張寶珍，張方方，樊軍慶

（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南?？?70228）

新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

卸膠工序PLC電氣操控系統(tǒng)的觸摸屏設(shè)計(jì)

張寶珍，張方方，樊軍慶

（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南?？?70228）

針對(duì)天然橡膠初加工生產(chǎn)自動(dòng)化程度低問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于手動(dòng)、自動(dòng)等操控模式的卸膠工序PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，但大量按鈕的使用導(dǎo)致可編程序控制器（PLC）的輸入點(diǎn)位顯著增加，且使接線變得復(fù)雜。為此基于三菱觸摸屏編程軟件GT-Designer設(shè)計(jì)了卸膠工序的觸摸屏操控系統(tǒng)，用觸摸屏代替實(shí)際按鈕進(jìn)行系統(tǒng)操控。觸摸屏設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置和畫(huà)面創(chuàng)建兩個(gè)步驟，其中畫(huà)面的創(chuàng)建包括首頁(yè)界面、主界面和手動(dòng)界面三個(gè)步驟。仿真證明，該觸摸屏操控系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，很好地滿足了卸膠工序的生產(chǎn)要求，且使操控簡(jiǎn)單化、可視化。該觸摸屏操控系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單便捷、自動(dòng)化程度高，可在天然橡膠加工生產(chǎn)中推廣使用。

天然橡膠；橡膠初加工；電氣控制；三菱PLC；觸摸屏

由于中國(guó)海南獨(dú)特的地理和氣候環(huán)境條件，海南已成為中國(guó)重要的天然橡膠生產(chǎn)基地，天然橡膠加工也是海南的特色產(chǎn)業(yè)之一［1，2］。但目前多數(shù)天然橡膠初加工企業(yè)的生產(chǎn)靠工人手工進(jìn)行，設(shè)備自動(dòng)化水平低，生產(chǎn)效率偏低。為提高橡膠初加工設(shè)備的自動(dòng)化水平［3］，改變橡膠加工的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式［4］，本課題組設(shè)計(jì)了自動(dòng)化程度較高的整條天然橡膠初加工生產(chǎn)線。

為了使橡膠初加工設(shè)備的控制系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，在設(shè)計(jì)時(shí)，操控系統(tǒng)有自動(dòng)、手動(dòng)等操作模式，從而增加了按鈕的使用量。手動(dòng)控制的作用：第一，當(dāng)自動(dòng)運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)手動(dòng)控制也能將整個(gè)卸膠工序順利完成；第二，手動(dòng)控制可將設(shè)備恢復(fù)到初始位置，即手動(dòng)回原點(diǎn)，從而保證自動(dòng)控制方式能順利啟動(dòng)；第三，在設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí)，也需要對(duì)各元件進(jìn)行手動(dòng)操作。但是，手動(dòng)控制的采用使得PLC的輸入點(diǎn)位顯著增加，增加了PLC的購(gòu)買成本，另外也大大提高控制面板布置的難度，增加了接線的復(fù)雜度。因此，為降低操控的復(fù)雜性，提高可視性，降低PLC的購(gòu)買成本，本文以橡膠初加工的卸膠工序即出爐、卸料、吊框單元的電氣控制系統(tǒng)為例進(jìn)行其操控系統(tǒng)的觸摸屏設(shè)計(jì)，采用觸摸屏代替眾多機(jī)械控制按鈕，使操控系統(tǒng)更簡(jiǎn)單化、便捷化［5］。

1　卸膠工序工藝流程

橡膠加工廠對(duì)天然橡膠液進(jìn)行初加工，使其變?yōu)楣腆w膠塊，以利后續(xù)加工。本課題組設(shè)計(jì)的天然橡膠初加工廠生產(chǎn)線包括裝料部分，推濕膠車上渡車部分，橡膠干燥（烘干）部分，卸料即出爐、卸料、吊框部分，機(jī)械手抓膠部分共5個(gè)關(guān)鍵工序。本文選取卸膠工序即出爐、卸料、吊框過(guò)程進(jìn)行操控系統(tǒng)的觸摸屏設(shè)計(jì)。卸膠工序工藝流程如圖1所示。

圖1　卸膠工序的工藝流程圖

2　PLC電氣控制系統(tǒng)

根據(jù)橡膠卸料工序即出爐、卸料、吊框的生產(chǎn)工藝要求，其電氣元件布置圖如圖2所示，圖2中各元件的實(shí)現(xiàn)功能見(jiàn)表1和表2，表1、表2分別為PLC的輸入、輸出地址分配表，在表1和表2中，M為電機(jī)；JK為接近開(kāi)關(guān)；DT為電磁鐵；XK為行程開(kāi)關(guān)；SA為轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)；KM為線圈。

圖2　卸膠工序電氣元件布置圖

表1　輸入信號(hào)及地址分配說(shuō)明表

表2　輸出信號(hào)及地址分配說(shuō)明表

根據(jù)卸膠的工藝過(guò)程，給出卸膠工序PLC電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖3所示。

圖3　出爐、卸料、吊框電氣控制流程圖

為使生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平比較高，設(shè)備具有原點(diǎn)回歸、手動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行、單步和單周期共5種工作方式。設(shè)備正常在自動(dòng)方式下工作，其它方式用于設(shè)備調(diào)試、檢修及故障后的回原點(diǎn)［6］。

3　觸摸屏設(shè)計(jì)

3.1關(guān)于觸摸屏

觸摸屏是感應(yīng)式液晶顯示裝置，是人機(jī)交互方式的一種，可在工業(yè)控制領(lǐng)域中取代機(jī)械式按鈕面板。觸摸屏的工作過(guò)程是檢測(cè)裝置上接受的觸摸信息，將其轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)后送到CPU，運(yùn)算處理后，接受CPU發(fā)回的指令信號(hào)，并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。觸摸屏具有操作簡(jiǎn)單、信息豐富、安全可靠、易于維護(hù)等特點(diǎn)［7，8］。

卸膠操控系統(tǒng)使用了一臺(tái)三菱（800*600）觸摸屏，用三菱GT Designer 3軟件進(jìn)行觸摸屏的程序設(shè)計(jì)，GT Designer 3可提供多種控制器件庫(kù)、圖形控件和功能控件，可以組合出各種動(dòng)態(tài)功能和控制功能，且能夠讀取PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)，顯示現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)等。

3.2觸摸屏界面設(shè)計(jì)3.2.1系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置

根據(jù)卸膠操控系統(tǒng)的要求，觸摸屏界面設(shè)計(jì)采用多級(jí)切換方式。系統(tǒng)運(yùn)行后首先進(jìn)入主界面，通過(guò)畫(huà)面切換按鍵進(jìn)入各級(jí)子界面，即可進(jìn)行各種操作。在創(chuàng)建畫(huà)面之前，需要通過(guò)向?qū)гO(shè)置所使用的GOT、所連接的可編程邏輯器件的類型以及畫(huà)面標(biāo)題等。具體步驟：

（1）單擊“新建”按鈕，出現(xiàn)新建工程向?qū)?，再單擊“下一步”，選擇GOT類型。

（2）確定GOT類型后，單擊“下一步”，出現(xiàn)選擇與GOT相連接機(jī)器界面，此處必須選擇的機(jī)種是“MELSEC-FU”，使之與PLC相對(duì)應(yīng)，觸摸屏與PLC才能夠正常通信。

（3）單擊“下一步”，出現(xiàn)選擇MELSEC-FU的選擇I/F選擇界面，再單擊“下一步”，下一個(gè)界面中的通信驅(qū)動(dòng)程序選擇“MELSEC-FU”.

（4）單擊“下一步”，確認(rèn)信息后再單擊“下一步”，出現(xiàn)畫(huà)面切換軟元件設(shè)置界面，此處不作修改。

（5）單擊“下一步”，確認(rèn)無(wú)誤后單擊“結(jié)束”，完成系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置。

3.2.2畫(huà)面的創(chuàng)建

根據(jù)卸膠操控系統(tǒng)的要求，將控制系統(tǒng)的界面分為首頁(yè)界面、主界面和手動(dòng)界面三層進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）首頁(yè)設(shè)計(jì)。首頁(yè)設(shè)計(jì)的目的是介紹控制系統(tǒng)的基本信息，包括項(xiàng)目說(shuō)明、設(shè)計(jì)人、日期、時(shí)間、設(shè)計(jì)單位。具體設(shè)計(jì)步驟：

1）插入背景圖片。選一張圖片，單擊“圖形”選擇“圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入”，進(jìn)行圖像調(diào)整使其正好與觸屏尺寸相匹配。

2）文本輸入。單擊工具欄中的“文本輸入”，光標(biāo)變成十字交叉，單擊畫(huà)面設(shè)計(jì)區(qū)，跳出文本輸入對(duì)話框，輸入“橡膠加工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)”，單擊“確定”，用同樣的方法可以繼續(xù)輸入其他文本。

3）時(shí)刻和日期的設(shè)計(jì)。單擊“時(shí)刻日期”圖標(biāo)，光標(biāo)變成十字交叉形狀，在畫(huà)面設(shè)計(jì)區(qū)域單擊，接著單擊箭頭圖標(biāo)，使光標(biāo)變回箭頭，光標(biāo)變回箭頭后，雙擊“時(shí)刻日期”，彈出顯示對(duì)話框，對(duì)日期/時(shí)刻數(shù)值的尺寸、顏色和圖形等方面進(jìn)行選擇。

4）畫(huà)面切換按鈕制作。根據(jù)操控要求設(shè)計(jì)畫(huà)面控制按鈕，觸摸屏幕任何地方都能進(jìn)入下一個(gè)畫(huà)面進(jìn)行操作，單擊“對(duì)象”選擇“開(kāi)關(guān)”，再選擇“畫(huà)面切換開(kāi)關(guān)”，光標(biāo)變成十字交叉后，繪制畫(huà)面將整個(gè)屏幕完全覆蓋，讓光標(biāo)變回箭頭形后，雙擊畫(huà)面，彈出畫(huà)面切換開(kāi)關(guān)對(duì)話框，切換畫(huà)面的種類選擇“基本類型”，切換到固定畫(huà)面序號(hào)選擇“2”，按鈕的圖形選擇“無(wú)”。單擊“確定”完成首頁(yè)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的首頁(yè)界面如圖4所示。

圖4　首頁(yè)界面圖

（2）主界面設(shè)計(jì)

主界面的設(shè)計(jì)包括啟動(dòng)、停止、自動(dòng)、手動(dòng)幾部分，在主界面上能完成整個(gè)卸膠工序的操控。設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

1）同首頁(yè)設(shè)計(jì)一樣，需要插入相應(yīng)的文本進(jìn)行說(shuō)明，在頁(yè)面切換按鈕的設(shè)計(jì)上，不需要將其覆蓋整個(gè)屏幕，只需要繪制出一定的大小，加文字說(shuō)明按鈕的功能即可。

2）各按鈕開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)是主界面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，決定著整個(gè)觸摸屏操控系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期要求。

3）在操作界面設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使用戶按照屏幕上簡(jiǎn)單的語(yǔ)言提示就能正確完成操作。

4）設(shè)計(jì)時(shí)盡量添加指示燈，通過(guò)指示燈來(lái)提示用戶目前系統(tǒng)的運(yùn)行情況，便于進(jìn)行下一步的操作。

5）設(shè)計(jì)5種工作方式切換按鈕時(shí)，5個(gè)按鈕能互鎖，設(shè)計(jì)時(shí)給按鈕追加功能，先給其他按鈕設(shè)置為“位復(fù)位”，再給主要按鈕設(shè)置為“位反轉(zhuǎn)”。

在背景顏色設(shè)置完成后，可開(kāi)始主界面的設(shè)計(jì)，主界面設(shè)計(jì)時(shí)主要插入的元件是開(kāi)關(guān)和指示燈，單擊工具欄中“對(duì)象”，再選擇“開(kāi)關(guān)”，再單擊“位開(kāi)關(guān)”，在設(shè)計(jì)界面區(qū)域內(nèi)適合的位置進(jìn)行繪制，繪制完成后，需要對(duì)所繪制的開(kāi)關(guān)按鈕進(jìn)行設(shè)置，其中軟元件的設(shè)置和動(dòng)作設(shè)置是最重要的，它決定著觸摸屏是否能夠正確操控系統(tǒng)。軟元件的設(shè)計(jì)需要將與梯形圖連接對(duì)應(yīng)，跟實(shí)際的按鈕開(kāi)關(guān)接線一樣，控制一個(gè)梯形圖的軟元件動(dòng)作。設(shè)計(jì)的主界面如圖5所示。

圖5　主界面圖

（3）手動(dòng)界面設(shè)計(jì)

手動(dòng)控制按鈕比較多，需要設(shè)計(jì)在單獨(dú)的一個(gè)界面上，所以在主界面上添加了一個(gè)畫(huà)面切換按鈕，通過(guò)畫(huà)面切換按鈕即可進(jìn)入手動(dòng)控制界面。手動(dòng)控制界面分別控制電磁鐵和氣缸，共包括26個(gè)按鈕，按照控制流程使觸摸按鈕按照控制順序放置，并用藍(lán)色直線標(biāo)注。設(shè)計(jì)的手動(dòng)控制界面如圖6所示。

圖6　手動(dòng)控制界面圖

4　觸摸屏操控系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證

在電腦上需安裝三菱PLC編程軟件GX-Designer、編程仿真軟件GX-Simulator，三菱觸摸屏編程軟件GT-Designer、觸摸屏仿真軟件GT-Simulator.利用GT-Designer軟件編程設(shè)計(jì)好畫(huà)面，調(diào)試完畢后再下載到觸摸屏，在主界面和手動(dòng)界面即可完成所有卸膠工序的操作過(guò)程。觸摸屏仿真調(diào)試的方法為：

（1）使用GX-Designer軟件編寫(xiě)PLC控制程序，再用GX-Simulator軟件進(jìn)行仿真調(diào)試，以確保梯形圖的設(shè)計(jì)無(wú)誤。

（2）打開(kāi)GT的模擬仿真軟件GT-Simulator，單擊該軟件工具欄中的打開(kāi)按鈕，根據(jù)畫(huà)面的存儲(chǔ)路徑打開(kāi)設(shè)計(jì)好的畫(huà)面，用鼠標(biāo)單擊相應(yīng)的按鈕，如果聽(tīng)到“嘀”的聲音，說(shuō)明輸入信號(hào)已經(jīng)起作用，任意點(diǎn)擊主界面5種工作方式的任一按鈕，都只有對(duì)應(yīng)工作方式的指示燈亮。

5　結(jié)束語(yǔ)

多工作方式的卸膠工序即出爐、卸料、吊框過(guò)程的PLC電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)致使用了大量控制按鈕，用三菱觸摸屏代替機(jī)械式按鈕完成了整個(gè)操控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，既降低了PLC的購(gòu)買成本和控制面板接線的復(fù)雜度，又方便了操控。經(jīng)仿真試驗(yàn)表明，卸膠工序觸摸屏操控系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，操作簡(jiǎn)單、可視化好，能夠很好地完成卸膠工序的操控過(guò)程。該卸膠工序觸摸屏操控系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，自動(dòng)化程度高，可操作性強(qiáng)，可應(yīng)用于天然橡膠初加工生產(chǎn)中。

［1］余偉.海南農(nóng)墾橡膠產(chǎn)業(yè)生態(tài)審計(jì)研究［D］.海南：華南熱帶農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007，1-2.

［2］徐文，張江雄，唐文浩.等.海南省天然橡膠加工廢水綜合處理及利用技術(shù)分析［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2014，（1）：241-249.

［3］呂柏源.從社會(huì)發(fā)展淺談我國(guó)橡膠機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)［J］.橡塑技術(shù)與裝備，2014，38（12）：26-30.

［4］于清溪.橡膠加工工藝設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)窺探［J］.世界橡膠工業(yè)，2002，29（2）：41-50.

［5］劉倫富.PLC與觸摸屏應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［6］廖常初.可編程序控制器的編程方法與工程應(yīng)用［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2001.

［7］楊后川.三菱PLC應(yīng)用100例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［8］李響初.圖解三菱PLC、變頻器與觸摸屏綜合應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

Design Touch Screen Operation and Control System based on Electrical PLC of Discharge Natural Rubber Process

ZHANG Bao-zheng，ZHANG Fang-fang，F(xiàn)AN Jun-qing
（Hainan University Electrical and Mechanical College，Haikou Hainan 570228，China）

According to the problem of low-degree automation for natural rubber preliminarily production at present，the PLC（Programmable Logic Controller，PLC）electrical auto-control system of discharge rubber process is designed based on manual and auto operation mode，however，the number of PLC input is remarkable increased because of a great deal of buttons used，and also it lead to wiring complex.The operation and control system is designed for discharge rubber process based-on GT-Designer of Mitsubishi touch screen design soft，the buttons are replaced by touch screen in our designing scheme，two steps which system set and picture set are included in the design scheme，three steps which home interface，main interface，manual interface are included in the picture set.In simulated test，the operation of touch screen control system runs steadily，it is well content with the requirement of production process，its operation is simple and visual.The conclusion is presented that the control system is simple and high automation，it can be used in practical natural rubber production.

natural rubber；rubber preliminarily process；electrical control；mitsubishi PLC；touch screen

TP205

A

1672-545X（2016）08-0103-05

2016-05-04

海南省產(chǎn)學(xué)研一體化專項(xiàng)資金項(xiàng)目（編號(hào)：cxy20150018）；海南大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目（編號(hào)：kyqd1538）

張寶珍（1969-），女，河北唐山人，博士，副教授，主要從事電氣自動(dòng)控制、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析等研究；樊軍慶（1967-），男，河北邯鄲人，碩士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造方面的研究。