PLC控制系统及模块编程设计在自动贴附生产线中的应用_李小鹏.pdf

（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023收稿日期：2023-03-13PLC 控制系统及模块编程设计在自动贴附生产线中的应用李小鹏，郭 鹏(中电科风华信息装备股份有限公司，山西 太原030024)摘要：介绍了PLC控制系统的设计方法和PLC基于模块化编程的编程方法，结合JCT6自动贴附生产线的开发，描述了模块化编程的方法如何缩短编程时间，提升编程效率。关键词：可编程逻辑控制器；控制系统；模块化编程中图分类号：TP311.11文献标志码：B文章编号：1004-4507(2023)03-0055-07Application of PLC Control System and Module ProgrammingDesign in Automatic Attachment Production LineLI Xiaopeng，GUO Peng(CETC Fenghua Information-Equipment Co.，Ltd.，Taiyuan 030024，China)Abstract:This paper introduces the design method of PLC control system and PLC programmingmethod based on modular programming，combined with the development of JCT6 automatic attachedand production line，describes the method of modular programming how to shorten programmingtime，improve programming efficiency.Key words:Programmable logic controller(PLC)；Control system；Modular programming当前我国正从制造大国迈向制造强国，电子专用设备产业是重大装备制造业的重要分支，是知识、技术、资本高度密集型产业，正朝着以自动化、智能化、信息化技术相融合的方向发展，在电子专用设备开发中，大部分设备都与 PLC 相关。而且，专用设备开发的需求周期越来越短，系统稳定性要求越来越高，PLC 控制系统设计和编程效率尤为重要。1 PLC的控制系统设计原则在 PLC 控制系统设计时，要深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求，工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据，控制系统设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，并联根据控制要求，估算输入/输出点电子专用设备研究55（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023数、所需存储器容量、确定可编程逻辑控制器的功能、外部设备特性等。PLC 控制系统设计原则有：（1）首先要满足被控设备的全部控制要求，包括功能和性能要求；（2）在满足控制系统要求的基础上，应考虑实用性、经济性、可维护性；（3）控制系统应确保控制设备性能的稳定性及工作的安全性和可靠性；（4）控制系统应具有可扩展性，能满足生产设备的改良和系统的升级；（5）要注意控制系统输入/输出设备的标准化原则，易于升级和替换；（6）易于操作，符合人机工程学的要求和用户的操作习惯。2 PLC的控制系统硬件设计随着 PLC 的推广普及，PLC 产品的种类和数量越来越多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有不同，使用场合也各有侧重，因此合理地选择 PLC 硬件对提高 PLC 控制系统的技术经济指标起着重要作用。2.1 PLC机型的选择PLC 机型的选择应是在满足控制要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比。具体应考虑 5 个方面。（1）性能与任务相适应。对于小型单台、仅需要数字量控制的设备，一般的小型 PLC；对于以数字量控制为主，带少量模拟量控制的应用系统，选择运算、数据处理功能较强的小型 PLC；对于控制比较复杂，控制功能要求更高的工程项目，可视控制规模及复杂程度，选用中档或高档机。（2）结构上合理、安装要方便、机型上应统一按照物理结构。PLC 分为整体式和模块式。整体式每一个 I/O 点的平均价格比模块式的便宜，一般倾向于在小型控制系统中采用整体式 PLC。模块式 PLC 的功能扩展方便灵活，I/O 点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O 模块的种类和块数、特殊 I/O 模块的使用等方面的选择余地都比整体式 PLC 大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便，对于较复杂的和要求较高的系统一般应选用模块式 PLC。另外根据 I/O 设备距PLC 之间的距离和分布范围确定 PLC 的安装方式为集中式、远程 I/O 式还是多台 PLC 联网的分布式。（3）PLC 响应。由于现代 PLC 有足够高的速度处理大量的 I/O 数据和解算梯形图逻辑，因此对于大多数应用场合来说，PLC 的响应时间并不是主要的问题，对于某些个别的场合，为了减少PLC 的 I/O 响应延迟时间，可以选用扫描速度高的 PLC。（4）通讯功能要求。随着工厂自动化的迅速发展，根据通信功能要求，选择时应根据需要选择通信方式。（5）其他特殊要求。考虑被控对象对于模拟量的闭环控制、高速计数、运动控制和人机界面（HMI）等方面的特殊要求，可以选用有相应特殊I/O 模块的 PLC。2.2 I/O模块的选择在 PLC 控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的各种测量参数，按要求的方式送入 PLC，PLC 经过运算处理后，再将结果以数字量的形式输出，所以在 PLC 和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置，该装置就是输入/输出（I/O）模块，对 PLC 来讲主要信号形式可分为 4 类：（1）数字量输入信号；（2）数字量输出信号；（3）模拟量输入信号；（4）模拟量输出信号。不同的 I/O 模块，其电路和性能不同，它直接影响着 PLC 的应用范围和价格，应该根据实际情况合理选择，在选择 PLC 型号时不应盲目追求过高的性能指标，除了要满足控制系统要求外，还应留有余量，以作备用或系统扩展时使用，PLC 的容量结合 I/O 点数、伺服/步进轴和用户存储器的存储容量等几个方面的定义，最终确定控制器系统设计选型。电子专用设备研究56（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 20233 PLC的控制系统软件设计软件设计是 PLC 控制系统设计的核心，要设计好PLC 的应用软件，必须充分了解被控对象的生产工艺、技术特性、控制要求等，通过 PLC 的应用软件完成系统的各项控制功能。PLC 的应用软件设计是指根据控制系统硬件结构和工艺要求，使用相应的编程语言，对用户控制程序的编制和相应文件的形成过程，PLC 应用软件设计还包括人机界面（HMI）设备及其它特殊功能模块的组态。PLC 含有丰富编程指令，软件设计环境良好，编程方法主要包括有梯形图语言、顺序功能图语言、功能模块图语言、指令表、结构化文本等基础编程语言。简单的 PLC 编程语言与继电器控制系统图相似，比较直观，易于理解和掌握，但对于一个较复杂的控制系统而言，逻辑关系复杂，互锁条件较多，在编程就显得非常繁琐，逻辑关系不清，且难以将程序进行优化。如果将模块化的程序设计思路应用到 PLC 编程设计中，对于复杂的控制系统就能制定一个合理的总体方案。根据系统控制要求，将要完成的任务转变成能适合于编程的有效方法，进行模块化编程，使程序逻辑关系便于梳理，适用于多人共同编程，增加了可读性，特别是在后期便于维护功能显著。4 JCT6自动贴附生产线控制系统开发JCT6 自动贴附生产线是 PSA 和石墨全自动智能检测贴合生产线，主要工艺流程包含 PSA 自动托盘（Tray）上料、自动扫码，浮尘清洁，自动撕膜、来料 PSA 缺陷检测、金属面与石墨贴合、成品石墨片缺陷检测、成品自动装盘等工序。本机采用了 PLC 和图像系统结合的控制系统，解决了形状不规则石墨片的高精度贴附。设备工艺流程示意图如图 1 所示。图1工艺流程示意图4.1控制系统硬件组成JCT6 自动贴附生产线更为关键的核心技术就是适应石墨贴附的集成化智能控制系统，共由88 轴伺服、4 个 UVW 平台、4 路模拟量输入/输出（I/O）、I/O 共计 430 点组成的大型控制系统，通过对设备结构的分析和研究，结合控制系统的特点，本机选用了模块式 PLC 控制系统，根据功能划分为上下料系统、缺陷检测系统、全自动贴附系统，为方便编程和后期维护，采用 3 组 PLC 实现控制系统的硬件设计，如图 2 所示。4.2控制系统PLC模块化编程设计思路JCT6 自动贴附生产线运动轴和 I/O 非常多，属于大型控制系统开发，PLC 编程设计方法在实际的应用中具有较强的规律性，其内部程序较为严谨、清晰，可读性强，一般编程实现的难点在于如何把多种控制方式程序和模块程序融合到一个用户程序中，所以架构模块化编程思路非常有必图2控制系统的硬件设计TRAY 自动上料PSA 检测自动上料浮尘清洁扫码PSA检测PSA下料平台清洁翻转下料金属面与石墨片贴合对位金属面撕膜贴合机 PSA上料对位石墨片撕膜贴合机石墨上料保压石墨检测上料石墨检测石墨片撕膜成品下料翻转自动装TRAYJCT-6 控制系统Q06UDVCPUTCP/IPTCP/IPQD77MS16 1 个QH42P 2 个Q06UDVCPUQD77MS16 1 个QH42P 2 个Q13UDVCPUQD77MS16 4 个QD75D4N 2 个QH42P 6 个Q64DAN 1 个电子专用设备研究57（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023要。模块化程序需有明确的结构，能适应各种系统设备。功能上首先应具备多种工作方式，如手动、单步或单周期半自动、自动、回零运行，工作方式之间可以实时切换；其次过程控制、运动控制、数据处理等模块程序可以随时调用，模块之间分隔独立，可实现模块数据共用互通，且能实时有效。设备的软件控制系统在模块化编程的难点在于如何把多种控制方式程序和模块程序融合到一个用户程序中。软件功能上首先应具备多种工作方式，如手动模式、单步运行模式、调试模式、自动模式、回零模式，工作方式之间可以实时切换，在过程控制、外部 I/O 控制、运动控制、数据处理等模块程序可以随时调用，模块之间独立编程，实现模块数据共用互通。PLC 模块化编程就是通过对开发设备结构的分析和研究，把其中含有相同或相似的功能单元分离处理，用标准化的原理进行分类，再以相同的框架结构，按设备部件独立编程。4.3 PLC数据区定义PLC 编程中，要养成良好的编程习惯，首先定义内部中继和存储区，本机采用三菱 Q 系列，在编程初期对内部继电器和各类数据区根据使用定义范围，编程中为全局变量和局部变量，合理地在前期有规律地划分使用区间，方便编程及后期维护。数据区定义如图 3 所示。图3数据区定义存储区的定义也是为了实现程序的模块化、标准化设计，在程序中为所有控制设备分配了设备标志位和标志位地址。控制设备标志位的地址不同但定义相同，通过对标志位的管理，实现对设备终端的控制。4.4控制系统公用模块化编程在 JCT6 自动贴附生产线软件主要由主程序和子程序两部分构成，各功能模块化设计。主程序充分利用 PLC 的强大的位运算和逻辑比较功能，将一组可位寻址的内存单元作为控制对象，采用地址索引技术，将所选的可位寻址单元的每一个位映射为一个唯一的子程序，如图 4 所示。主程序作为控制台，只需对所选位单元进行控制，即可实现对各模块子程序的全局控制，从而体现了主程序真正的控制台功能。系统效率比采用以传统的继电控制系统设计思想所设计的程序高出若干倍，避免了各功能之间的相互干扰，保证了系统的可靠性和稳定性。主程序采用扫描方式，按分配的位地址和权限，对各子程序进行调用，系统的整体结构非常适合大型复杂工业控制系统的设计。子程序完成单一的任务，为 1 个独立的模块，与其他子程序和主程序共享系统资源，可实现子程序的参数调用和传值处理，程序精简可靠、处理速度快。如图 5 示例。图4模块化编程示意输入继电器输出继电器内部继电器锁存继电器链接继电器报警器链接特殊变址继电器步进继电器定时器累积定时器计数器数据寄存器链接寄存器链接特殊变址XYMLBFSBVSTSTCDWSWZ161610101610161010101010101616108K8K20K2K4K1K1K1K1K8K0K1K41K5K1K2041983120000250001500018000符号进制软元件点数锁存(1)结束锁存(2)起始锁存(2)结束局部软元件起始局部软元件结束写入禁止起始写入禁止结束符号进制软元件点数锁存(1)起始锁存(2)起始锁存(2)结束软元件号起始软元件号结束写入禁止起始写入禁止结束锁存(1)起始锁存(1)结束软元件合计K 字60.0字软元件K 字56.0位软元件K 位48.0软元件设置 HELP文件寄存器扩展设置 HELP文件寄存器扩展设置容量K 点512文字寄存器扩展数据寄存器扩展链接寄存器ZR(R)DW1010162K500K10K0419842047553983ZR0D41984W1400ZR2047D553983W38FF电子专用设备研究58（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023进入子程序时，调用参数到公共单元，返回时从公共单元取出数据恢复现场。每个模块相对独立，设计者不用考虑其他模块的影响和干扰，只需定义公共单元及模块单元，即可将一个大型的控制系统软件分为多人同时设计开发，每人只需考虑本模块的内部数据及运行过程，安排接口数据便可提交，由主程序设计者将所有的模块分配一个唯一的端口，整个控制系统软件的开发过程便可完成，设计过程思路清晰明了、开发周期短，维护方便。4.5控制系统部件模块化编程结合控制系统硬件设计，JCT6 自动贴附生产线模块化设计理念定义 3 个 PLC 的通用模块，整理汇总功能后定义模式切换模块、运动底层模块、真空控制模块、配方保存调用模块、功能切换模块、报表模块、密码功能模块、HMI 页面控制模块、报警模块、通用按钮控制模块、回零控制模块等多个模块均为共同性模块，通过统一的地址定义，形成 PLC 底层公用结构，大幅缩减编程时间，如图 6 所示。底层结构定义后，按设计结构划分功能块，实现多人同时编程，具体定义为上料、传送、撕膜、对位、贴合、扫码、压力控制、转台控制、检测控制等多个独立的模块化结构，每个模块内又采用相同框架的结构体编程，通过统一的定义，实现多人同步编程，如图 7 所示。（b）运动轴控子程序图5梯形图编程示意（a）运动 I/O 读取通用子程序TitleQD77 外部信号刷新SM400（241）S1556.6S1556.1S1556.0LD77 外部轴信号刷新U0Z6MOVG2416Z10 D1556M200Z7M300Z7M400Z7LD77 状态刷新U0Z6MOVG2417Z10 D1554LD77 状态刷新U0Z6MOVG2417Z10 D1600Z7LD77 轴出错代码U0Z6MOVG2406Z10 D1700Z7LD77 轴报警代码U0Z6MOVG2407Z10 D1800Z7LD77 伺服状态U0Z6MOVG2476Z10 D1900Z7Title绝对运动M800Z7（516）M100Z7M900Z7 M100Z7Title增量运动（571）ABSU0Z6MOVK1G4300Z10写入目标速度U0Z6DMOVD2000Z8G6004Z13写入目标位置U0Z6DMOVD2200Z8G6006Z13SET Y10Z11RST M800Z7INCU0Z6MOVK2G4300Z10写入目标速度U0Z6DMOVD2000Z8G6014Z13写入目标位置U0Z6DMOVD2200Z8G6016Z13SET Y10Z11RST M900Z7电子专用设备研究59（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023图7各部件编程示意图6梯形图结构示意每个模块也可以灵活使用不同的编程方法，如梯形图、ST 语言、FB 块，各结构模块均可看作一个独立设备，通过对通用底层的调用，实现单个部件的电机、气缸等运动部件的手动运行和自动运行，如图 8 所示。当完成各个结构块的独立编程后，由软件项目负责人，按上下游结构衔接，通过多重安全条件限制，信号采集等外设的控制，结合设备工艺流程做全自动流程管理，轻松完成整机的软件编程设计，当设备调试时，也可按结构模块独立调试，大大缩减了编程时间。结合控制系统的工艺特点和控制特点进行硬件和软件的设计，硬件和软件整体考虑，PLC 硬件也采用了模块化结构，便于软件的模块化。图8不同编程方式示意梯形图mAxisRestartM600Z7ST 语言U0Z6G2409Z10K1U0Z6G30100Z9K0X10Z11M500Z7 D1554.ESETM600Z7U0Z6MOVK1G4303Z10RSTM600Z7FB 块B:IN_1转换条件XXY_1E:AngleValueX1:DX1 最终计算值D8320D8322ValueX2:DX2 最终计算值D8324ValueY:DY 最终计算值E：Angle0D8342角度计算基准D8340目标角度值电子专用设备研究60（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023图11双层有限元仿真于反应平面的方向分散开来，实验结果表现出良好的均匀性。C 型与 D 型腔体，分别采用双层大孔与双层小孔的分气板进行试验，结果双层小孔表现出更为良好的均匀性。图 11 为双层分气板有限元仿真情况。通过对 D 型腔体设计方案验证，实现了等离子灰化效果优化在能够保证比较稳定的灰化均匀性的前提下，提升灰化速率。3结论随着等离子灰化工艺应用范围的拓展，行业内对灰化速率及其均匀性方面的要求不断提升。通过等离子灰化实验可以得出，在保证射频频率及功率、灰化时间、腔体温度、腔体真空度、工艺气体种类及流量等相关工艺参数不变的基础上，采用不同的腔体结构，能够更加精准地控制等离子灰化效果，即速率与均匀性。需要控制灰化速率时，可通过调整腔体内控制等离子体直接或间接与待灰化物料接触的结构实现。并且调整腔体内等离子体与待灰化物料接触区域的尺寸及分布，可以得到优化灰化均匀性的效果。参考文献：1Michael Quirk，Julian Serda.半导体制造技术M.韩郑生，欧文，杜寰，等译.北京：电子工业出版社，2015.431-433.作者简介：刘晓玲（1985），女，山西长治人，大学本科，高级工程师，主要从事低温等离子体应用研究和企业战略管理工作。VelocityContour 27.741e-0016.967e-0016.193e-0015.419e-0014.645e-0013.871e-0013.096e-0012.322e-0011.548e-0017.741e-0020.000e+000m s-1VelocityVector 17.741e-0015.806e-0013.871e-0011.935e-0010.000e+000m s-15结论随着 PLC 技术的不断发展，PLC 的应用范围日益广泛，掌握 PLC 控制系统设计方法，根据不同工艺特点合理的设计 PLC 控制系统，有效地提高了 PLC 的利用率，软件系统采用模块化设计思想，通过模块化编程方法，高效快速地完成了控制系统编程，有效地缩短控制系统的设计和调试周期；软件的实用性强，程序更加通用和完善，大幅节约人力和时间；通过经验积累提高产品竞争力，在激烈的市场竞争中推广应用。参考文献：1范国伟，刘一帆.电气控制与 PLC 应用技术M.北京：人民邮电出版社，2013.2陶 权.PLC 控制系统设计、安装与调试M.北京：北京理工大学出版社，2022.3杨 乐，郭选明，赵淑娟.PLC 控制系统M.成都：西南交通大学出版社，2015.作者简介：李小鹏（1982），男，山西吕梁人，大学本科，工程师，高级经理，主要从事背光组装机、液晶面板切割机、研磨清洗机等电子专用设备的研发及管理工作。（上接第9页）电子专用设备研究61