基于PLC 控制的电子产品智能灌胶机的研制

王青叶

（天津工业职业学院<工业与信息化系>，中国 天津 300400）

0 引言

随着工业4.0 逐步展开，社会生产力将实现大幅飞跃， 全球制造业制造模式正在悄然地发生变革，中国制造的高端制造已没优势，低端制造业流向劳动力成本低国家，这双重挤压倒逼中国制造模式变革。 我国智能制造领域相关扶持政策的相继出台为中国制造模式变革提供了新的机遇和挑战，随着智能技术的出现，智能制造渗透领域正在拓展。 而电子产品生产与制造业主要面临着劳动力紧缺、 成本急剧上升、市场需求个性化、技术与产品的快速更新等问题，这些问题亟待解决。为此，研制出能够改善工艺、提高质量和效率的电子产品灌胶机能有效改善以上问题、优化企业产值、提高生产效率有着深远意义。 本文研制的电子产品智能灌胶机是基于工业以太网的PLC 控制系统，该系统采用Smart S7-200PLC 控制灌封胶工艺流程。

1 功能要求

电子产品智能灌封机要求能够实现以下功能：（1）A/B 两种胶分别使用两个泵将其注入储液罐中，并按照预设时间进行加热；（2）A/B 两种胶按照预设的比例注入混合装置中，预设比例可以从1∶1 至1∶10连续可调；（3） 混合装置对注入的A/B 两种胶进行充分的融合和搅拌，之后即可进行灌胶，灌胶量可以根据待灌胶电子产品的体积、面积的不同进行调整；（4）机械手通过由伺服电机控制的精确定位系统自动将待灌胶产品送至加工地点；（5）灌胶完成后，产品由机械手运送到实际指定位置后返回；（6） 灌胶系统具有异常报警、保护等功能，工作安全可靠；（7）具有通信功能，通过可靠的工业的以太网进行通信以提高系统的实时性、准确性、可靠性等性能，满足现场工业要求；（8） 整个系统既可单站工作也可联机工作；（9）使用触摸屏或者通过生产系统的智能监控系统来设定A/B 两种胶的加热时间、 待加工产品的数量和灌胶量、智能控制灌胶机的启停、机械手的运行距离以及加工完毕产品的输送位置、显示智能灌胶机工作情况及报警等相关数据。

2 整体设计方案

本文智能灌胶机的整体方案:该系统整体设计方案主要由计算机、工业交换机、触摸屏、主站PLC 和从站PLC 五部分组成，其中计算机、触摸屏、主站PLC和从站PLC 均由网线连接到工业交换机构成工业以太网通信平台，各部分功能简介如下：

（1）计算机在设备研发初期主要用来设计、调试主从站的PLC 程序和MCGS 触摸屏的监控程序，设备正式运营之后，计算机可去掉。

（2）工业交换机是计算机、MCGS 触摸屏、主站和从站之间的工业以太网通信通道。

（3）MCGS 触摸屏主要设定相关数据、 监控灌胶系统的运行情况。 通过触摸屏，可以设定A/B 两种胶的加热时间、待加工产品的数量和灌胶量等相关预设参数，还可监控设备运营情况。

（4）主站PLC 控制搬运机械手和伺服电机的精确定位系统，其中机械手负责将待灌胶的电子产品搬运到待加工区域，加工完毕后，将灌胶完毕的电子产品运送到指定位置。

（5）从站PLC 控制灌胶机按照产品的实际控制要求对电子产品进行灌胶。

3 电气控制系统分析与设计

3.1 主站控制部分的设计

3.1.1 主站的工作过程分析

电子产品智能灌胶机的主站控制系统主要控制协调机械手搬运将带加工产品搬运到加工区，待加工站（从站）灌胶完毕之后，将产品搬运到指定区域，同时，它还接收来自触摸屏的主令信号，读取网络上从站的状态信息，加以综合，向从站发送控制指令，协调整个系统工作。

该单元主要由机械手装置、 直线运动传动组件、PLC 和伺服定位组件构成。 其工作过程如下：（1）设备上电，初态检查，主要检查机械手是否在原位，触摸屏与主从站之间通信正常等内容，这些内容工作正常之后，向触摸屏发送检查完毕；（2）当接收到按钮或者来自触摸屏的启动信号时，主站开始工作；（3）如果从站的灌胶环节已准备就绪，待加工区域没有待灌胶的电子产品，待加工的产品数量大于1 时，机械手负责将待灌胶的工件搬运到待加工区；（4） 等待从站加工完毕的信号；（5） 当接收到从站发送过加工完毕的信号后，启动机械手和伺服定位系统，根据要求将加工完毕的电子产品运送到指定区域，之后已加工电子产品数量加 1，并发送给触摸屏返回；（6）重复第（3）步的动作；（7） 当接收到停止按钮或者来自触摸屏的停止信号时，主站在运送完毕之后停止工作；（8）工作过程中，如果发生不正常的事件，按下急停按钮，整个系统停止工作。

3.1.2 主站电气控制部分的设计

主站的核心器件是PLC， 本系统中选择S7-200系列的SMART ST40 DC/DC/DC， 这款PLC 支持工业以太网通信，共有24 点输入，16 点晶体管输出。 原点接近开关选用的是一个无触点的电感式传感器，用于定位运料小车的起始位置。电感式传感器是利用电涡流效应的原理制作而成，当被测金属物体接近电感线圈时，传感器产生了涡流效应，引起振荡器振幅或频率的变化， 由传感器的信号调理电路 （包括检波、放大、整形、输出等电路)将该变化转换成开关量输出，从而达到检测目的。 在本系统中，为了检测运料小车（运料小车的侧面安装有金属部分） 是否达到起始位置，在起始位置安装了一个电感式传感器。 在安装和选用接近开关的时候，须认真考虑检测距离、设定距离，保证传感器可靠动作。左、右限位开关均是有触点的微动开关，这两个微动开关动合触点接PLC 输入点I0.0 和I0.1， 它们的静触点须连接到公共点COM 上，动断触点必须连接到伺服驱动的控制端口CNX 的CCWL 和CWL 脚作为硬件联锁保护， 防范因程序错误引起的极限故障而造成设备损坏。机械手的上下限到位、伸出缩回到位、旋转左右限位到位均采用磁性开关检测机械手是否到位，机械手的上升、下降、伸出缩回到位、旋转采用采用电磁阀。 启动、停止、急停按钮、指示灯、伺服电机驱动器的脉冲、方向只需直接分配I/O 口资源即可。

3.2 主站控制部分的设计

本站主要完成产品灌胶和储液罐清洗等工作，其工艺过程及要求如下： 本设备为两种液体混合的装置，系统中有3 个液位传感器，负责检测液位，其安装位置可调整，实现间接调整液体A、B 的混合比例，其中，中间位置的液位传感器的位置是可调的，可根据实际工艺要求在一定的范围内调整中间液位传感器的位置，即可实现调整AB 两种胶的混合比例；液体A、B 阀门和混合液体的阀门分别由3 个电磁阀控制，1 个搅拌电机。本课题的调整比例范围是 1∶1～1∶10。温度传感器是用来检测混合灌封胶的温度，由此判断混合溶液的流动性是否良好。

产品灌胶工艺要求：按下启动按钮，只要储液罐中有AB 混合胶， 即混合液液位高于高位的液位传感器时，就打开混合液体的阀门开始灌胶；当液位低于低位的液位传感器，打开放液阀，延时5 s，放空储液罐，关闭放液阀；打开A 液阀门，放入A 液体；当液面上升至制定位置时，关闭A 液阀门，打开B 液阀门，放入B 液体；当液面上升至制定位置时，关闭B 液阀门，打开搅拌电机开始搅拌，延时10 s（电机搅拌时间是10 s，搅拌时间亦可根据实际工艺要求在触摸屏上设定搅拌时间），关闭电机，此工艺完成即可以灌胶产品。

4 灌胶机的程序设计思路

智能灌胶机程序设计主要包括PLC 和HMI 两部分。

4.1 PLC 程序设计思路

PLC 程序设计采用顺序控制设计方法， 设计时，为提高所编写PLC 程序的质量， 提高程序的可靠性，按照以下思路进行设计：（1） 分析控制系统的工作过程；（2）接着将控制过程划分成若干个时间段——步；（3）分析每步表示控制输出的动作；（4）确定各步之间的转换条件；（5）绘制顺序功能图；（6）依照顺序功能图以“步”为主线，使用顺序控制指令“一步一步”设计、调试PLC 程序。 注意，如果有不同的步的动作相同，可以中间变量，可以有效地避免出现双线圈现象。使用顺控法设计出的程序，结构严谨，执行效率高，能清楚反映控制系统的全部工作过程。

4.2 灌胶机的HIM 监控设计

HIM 的主监控设计，A/B 两种胶的加热时间、待加工产品的数量和灌胶量以及产品加工完毕后需要的输送位置均可以在参数设置窗口进行在线设置，以达到智能监控的目的。

5 通信系统设计

本文系统的通信部分从管理层、车间层、现场级均采用工业以太网，即采用“一网到底”。工业以太网通信数据量较大，传输距离较远，传输速率快，可适应恶劣环境和抗干扰要求高的工业场合，又因采用TCP/IP 通信协议， 可以通过以太网将自动化系统连接到企业内部互联网（Intranet)、外部互联网（Extranet）和英特网（Internet），不需要额外的硬件设备，就可实现管理网络与控制网络的数据共享，即实现“管控一体化”。

本文研制的智能型电子产品灌胶机智能化、网络化的程度较高，降低了生产成本，增强了灌胶机的通用性，使其灵活运用于多种电子产品灌胶，满足实际应用需求。