J］.煤矿机械，2016，44（15）：33-36.

［3］罗庚兴，宁玉珊.气动安装机械手的PLC控制［J］.制造业自动化，2011，33（01）：82-84.

［4］罗庚兴，宁玉珊.基于PLC的步进电动机控制［J］.机电工程技术，2007，36（10）：66-

67.

［5］三菱电机.FX3U系列微型可编程控制器用户手册［硬件篇］［Z］.2010.

［6］罗庚兴，欧阳锡畅.基于PLC的气动安装搬运机械手设计［J］.机电工程技术，2010，39（07）：33-35.

［7］北京昆仑通态.MCGS嵌入版用户手册［Z］.2010.

［8］罗庚兴.PLC应用技术（FX3U系列）项目化教程［M］.北京：化学工业出版社，2017. ［9］寿军波.钢卷上料自动控制系统的设计［J］.机电工程，2013（01）：81-84.