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摘要：通过应用三菱Q06H PLC搭载各功能模块运用在一条16工位的产品自动组装生产线的电气控制系统。采用PLC运动控制模块精确定位部件的组装位置；组建由以太网通讯模块完成PLC与上位机及视觉系统之间的数据交换。
关键字：运动控制；视觉系统；以太网；三菱Q06H
引 言：随着工业自动化的快速发展、人工成本的不断上涨，在制造型企业的生产车间里,劳动密集型的生产线也逐渐被快速、高效、稳定的高集成自动生产线取代。在设计开发自动化生产线上，采用高性能型PLC的CPU并搭载相应的运动控制模块、以太网模块实现与视觉系统通信在自动化行业中得到广泛的运用。
1、加工组装流程工艺分析及控制执行单元选型
对于多工位流水线自动化的实现，必须保证产品生产过程的品质，生产效率是否能达到产能要求。因此在设计开发过程中对生产工艺进行分析最为必要的是选择相应的电气执行元件代替人手加工。一般的部品组装流水线人员的动作分为：人手取部品，人手调整部品位置，人手把部品放入工装，启动组装设备，人手取出，人眼判断加工品质，传递部品到下一工位，下工位继续相应的不同工序的组装加工。
例如：单品供料→视觉判定→位置调整→组装→熔接固定→熔接检查→打胶→润滑剂涂附→成品品质检查→完成品装箱。为了实现以上动作，需提选择合适的元件实现执行动作。人机界面，气动执行元件，各类传感技术，真空检测，温度控制，编码器同步控制，定量打胶控制，定量涂润滑剂控制，电机运动，变频控制，视觉判断技术，以太网通讯，上位机等相关等。
基于对本机整体运动控制、数据交换以及全部产线投入的数据采集等分析,对控制系统的要求具有大容量存储、快速处理和系统可扩展性功能。因此选择采用三菱PLC高性能型号Q06HCPU控制系统， GOT2000系列触摸屏可视化，扩展搭载相应I/O模块QH42P；运动控制模块QD70P8N；以太网模块QJ71E71-100。电气控制部分由运动轴搬运组件；旋转轴相位调整，视觉判定系统；视觉与PLC以太网通讯部件等组成，由此搭建系统图如下：
2、设备整机负荷计算、电气保护元件及配线选型
在电气设备电路设计时，基于设备的安全稳定运行，必须计算好整机的负荷，根据整机负荷计算值，选择相应的短路保护，过载保护，接地保护的设备并选择合适的配线线径。目前市场上的单相漏电断路器，从保护功能来说，大致有漏电保护专用、漏电保护和过电流保护兼用及漏电、过电流、短路保护兼用三种产品。漏电断路器的额定电流主要有6、10、16、20、40、63、100、160、200安等多种规格，该自动化设备整体计算功率2.5KW。正常情况下，线路的额定负荷，只能等于或小于线路所能承载的负荷，漏电保护额定电流应该是回路负荷的1.2-1.5倍即可。国标10平方毫米以下的铜芯电线，按8A/mm2负载电流计算比较安全。该设备供电电压为220V，根据设备负荷选择比较合适的进线为2.5 mm2*8A=20配≤20A漏电保护断路器。
直流部分选择的开关电源应具备保护功能（过电压保护，过温度保护，过载保护）；应用功能（供电正常、供电失效，遥控功能，遥测功能，并联功能），特殊功能（功因矫正，不断电）。为了使电源寿命增长，可选用多30%输出功率额定的开关电源供电。直流部分采用24V供电，考虑到成本及供电负荷原因，采用2路500W开关电源并行运行。由于伺服电机，步进电机等电气元器件较多，开关电源在安装时应使用粗短的配线连接电源FG端与设备外壳接地端，这样不仅可以确保安全，还能防止噪音与漏电流，避免PLC脉冲控制受到干扰，影响控制精度。
配线部分考虑集成化端子台配线方式，该项目CPU单元为三菱Q06H系列PLC，针对该PLC的型号，选择端子台的一般用途、接地用、配电用、其它特殊应用等，选择好相应的端子台。对整机电气控制柜的空间及布线要求，对端子台的尺寸规格、额定电流、额定电压、适用导线、连接器类型还有防火耐燃等级上选择合适的端子台在集约式的配线。
3、软件程序设计模块化
三菱Q系列PLC编成环境GX Work3编程序软件在程序设计中提供了4种不同的语言格式给设计者，梯形图语言、FBD语言、STC语言、ST 语言，其中梯形图语言在程序设计及程序的调试最为简便，不同的开发者在程序可读性上最为便捷易懂，方便设备在批量生产时不同技术者快速掌握及程序修改调试。在该项目中16工位独立运行，所以在程序设计中，程序部件采用单一各工位独立模块的程序设计思路。减少了各工位动作关联的部分在程序排查通信异常过程中的时间，方便了整机调试，实现故障快速发现对应处理。
该项目程序设计，各工位程序设计独立编写调试，在工位选择及工位间信号传输过程中，设计采用寄存器D 进行BCD代码对16工位比较识别，具体操作方式见图表：
在实际生产的加工机种的不同，生产工艺及组装工位的需求也不一致，因此生产加工中需要该自动化线具备选择不同的加工方式。在程序设计上采用寄存器D数据化来表述。根据机种工位数量的要求，进行程序上的加工工位快速选择。例如：寄存器D当中的数字为FFFF（1111 1111 1111 1111）代表16工位同时进行。工位独立模块程序设计的优点在于，1-16个工位只要赋值为0的就可以把不用的工位屏蔽，不影响整条自动化线的自动运行模式。
4、各电气控制组件的通信技术
该自动化线的通讯部分主要包括主控系统PLC、人机界面、上位机系统、视觉系统四部分的数据交互通讯。硬件结构上三菱Q06HCPU 内置了RS232串口，实现PLC与GOT2000系列人机界面通讯。Q06HCPU需要搭载以太网模块，可实现TCP/IP、MELSEC通讯（简称MC协议）等通讯协议。PLC、上位机系统、视觉系统三者间主要根据MC协议实现设备间的相互数据交互通讯。视觉系统采用4台相机经过交换机进行网口扩展方式同时搭载在上位机上通讯，上位机进行二次图像处理软件开发。上位机视觉系统根据MC协议格式发送数据读取PLC当中的触发拍照指令，相机实现自动拍照功能。视觉系统将相机捕捉的图象进行分析运算，将运算结果根据MC协议直接将数据写入PLC的相应寄存器中，PLC发送触发拍照指令并接收上位机响应后，自动延时读取相应数据寄存器的位置数据，根据相关的视觉数据进行位置校正，实现精准定位。实现PLC与上位机视觉系统闭环控制。
例如：上位机通过MC协议读取PLC发送的拍照触发指令的请求报文格式（3E帧ASCII码）读取PLC中间继电器M0的状态格式如下示：
3530303030304646303346463030303031383030313030343031303030314D2A3030 3031303030303031
5、PLC运动控制分析
整机完成16工位的自动加工，运动控制部分包括步进马达、伺服马达共23轴。要同时保证生产品质、生产周期，因此加工组装时对部分部件的位置精度控制和速度控制都有较高要求。本项目中采用的是Q06HCPU 扩展3个集电极开路输出模块QD70P8N实现23轴的运动控制。QD70系列定位模块每个轴最多可以设置10项定位数据，包括定位地址、控制方法等，速度方面的精细变化确保了的加速/减速平稳，从而使其适于连接到启动停止是需平稳过渡的步进马达。在位置控制起动轴的起动处理时间缩短到0.1ms ，在多个轴同时起动时在一个扫描周期内定位起动信号同时变成ON，轴之间没有起动延迟。而且QD70中对出错定义进行了细分，当异常发生时，大大提高了设备的维护性能。
整机的运动部件执行的动作要求不同，采用的原点回归方式（OPR控制方法）也不同。对于硬件上能够实现零信号（PG0），近点狗（DOG），偏差计数器清零（CLEAR）同时接入，且精度要求高的步进马达、伺服采用近点狗方法。当近点狗从OFF变成ON时起动减速到蠕动速度，在近点狗从OFF变成ON后检测到零信号轴停止并且在完成偏差计数器清零输出，完成OPR控制。对于OPR控制的所有参数都可以通过GX Work3编程软件中智能功能模块的对应轴参数进行设定。近点狗方法更好的保证回归原点不因运动速度高，及运动轴惯量影响到原点的精度，确保运动控制中位置精度的要求。在成品取放工位的驱动机构运行中精度要求允许误差±1mm,且结构空间限制硬件无法满足的零信号接入的马达，采用计数2方法。具体程序设计：例轴1回原点在轴控制缓冲存储器(U8\G52)设置起动方式为机械OPR控制(赋值K9000), PLC CPU→QD70P8N输出定位启动Y88。
对各个轴的位置控制是通过接收来自QD70P8N的脉冲命令完成电动机驱动。通用输出可输出200Kpps的脉冲。脉冲输出模式有PULSE/SIGN模式和CW/CCW模式,脉冲输出逻辑是正逻辑负逻辑等系列参数可以通过参数配置和修改。定位控制方法是将定位数据表进行点位设定或采用指令形式写入定位数据后，输出定位启动信号。该项目中为了便于调试修改,定位控制方式、命令速度、位移量等采用命令赋值写入形式进行定位数据设定。下图是1轴定位程序设计实例：
小结
通过以上整条自动流水线的各个部分详细技术分析，结合开展项目的功能要求，三菱Q06H PLC通过搭载相应的功能模块将多工位自动流水线实现。对于相对复杂的工控系统，尤其是运动控制轴轴数较多、数据需实时访问、交换等环境，利用三菱中大型PLC CPU 扩展搭载相关的功能块的方式来实现复杂的工控系统是比较理想的选择。
参考文献：
[1] Q 系列MELSEC 通讯协议 参考手册
[2]QCPU 用户手册
[3]Q系列以太网接口模块 用户手册（应用篇）
[4]QD70型定位模块 用户手册
[5]杨剑.袁浩 基于三菱Q系列PLC工业生产控制系统的设计. 实验室科学, 2010，13（2）：162-164.
[6]侯玉宝.陈忠平.邬书跃《三菱Q系列PLC从入门到精通》. 中国电力出版社 ,2017，04
论文作者:阳崇琴
论文发表刊物:《防护工程》2019年10期
论文发表时间:2019/8/20
标签：工位论文; 上位论文; 系统论文; 视觉论文; 模块论文; 程序设计论文; 以太网论文; 《防护工程》2019年10期论文;