PLC與工控機集成控制在汽車固定節檢漏中的應用

汽車傳動軸固定節是汽車驅動系統中一個重要的零部件，傳動軸固定節的端面，如圖1示。由于固定節中6粒鋼球由工人手工進行安裝，有可能發生少裝的情況，如不及時發現，將出現質量問題，影響產品的正常使用和企業的聲譽。因此根據廠方要求設計了此套系統，系統采用無損檢測，運用圖象處理與模式識別技術，對CCD拍攝到的圖象進行處理，作出漏裝與不漏裝判斷，并對漏裝工件進行聲光報警。

圖1 汽車傳動軸固定節端面

一、系統組成與控制過程

1. 系統組成

系統主要由機械部分、電氣部分、控制部分組成。機械部分主要是完成零件的傳送（從安裝位置到檢測位置，再送到下一個工序的加工位置）、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、汽缸等執行機構組成；控制部分采用PLC和工控機集成控制。系統硬件配置主要有工控機、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，它們的結構，如圖2示。

圖2 系統組成圖

2. 控制流程

系統由工控機作為上位機，PLC作為下位機。系統的自動控制流程為：

1，工控機與PLC進行通信握手，表明一切就緒；
2，送料位置傳感器檢測到工件，發信號給PLC；
3，PLC根據測量位置傳感器狀態判斷測量位置是否有工件；
4，如果測量位置沒有工件，則PLC發信號驅動汽缸，放開送料擋塊；
5，測量位置傳感器檢測到工件已經到達，發信號給PLC；
6，PLC進行延時，目的是讓工件穩定有利于拍攝，然后發信號給工控機并延時，目的是讓計算機進行圖象處理與模式識別；
7，工控機執行程序由CCD攝像頭攝取圖像，由工控機實時處理圖像，作出漏裝或非漏裝判斷結果。把結果發給PLC；
8，PLC判斷結果信息，如果全裝且翻轉位置無工件，發信號驅動汽缸放開定位擋塊；如果漏裝，PLC發信號驅動報警燈和蜂鳴器，進行聲光報警由工人手工剔除。

PLC判斷下料槽是否可以下料，若可以則翻轉工件進入下一道工序。重復順序執行2～8，就達到了系統的自動檢測。從執行過程中可以看到，前后兩個位置都實現了互鎖。系統控制流程，如圖3示。

圖3 系統流程

在這個系統中，實現了工控機與PLC的集成控制。工控機主要完成對圖象的處理，PLC完成對現場控制信號的采集與執行元件的驅動，它們之間的通信采用I/O卡來實現。控制系統物理結構，如圖4示。

圖4 控制系統物理結構

二、系統硬件模塊

系統硬件模塊主要分為數據采集子系統，微機基本子系統，數據分配子系統及基本I/O系統。它們之間的結構，如圖5示。

圖5 硬件結構組成

1. 微機基本子系統

它是整個系統的核心，對整個系統起監督、管理、控制作用，例如進行復雜的信號處理、控制決策、產生特殊的測試信號，控制整個檢測過程等等。同時，利用微機強大的信息處理能力和高速運算能力，實現命令識別、邏輯判斷、圖像處理、系統動態特性的自校正、系統自適應等功能。

2. 數據采集子系統

用于和傳感器、檢測元件聯接，實現圖像數據的采集、整理并經接口傳送到微機子系統處理。

3. 數據分配子系統

實現對被測工件、測試信號發生器以及檢測操作過程的自動控制。

4. 基本I/O子系統

用于實現人機對話、輸入或改變系統參數、改變系統工作狀態、輸出檢測結果、動態顯示測控過程、發出報警信號等。

三、系統軟件設計

軟件設計采用模塊化和結構化的程序設計方法，即自頂向下、逐步求精的設計方法，并且適當劃分模塊以提高設計與調試的效率。該系統不但要接受來自傳感器、待測工件的信號，還要接受和處理來自于控制面板的按鈕信號，以及由圖像采集卡傳來的數字信號，而且要求系統具有實時處理能力。因此，系統軟件對實時性有一定的要求，同時還要對系統資源進行管理和調度。

1. 上位機軟件設計

上位機監控軟件主要由數據采集程序、檢測與控制算法程序、中斷服務程序、故障自診斷與處理程序等組成。系統模塊劃分如下：

(1) 初始化模塊

硬件初始化 對系統中各硬件資源設定明確的初始化狀態，包括對可編程器件初始化，各I/O口初始狀態設定，為系統硬件資源分配任務等。

軟件初始化 包括堆棧初始化、狀態變量初始化、各軟件標志初始化、各變量存儲單元初始化、系統參數初始化等。

(2) 數據采集模塊

控制攝像頭攝取圖像，通過圖像采集卡完成A/D轉換，并生成待處理的數據文件。

(3) 檢測/控制模塊

對得到的圖像數據文件進行分析、計算、比較、檢測，判別工件是否合格，并實現對鍵盤的管理。

(4) 中斷管理模塊

針對系統中的各種中斷源和所選用的微處理機的中斷結構，設計相應的中斷處理程序模塊，包括中斷管理模塊和中斷服務模塊。

(5) 顯示管理模塊

用于實時更新顯示圖像和數據，并對報警指示燈進行管理。

(6) 時鐘管理模塊

包括數據采樣周期定時、控制周期定時、動態刷新周期定時、及故障監視電路的定時信號等。

(7) 故障自診斷與處理模塊

它是提高系統的可靠性和可維護性的重要手段，主要采取開機自檢的形式，每當電源接通或復位后，系統自動執行一次自檢程序，對硬件電路進行一次檢測。上位機監控軟件主要程序流程，如圖6所示。

圖6 上位機監控程序框圖

2. PLC軟件設計

PLC的程序采用了模塊化設計方法，由主程序、手動控制程序、故障處理程序等模塊構成。根據系統要求，PLC的I/O分配，如表1示。

(1) 輸入輸出信號

表1 PLC輸入輸出信號

(2) 梯形圖編制

根據控制過程及輸入輸出信號編制出梯形圖。PLC采用循環掃描方式，按梯形圖從上而下，從左而右的先后順序予以執行。同時，前后兩個工件位置都進行互鎖。部分梯形圖，如圖7示。

圖7 定位工位梯形圖

R001是內部繼電器，表示選擇“自動”，當PLC得到信號X010時，即傳感器檢測到定位工位有工件時，延時并輸出允許攝像信號Y000，然后再延時2s（等待計算機作出判斷）并且當翻轉汽缸不在原位和翻轉工位無工件時，輸出工件可以離開定位工位信號。如果PLC接到計算機發出的“工件不合格”信號，即X014后，報警，直到按復位鍵停止報警。

四、計算機與PLC的通信

在計算機與PLC的集成控制系統中，一個關鍵的技術問題是計算機與PLC的通信問題。在本課題中，對于計算機與PLC之間的通信，我們考慮了兩種實現方法：一種是利用串口通信，另外可通過I/O卡來實現。由于串口通信在實時性、可靠性、抗干擾性等方面都沒有I/O卡好，又根據廠里具體情況，最后還是選用了后一種方法。I/O卡即開關量輸入輸出卡，在此項目中，我們選擇了PCL—724，24位數字I/O卡，傳輸速率為300KB/s。該I/O卡具有2個八位端口（A，B），端口地址范圍為200H～3FFH，兩端口都可以進行輸入輸出操作，在進行輸入輸出操作時，無需進行握手，因為數據可以直接寫或讀到設定的端口。由PLC輸入輸出信號表可以看到，PLC需要接收計算機3個信號，計算機需要接收PLC一個信號。它們的通信協議定義與地址設定，如表2示。

表2 計算機與PLC的通訊協議定義與地址表

五、結束語

本系統是PLC與工控機集成控制的很好應用，投入運行后，為企業帶來了可觀的經濟效益和社會效益。該系統在工業現場控制方面，尤其在PLC控制方面，以其卓越的控制功能和良好的性能價格比，贏得了用戶的廣泛贊譽。