秦 琪，王永雄

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

基于MCGS和PLC的珍珠棉燙貼機報警系統(tǒng)設計

秦 琪，王永雄

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

針對目前珍珠棉燙貼機存在調(diào)試安裝復雜、故障排查難度大且不便于集中監(jiān)控的問題，設計了一種以PLC為主控制器，MCGS為人機交互的珍珠棉燙貼機報警系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過采集傳感器、繼電器和溫控模塊的信號，在PLC中進行故障判斷和處理，并將故障信息顯示和保存于MCGS設計的觸摸屏中；同時采用電流互感原理設計了加熱管自檢裝置。實際使用表明，此報警系統(tǒng)具有人機交互友好、自動化程度高、操作簡單等優(yōu)點，能有效提高設備調(diào)試安裝和故障檢測效率。

珍珠棉燙貼機；報警系統(tǒng)；PLC；MCGS；自檢裝置

珍珠棉又稱(聚乙烯)發(fā)泡棉，EPE(Expandable Polyethylene)，具有質(zhì)輕、軟、抗沖擊、隔熱、無毒等優(yōu)良性，因而成為我國一種新型發(fā)泡包裝材料[1]。 目前珍珠棉深加工行業(yè)中，以PLC為核心的珍珠棉燙貼設備得到廣泛應用， 通常采用帶式輸送機進行傳送，采用氣壓傳動進行片材燙壓。

由于生產(chǎn)過程日趨復雜，系統(tǒng)的工作任務更加多樣，致使故障機率增加。因此，一旦發(fā)生故障，無法快速準確判斷故障發(fā)生位置，影響了故障維修效率，容易造成設備損壞，甚至人員傷亡事故。另外，為了保證燙貼的平整性和牢固性，設備在調(diào)試安裝時，需要對其傳送帶和氣缸運動位置做細致調(diào)整，造成安裝調(diào)試過程難度大且耗時。

為解決上述問題，設計了一種珍珠棉燙貼機報警系統(tǒng)，可處理設備調(diào)試和故障維修問題。

1 系統(tǒng)總體設計方案

珍珠棉燙貼機報警系統(tǒng)以PLC為控制器，通過采集傳感器、繼電器和溫控模塊的信息，在PLC中進行判斷，從而確定相應的報警信息，顯示于MCGS設計的觸摸屏中。其中，設計的加熱管自檢裝置可單獨顯示每一根加熱管的工作情況。此報警系統(tǒng)主要包括運動檢測報警、繼電器故障報警、燙板高溫報警和加熱管工作情況報警。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 硬件組成

該系統(tǒng)涉及邏輯控制和數(shù)據(jù)運算，選用永宏FBs系列PLC，型號為FBs-40MA，是一種外型小巧的新一代微型PLC，具有24點24 V DC數(shù)字量輸入(4點可達10 kHz)，16點(R/T/S)數(shù)字量輸出(“T”機型具4點10 kHz輸出)，一個RS232 或USB通訊端口(最大可擴展到3個)，具有價格低、功能強、使用簡單、開發(fā)方便等優(yōu)勢[2]。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

觸摸屏選用昆侖通態(tài)嵌入式一體化觸摸屏，型號為TPC1061Ti，是以Cortex-A8 CPU為核心(主頻600 MHz)的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該觸摸屏采用10.2英寸高亮度TFT液晶顯示屏(分辨率1 024×600)，四線電阻式觸摸屏(分辨率4 096×4 096)，預裝了MCGS嵌入版組態(tài)軟件[3]?？捎糜诂F(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測，前端數(shù)據(jù)的處理與控制[4]。

為實現(xiàn)預定的報警功能，硬件還包括溫度檢測模塊、接近傳感器、色標傳感器和加熱管自檢裝置。

2.2 運動檢測報警

運動檢測報警：珍珠棉物料車運動過程中，檢測傳送帶是否將物料運動到待燙壓區(qū)域；取料燙料過程中，上下、左右和卸料氣缸是否運動到特定位置。將接近傳感器安裝于燙貼機取料、燙料區(qū)中前后運動氣缸的前端1和后端2；上下運動氣缸的上端3和下端4和卸料氣缸端5，如圖2所示。

圖2 接近傳感器安裝位置示意圖

由PLC采集傳感器輸入信號確定燙貼機初始位置[5]，并根據(jù)取料燙料過程中不同氣缸端口傳感器信號的變化，確定氣缸傳動的當前位置，接著與控制氣缸運動的輸出信號進行比較，從而判斷氣缸伸縮的到位情況。

色標傳感器安裝于傳送帶的背部，并根據(jù)取料面積來確定色標區(qū)域的數(shù)量和間隔距離，當傳感器檢測到色標區(qū)域，電機停止運行，將物料送到取料區(qū)域。若接收到色標傳感器信號后，傳送帶提前停止或依然運行，PLC根據(jù)傳送帶運行信號與色標傳感器信號在一定時間內(nèi)的變化情況來判斷傳送帶運動故障。將此信號儲存于PLC相應寄存器中，在人機界面中進行報警信息存儲與顯示[6]，從而構(gòu)成了燙貼機的運動檢測報警。

2.3 繼電器故障報警

繼電器故障報警：珍珠棉燙貼機機實現(xiàn)上下氣缸、前后氣缸、卸料氣缸的伸縮及燙板的加熱均需要中間繼電器的輔助，當出現(xiàn)繼電器故障時，此報警可檢測出具體為何種繼電器故障。

將PLC輸出口連接中間繼電器線圈，中間繼電器的常開或常閉觸電連接到PLC的輸入點，由PLC的輸出信號控制繼電器線圈導通，PLC的輸入點來判斷接受繼電器觸點是否跳變，將此輸入信號與輸出信號對比從而判斷繼電器是否損壞，將此信號存儲于PLC相應寄存器中，在人機界面中進行報警信息儲存與顯示，從而構(gòu)成了燙貼機的中間繼電器故障報警[7]。

2.4 燙板高溫報警

燙板高溫報警：監(jiān)測燙板溫度，當溫度過高時，及時斷開加熱繼電器，并提示報警。

將溫度模塊串接于PLC上，完成24 V直流電源及溫度檢測的輸入配線，通過熱電偶采集燙板溫度數(shù)據(jù)，指定對應緩存器來存儲溫度值[8]。接著在MCGS軟件中進行組態(tài)，添加永宏P(guān)LC設備通道，關(guān)聯(lián)對應緩存器變量，設置變量報警屬性[9]，溫度上限報警值設置為400 ℃，能有效防止因溫度過高而導致珍珠棉片材起火。

2.5 加熱管自檢裝置設計

加熱管工作情況報警：根據(jù)電流互感原理設計加熱管自檢裝置[10]，通過加熱指示燈，可判斷具體對應加熱管的工作情況。由于加熱管數(shù)量眾多且為易損器件，本文設計了一種加熱管自檢裝置，如圖3所示。

圖3 加熱管自檢裝置示意圖

將多個電流互感器組成一個電流互感器組1，其一次繞組2分別與加熱管串聯(lián)，其二次繞組3通過排線與加熱指示燈串聯(lián),并將加熱指示燈與加熱管進行編號，當加熱管損壞時，一次繞組回路斷路，使得二次繞組側(cè)無感應電流產(chǎn)生，對應編號的加熱指示燈熄滅，從而構(gòu)成了加熱管工作情況報警。其一次繞組中的加熱管和電流互感器組安裝于燙貼機燙板區(qū)域，二次繞組側(cè)中的加熱指示燈安裝于燙貼機操作面板區(qū)域，方便監(jiān)視加熱管工作情況。此裝置為獨立硬件電路設計，用于監(jiān)測每根加熱管工作情況。

3 軟件設計

本系統(tǒng)中運動檢測、繼電器故障和燙板高溫報警，都需要PLC進行判斷，并于MCGS界面中進行顯示，因此軟件部分包含PLC程序設計、觸摸屏組態(tài)和通訊設置。

3.1 PLC程序設計

此程序顯示了報警的判定過程，如圖4所示。假設繼電器A的線圈與PLC的輸出Y1連接，其常開觸電與X1連接，對應傳感器與X2連接。當Y1導通時，依次判斷X1和X2是否導通，確定繼電器故障和運動檢測故障，同時在此過程中，持續(xù)判斷溫度大小，從而判定高溫報警。

圖4 PLC報警程序流程圖

3.2 觸摸屏界面

MCGS界面組態(tài)由3個部分組成：主窗口、歷史報警窗口和參數(shù)設備窗口[11]。

圖5 MCGS主界面圖

主窗口：主要包括當前報警信息顯示、電機、加熱板和風扇的運行狀態(tài)顯示、溫度顯示、產(chǎn)品統(tǒng)計顯示和手自動按鈕。當出現(xiàn)運動故障、繼電器故障或燙板溫度過高時，在報警欄中會閃爍出現(xiàn)相應的報警信息，提醒用戶或設備維護人員及時處理故障[12]。主界面如圖5所示。

歷史報警窗口：用于保存和記錄設備的報警信息，便于維護人員排查故障。

參數(shù)設置窗口：用于修改PLC的寄存器中的數(shù)據(jù)，從而改變燙貼機的燙貼時間和傳動帶運行速度等，進而調(diào)節(jié)燙貼效果。

3.3 通訊設置

打開先前建立好的MCGS工程文件，在工作臺的設備窗口中點擊“設備組態(tài)”，并打開設備工具箱，依次添加“通用串口父設備”和“永宏P(guān)LC”到組態(tài)畫面，然后配置相應參數(shù)，使觸摸屏與PLC實現(xiàn)雙向?qū)崟r通訊[13]，參數(shù)設置如圖6所示。

圖6 通訊參數(shù)配置圖

4 應用效果

本文通過MCGS組態(tài)、PLC程序設計及電路設計[14]，創(chuàng)建了一套完整的珍珠棉燙貼機報警系統(tǒng)。經(jīng)現(xiàn)場測試，本系統(tǒng)滿足預定的功能需求，具體可從以下幾方面驗證。

(1)報警響應準確及時。當出現(xiàn)運動檢測報警、繼電器故障報警或燙板高溫報警時，HMI界面顯示相應報警信息，歷史報警界面保存記錄此信息，且蜂鳴器提示用戶此設備工作異常。當加熱管損壞時，前面板上的指示燈顯示熄滅，通過熄滅指示燈對應的編號，可準確找出具體損壞的加熱管，加熱管自檢裝置實物如圖7所示;

圖7 加熱管自檢裝置實物圖

(2)提高設備調(diào)試安裝效率。設備送往現(xiàn)場，需重新調(diào)試安裝，此時可調(diào)節(jié)為手動模式，在觸摸屏上點動運行氣缸和傳送帶，通過運動檢測報警監(jiān)視單步運行狀態(tài)，有效提高了調(diào)試安裝效率。此報警系統(tǒng)的加入，可在原有基礎上縮短30%安裝調(diào)試時間；

(3)降低維護難度、易損部件更換簡單。設備中繼電器和加熱管為易損部件，通過繼電器故障檢測和加熱管自檢裝置，可監(jiān)測此易損部件的工作情況，出現(xiàn)繼電器故障或加熱管損壞時，可依據(jù)界面中顯示對應的繼電器或加熱管故障，斷電后自行更換，節(jié)省了維護成本，降低維護難度。

5 結(jié)束語

基于MCGS和PLC的珍珠棉燙貼機報警系統(tǒng)在硬件和軟件上采用模塊化的設計方法[15]，通過合理的PLC報警程序設計、自檢電路設計和MCGS人機界面設計，使得該系統(tǒng)具有良好的人機交互、操作簡單、報警響應迅速和自動化程度高等優(yōu)點，能有效提高設備安裝調(diào)試和故障維修的效率，為設備長時間有效運行提供了有力的保障。本報警系統(tǒng)的設計理念可以移植到其他機加工領域，擁有良好的應用價值。

[1] 重慶捷成塑膠有限責任公司國內(nèi)市場部. 高發(fā)泡(EPE)包裝材料應用及其設備制造技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].國外塑料,2008,26(3):56-59.

[2] 永宏電機股份有限公司. FBs-PLC使用手冊[M].臺灣:永宏電機股份有限公司,2013.

[3] 北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司. mcgsTpc系列教程[M].北京:北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司,2009.

[4] 曹輝,馬棟萍,王暄.組態(tài)軟件技術(shù)及應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[5] 凌志輝,鄒昊,黃濤,等.二軸纏繞機 PLC 控制系統(tǒng)的設計[J].自動化儀表,2014,35(5):30-33.

[6] 李丙林,魏紅波,尤文.基于PLC和觸摸屏的大功率開窗機控制系統(tǒng)設計[J].電子科技,2014,27(12):73-76.

[7] 李輝,魏國亮.基于STM32與人機的淤泥抓斗車控制系統(tǒng)設計[J].電子科技,2015,28(8):126-129.

[8] 王鑫.電氣設備的在線監(jiān)測與故障診斷[D].濟南:山東大學,2005.

[9] Yangang X,Han W,Xingqi L,et al.Monitor system design for machine electric spindle based on MCGS[J].Journal of Networks,2010,3(12):248-252.

[10] 石榮章,譚魏.電流互感器的選用及誤差校驗[J].電氣應用,2011(11):64-66.

[11] 朱璐.MCGS組態(tài)軟件在自動加藥機系統(tǒng)中的設計與實現(xiàn)[D].長沙:湖南大學,2012.

[12] 孫鵬.基于MCGS和PLC煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].沈陽:東北大學,2009.

[13] 郭宗仁,吳亦鋒,郭寧明.可編程控制器應用系統(tǒng)設計及通信網(wǎng)絡技術(shù)[M].2版.北京:人民郵電出版社,2009.

[14] 王菊葉,高瑞敏.基于MCGS和PLC的電機測控系統(tǒng)設計[J].制造業(yè)自動化,2012,34(6):123-125.

[15] Bhaskarwar T V,Giri S S,Jamakar R G. Automation of shell and tube type heat exchanger with PLC and LabVIEW[C].India:International Conference on Industrial Instrumentation and Control (ICIC) College of Engineering Pune,2015.

Design of Alarm System of EPE Heat-Bondable Machine Based on MCGS and PLC

QIN Qi，WANG Yongxiong

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

Aiming at the problem of EPE heat-bondable machine, such as complex debugging, difficult troubleshooting and uneasy to centralize for monitoring, this paper designs an alarm system by using the PLC as the main controller,MCSG as the Human-Machine Interaction. The system carries out failure judgment and processing in PLC by acquiring the signal of senors,relays and temperature control module. Displaying and storing the fault information in touch screen designed by MCGS. The self-checking unit of heating pipe is designed by current mutual inductance principle. The practical application indicates that the alarm system meets the pre-functional functional requirements with the advantages of good human-computer interaction, high automation and easy operation, can effectively improve the efficiency of the equipment commissioning and fault detection.

EPE heat-bondable machine; alarm system; PLC; MCGS; self-checking unit

2016- 03- 17

秦琪(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：工業(yè)控制。王永雄(1970-)，男，博士，副教授。研究方向：機器人設計及控制等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.041

TP277.1

A

1007-7820(2017)01-150-04