PLC與工控機(jī)集成控制在汽車(chē)固定節(jié)檢漏中的應(yīng)用

PLC與工控機(jī)集成控制在汽車(chē)固定節(jié)檢漏中的應(yīng)用

汽車(chē)傳動(dòng)軸固定節(jié)是汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中一個(gè)重要的零部件，傳動(dòng)軸固定節(jié)的端面，如圖1示。由于固定節(jié)中6粒鋼球由工人手工進(jìn)行安裝，有可能發(fā)生少裝的情況，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，影響產(chǎn)品的正常使用和企業(yè)的聲譽(yù)。因此根據(jù)廠方要求設(shè)計(jì)了此套系統(tǒng)，系統(tǒng)采用無(wú)損檢測(cè)，運(yùn)用圖象處理與模式識(shí)別技術(shù)，對(duì)CCD拍攝到的圖象進(jìn)行處理，作出漏裝與不漏裝判斷，并對(duì)漏裝工件進(jìn)行聲光報(bào)警。

圖1 汽車(chē)傳動(dòng)軸固定節(jié)端面

一、系統(tǒng)組成與控制過(guò)程

1. 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由機(jī)械部分、電氣部分、控制部分組成。機(jī)械部分主要是完成零件的傳送（從安裝位置到檢測(cè)位置，再送到下一個(gè)工序的加工位置）、定位（保證零件與攝像頭的同心度）以及不合格零件的剔除；電氣部分有傳感器、汽缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成；控制部分采用PLC和工控機(jī)集成控制。系統(tǒng)硬件配置主要有工控機(jī)、可編程控制器、CCD攝像頭、圖像采集卡、I/O接口板、傳感器等硬件及部分外圍電路組成，它們的結(jié)構(gòu)，如圖2示。

圖2 系統(tǒng)組成圖

2. 控制流程

系統(tǒng)由工控機(jī)作為上位機(jī)，PLC作為下位機(jī)。系統(tǒng)的自動(dòng)控制流程為：

1，工控機(jī)與PLC進(jìn)行通信握手，表明一切就緒；
2，送料位置傳感器檢測(cè)到工件，發(fā)信號(hào)給PLC；
3，PLC根據(jù)測(cè)量位置傳感器狀態(tài)判斷測(cè)量位置是否有工件；
4，如果測(cè)量位置沒(méi)有工件，則PLC發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)汽缸，放開(kāi)送料擋塊；
5，測(cè)量位置傳感器檢測(cè)到工件已經(jīng)到達(dá)，發(fā)信號(hào)給PLC；
6，PLC進(jìn)行延時(shí)，目的是讓工件穩(wěn)定有利于拍攝，然后發(fā)信號(hào)給工控機(jī)并延時(shí)，目的是讓計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖象處理與模式識(shí)別；
7，工控機(jī)執(zhí)行程序由CCD攝像頭攝取圖像，由工控機(jī)實(shí)時(shí)處理圖像，作出漏裝或非漏裝判斷結(jié)果。把結(jié)果發(fā)給PLC；
8，PLC判斷結(jié)果信息，如果全裝且翻轉(zhuǎn)位置無(wú)工件，發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)汽缸放開(kāi)定位擋塊；如果漏裝，PLC發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)報(bào)警燈和蜂鳴器，進(jìn)行聲光報(bào)警由工人手工剔除。

PLC判斷下料槽是否可以下料，若可以則翻轉(zhuǎn)工件進(jìn)入下一道工序。重復(fù)順序執(zhí)行2～8，就達(dá)到了系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)。從執(zhí)行過(guò)程中可以看到，前后兩個(gè)位置都實(shí)現(xiàn)了互鎖。系統(tǒng)控制流程，如圖3示。

圖3 系統(tǒng)流程

在這個(gè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了工控機(jī)與PLC的集成控制。工控機(jī)主要完成對(duì)圖象的處理，PLC完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)的采集與執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)，它們之間的通信采用I/O卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)，如圖4示。

圖4 控制系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)

二、系統(tǒng)硬件模塊

系統(tǒng)硬件模塊主要分為數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，微機(jī)基本子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分配子系統(tǒng)及基本I/O系統(tǒng)。它們之間的結(jié)構(gòu)，如圖5示。

圖5 硬件結(jié)構(gòu)組成

1. 微機(jī)基本子系統(tǒng)

它是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起監(jiān)督、管理、控制作用，例如進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)處理、控制決策、產(chǎn)生特殊的測(cè)試信號(hào)，控制整個(gè)檢測(cè)過(guò)程等等。同時(shí)，利用微機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力和高速運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)命令識(shí)別、邏輯判斷、圖像處理、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的自校正、系統(tǒng)自適應(yīng)等功能。

2. 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

用于和傳感器、檢測(cè)元件聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集、整理并經(jīng)接口傳送到微機(jī)子系統(tǒng)處理。

3. 數(shù)據(jù)分配子系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)工件、測(cè)試信號(hào)發(fā)生器以及檢測(cè)操作過(guò)程的自動(dòng)控制。

4. 基本I/O子系統(tǒng)

用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)、輸入或改變系統(tǒng)參數(shù)、改變系統(tǒng)工作狀態(tài)、輸出檢測(cè)結(jié)果、動(dòng)態(tài)顯示測(cè)控過(guò)程、發(fā)出報(bào)警信號(hào)等。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，即自頂向下、逐步求精的設(shè)計(jì)方法，并且適當(dāng)劃分模塊以提高設(shè)計(jì)與調(diào)試的效率。該系統(tǒng)不但要接受來(lái)自傳感器、待測(cè)工件的信號(hào)，還要接受和處理來(lái)自于控制面板的按鈕信號(hào)，以及由圖像采集卡傳來(lái)的數(shù)字信號(hào)，而且要求系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)處理能力。因此，系統(tǒng)軟件對(duì)實(shí)時(shí)性有一定的要求，同時(shí)還要對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行管理和調(diào)度。

1. 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件主要由數(shù)據(jù)采集程序、檢測(cè)與控制算法程序、中斷服務(wù)程序、故障自診斷與處理程序等組成。系統(tǒng)模塊劃分如下：

(1) 初始化模塊

硬件初始化 對(duì)系統(tǒng)中各硬件資源設(shè)定明確的初始化狀態(tài)，包括對(duì)可編程器件初始化，各I/O口初始狀態(tài)設(shè)定，為系統(tǒng)硬件資源分配任務(wù)等。

軟件初始化 包括堆棧初始化、狀態(tài)變量初始化、各軟件標(biāo)志初始化、各變量存儲(chǔ)單元初始化、系統(tǒng)參數(shù)初始化等。

(2) 數(shù)據(jù)采集模塊

控制攝像頭攝取圖像，通過(guò)圖像采集卡完成A/D轉(zhuǎn)換，并生成待處理的數(shù)據(jù)文件。

(3) 檢測(cè)/控制模塊

對(duì)得到的圖像數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分析、計(jì)算、比較、檢測(cè)，判別工件是否合格，并實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤(pán)的管理。

(4) 中斷管理模塊

針對(duì)系統(tǒng)中的各種中斷源和所選用的微處理機(jī)的中斷結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的中斷處理程序模塊，包括中斷管理模塊和中斷服務(wù)模塊。

(5) 顯示管理模塊

用于實(shí)時(shí)更新顯示圖像和數(shù)據(jù)，并對(duì)報(bào)警指示燈進(jìn)行管理。

(6) 時(shí)鐘管理模塊

包括數(shù)據(jù)采樣周期定時(shí)、控制周期定時(shí)、動(dòng)態(tài)刷新周期定時(shí)、及故障監(jiān)視電路的定時(shí)信號(hào)等。

(7) 故障自診斷與處理模塊

它是提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性的重要手段，主要采取開(kāi)機(jī)自檢的形式，每當(dāng)電源接通或復(fù)位后，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行一次自檢程序，對(duì)硬件電路進(jìn)行一次檢測(cè)。上位機(jī)監(jiān)控軟件主要程序流程，如圖6所示。

圖6 上位機(jī)監(jiān)控程序框圖

2. PLC軟件設(shè)計(jì)

PLC的程序采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，由主程序、手動(dòng)控制程序、故障處理程序等模塊構(gòu)成。根據(jù)系統(tǒng)要求，PLC的I/O分配，如表1示。

(1) 輸入輸出信號(hào)

表1 PLC輸入輸出信號(hào)

(2) 梯形圖編制

根據(jù)控制過(guò)程及輸入輸出信號(hào)編制出梯形圖。PLC采用循環(huán)掃描方式，按梯形圖從上而下，從左而右的先后順序予以執(zhí)行。同時(shí)，前后兩個(gè)工件位置都進(jìn)行互鎖。部分梯形圖，如圖7示。

圖7 定位工位梯形圖

R001是內(nèi)部繼電器，表示選擇“自動(dòng)”，當(dāng)PLC得到信號(hào)X010時(shí)，即傳感器檢測(cè)到定位工位有工件時(shí)，延時(shí)并輸出允許攝像信號(hào)Y000，然后再延時(shí)2s（等待計(jì)算機(jī)作出判斷）并且當(dāng)翻轉(zhuǎn)汽缸不在原位和翻轉(zhuǎn)工位無(wú)工件時(shí)，輸出工件可以離開(kāi)定位工位信號(hào)。如果PLC接到計(jì)算機(jī)發(fā)出的“工件不合格”信號(hào)，即X014后，報(bào)警，直到按復(fù)位鍵停止報(bào)警。

四、計(jì)算機(jī)與PLC的通信

在計(jì)算機(jī)與PLC的集成控制系統(tǒng)中，一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題是計(jì)算機(jī)與PLC的通信問(wèn)題。在本課題中，對(duì)于計(jì)算機(jī)與PLC之間的通信，我們考慮了兩種實(shí)現(xiàn)方法：一種是利用串口通信，另外可通過(guò)I/O卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于串口通信在實(shí)時(shí)性、可靠性、抗干擾性等方面都沒(méi)有I/O卡好，又根據(jù)廠里具體情況，最后還是選用了后一種方法。I/O卡即開(kāi)關(guān)量輸入輸出卡，在此項(xiàng)目中，我們選擇了PCL—724，24位數(shù)字I/O卡，傳輸速率為300KB/s。該I/O卡具有2個(gè)八位端口（A，B），端口地址范圍為200H～3FFH，兩端口都可以進(jìn)行輸入輸出操作，在進(jìn)行輸入輸出操作時(shí)，無(wú)需進(jìn)行握手，因?yàn)閿?shù)據(jù)可以直接寫(xiě)或讀到設(shè)定的端口。由PLC輸入輸出信號(hào)表可以看到，PLC需要接收計(jì)算機(jī)3個(gè)信號(hào)，計(jì)算機(jī)需要接收PLC一個(gè)信號(hào)。它們的通信協(xié)議定義與地址設(shè)定，如表2示。

表2 計(jì)算機(jī)與PLC的通訊協(xié)議定義與地址表

五、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)是PLC與工控機(jī)集成控制的很好應(yīng)用，投入運(yùn)行后，為企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制方面，尤其在PLC控制方面，以其卓越的控制功能和良好的性能價(jià)格比，贏得了用戶(hù)的廣泛贊譽(yù)。