【正文】 ..... 28 人機(jī)界面概述 ......................................................... 28 人機(jī)交互原理 ...................................................... 28 V 觸摸屏簡(jiǎn)介 ....................................................... 29 人機(jī)界面設(shè)計(jì) ......................................................... 29 設(shè)計(jì)目標(biāo) .......................................................... 29 觸摸屏選型 ........................................................ 30 人機(jī)界面的控制需求分析 ............................................ 30 觸摸屏畫(huà)面的規(guī)劃與設(shè)計(jì) ........................................... 31 PLC 與觸摸屏通信的實(shí)現(xiàn) ................................................ 33 ..................................................... 33 系統(tǒng)模型的配置與接線 ................................................. 33 系統(tǒng)配置 .......................................................... 33 硬件布局及接線 .................................................... 34 系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程 ......................................................... 34 PLC 與觸摸屏聯(lián)機(jī)調(diào)試 .............................................. 34 調(diào)試結(jié)果 .......................................................... 35 8． 結(jié)論 .................................................................... 35 研究工作總結(jié) ......................................................... 35 研究展望 ............................................................. 36 參考文獻(xiàn) ................................................................... 38 附錄一 電氣原理圖 .......................................................... 39 附錄二 人機(jī)界面 ............................................................ 49 VI 1．緒論 本課題研究的目的、意義及國(guó)內(nèi)外研究概況 全自動(dòng)真空吸塑成型機(jī)（又叫熱塑成型機(jī)）是利用真空吸力，將加熱塑化的PVC、 PE、 PP、 PET、 HIPS 等熱塑性塑料卷材吸制成各種形狀的高級(jí)包裝裝 璜盒、框等產(chǎn)品。 其應(yīng)用極其廣泛，主要包括 玩具、五金、食品、電子、藥品等的包裝。 [1]由于我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的階段，自動(dòng)吸塑機(jī)在我國(guó)有著巨大的市場(chǎng)空間。 [2]工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的 熱成型機(jī)技術(shù)成熟，自動(dòng)化程度高，但在熱成型生產(chǎn)工藝及控制方案上仍存在一些問(wèn)題。相比之下， 我國(guó)經(jīng)過(guò)多年的 努力 ，全國(guó)各地已經(jīng) 發(fā)展了不少自動(dòng)吸塑機(jī)生產(chǎn) 廠 商， 如 上海久羅機(jī)電設(shè)備有限公司 、深圳市恒隆機(jī)械設(shè)備有限公司、深圳市恒隆基機(jī)械設(shè)備有限公司 等 。 但其大多在引進(jìn)國(guó)外技術(shù)上 基礎(chǔ)上對(duì)吸塑機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)或控制系統(tǒng)做某方面的改良， 并沒(méi)有革命性的突破，吸塑機(jī) 的整體性能和質(zhì)量跟國(guó)外技術(shù)水平仍有一定的差距， 不能滿足社會(huì)高效率、低成本 的 發(fā)展 需求。 目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上流通的吸塑機(jī) 功能和性能各異，主要以氣動(dòng)裝置為主動(dòng)力源，其拉片、送片采用電動(dòng)、減速器，時(shí)間繼電器，中間繼電器，行程開(kāi)關(guān)等電器組成全自動(dòng)控制系統(tǒng)。 這樣的系統(tǒng)存在 兩大 方面的不足： 1)整體運(yùn)行速度 和控制精度不高 ， 相比氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，采用電動(dòng) 驅(qū)動(dòng) 可以大大提高各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度和控制精度 ； 2)整機(jī)柔性不理想， 由三相異步電動(dòng)機(jī)和減速器、行程開(kāi)關(guān)等構(gòu)成的控制系統(tǒng) 不能根據(jù)工藝參數(shù)和控制參數(shù)的改變來(lái)作出 靈活、精確 的調(diào)整，不利于 改進(jìn)生產(chǎn)工藝、 提高產(chǎn)品質(zhì)量 。 本設(shè)計(jì) 從吸塑工藝要求出發(fā)， 結(jié)合廠方在全自動(dòng)真空吸塑機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)， 采用 已經(jīng)相當(dāng)成熟的 PLC 技術(shù)、 伺服技術(shù)、傳感技術(shù)、人機(jī)界面 等手段 完成全自動(dòng)真空吸塑機(jī)的開(kāi)發(fā)，提高其生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量及整機(jī)的穩(wěn)定性，也可以增加系統(tǒng)的柔性。 同時(shí)， 本系統(tǒng)中采用的技術(shù)和理論將有助于 ： 1)提高熱成型機(jī)的自動(dòng)化生產(chǎn)程度，滿足社會(huì)發(fā)展的需求； 2)提高國(guó)產(chǎn)熱成型機(jī)的檔次和控制水平，增加其技術(shù)附加值； 3)完善和發(fā)展熱成型機(jī)控制理論，改進(jìn)熱成型生產(chǎn)工藝，改善熱成型機(jī)的功能和性能。 2 主要研究?jī)?nèi)容及研 究方法 主要研究?jī)?nèi)容 在實(shí)際生產(chǎn)中，吸塑機(jī)被大量用于各種塑料 產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過(guò)程中，全自動(dòng)真空吸塑機(jī)由于其生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低，應(yīng)經(jīng)成為了應(yīng)用最廣泛的生產(chǎn)設(shè)備。因此在原有的基礎(chǔ)上研究先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)，大力提高真空吸塑機(jī)的控制水平，對(duì)于提高塑料產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著重要意義。 本設(shè)計(jì)的主要工作是 針對(duì) ZXSJ 型全自動(dòng)真空吸塑機(jī)設(shè)計(jì)一套可靠的智能控制系統(tǒng)，對(duì)其各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)控制，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的具體條件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的成效。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容包括以下方面： (1) 熱成型機(jī)動(dòng)作 控制工藝的研究。 對(duì)整臺(tái)全自動(dòng)真空吸塑機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的控制，首先必須了解自動(dòng)吸塑機(jī)的工作過(guò)程及工藝要求。在廠方提供的資料基礎(chǔ)上， 通過(guò) 多次到工廠現(xiàn)場(chǎng)參觀 吸塑機(jī)成品，與工廠的技術(shù)人員討論吸塑機(jī)的工作原理 和設(shè)計(jì)思想，詳細(xì)了解其工作過(guò)程，總結(jié)其中的細(xì)節(jié)問(wèn)題。 并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出每一動(dòng)作執(zhí)行時(shí)，各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作順序，將其用流程圖的形式表達(dá)出來(lái)，為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)真空吸塑機(jī)的控制做必要的準(zhǔn)備。 全自動(dòng)真空吸塑機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制主要包括吸塑機(jī)各種開(kāi)關(guān)、按鈕功能的實(shí)現(xiàn)及有效控制。 [2] (2)熱成型機(jī) 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的同步與順序運(yùn)轉(zhuǎn)問(wèn)題的研究 。 現(xiàn)在市場(chǎng)上大多數(shù)的吸塑機(jī)采用的是繼電器控制，這必須考慮電氣與機(jī)械結(jié)構(gòu)的同步性問(wèn)題。很可能會(huì)出現(xiàn)控制精度不準(zhǔn)確的情況，也造成了在某些位置無(wú)法判斷機(jī)械部件的確切位置或者導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，影響了生產(chǎn)效率的提高。本設(shè)計(jì)采用可編程控制器作為控制核心，采用伺服驅(qū)動(dòng)器解決拉片等機(jī)構(gòu)的定位問(wèn)題。 [2] (3)熱成型機(jī)的 PLC 控制方法的實(shí)現(xiàn)。 在完善上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上， 可 利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件 如 PLC、觸摸屏、電源模塊、指示燈等搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)， 以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的成效。 該系統(tǒng) 通過(guò)人性化的觸摸屏界面對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān) 控和操作， 如進(jìn)行工藝參數(shù)的修改、系統(tǒng)的調(diào)試等。 研究方法、手段 本設(shè)計(jì)的研究主要 是在總結(jié) 個(gè)人在大學(xué)四年 所學(xué)的關(guān)于自動(dòng)控制的理論 、PLC 編程知識(shí) 及項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 的 基礎(chǔ)上 ， 查閱 各類(lèi) 文獻(xiàn)并 結(jié)合 在 工廠現(xiàn)場(chǎng)所學(xué)習(xí)的熱成型機(jī)的 設(shè)計(jì)理念， 分析真空吸塑成型工藝的原理、特點(diǎn)與相關(guān)因素，深入了解熱成型機(jī)的 工作 過(guò)程，為 熱成型機(jī)動(dòng)作控制工藝的研究提供理論基礎(chǔ)并確定設(shè)計(jì)方案。 在總體設(shè)計(jì)方案的框架下，逐步完善各功能模塊的設(shè)計(jì)，3 并 利用 觸摸屏 開(kāi)發(fā)軟件設(shè)計(jì) 一個(gè)人機(jī)交互界面，利用觸摸屏等硬件設(shè)備結(jié)合仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試，整合熱成型 機(jī)的整機(jī)控制系統(tǒng)，確保系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。 整個(gè)系統(tǒng)主要由 觸摸屏、西門(mén)子 PLCS7200CPU 模塊、 位控制模塊、電子放大器、電源模塊、 安川伺服電動(dòng)機(jī)、安川伺服驅(qū)動(dòng)器、 指示燈及各種開(kāi)關(guān) 、 按鈕 、電磁閥構(gòu)成。由于實(shí)驗(yàn)室所能提供的硬件 有限， 本系統(tǒng)在安裝調(diào)試時(shí) 搭建控制系統(tǒng)模型的時(shí)候只能 從簡(jiǎn)，演示部分功能。 但從設(shè)計(jì)的角度看，由于省略部分的設(shè)計(jì)原理和方法與最后實(shí)現(xiàn)的部分功能相同，所以 這并不影響 仿真驗(yàn)證對(duì)本設(shè)計(jì)理論的驗(yàn)證。 系統(tǒng) 功能的實(shí)現(xiàn)方法主要是觸摸屏與 PLC 進(jìn)行通信， 通過(guò) 點(diǎn)擊 觸摸屏完成系統(tǒng)的啟動(dòng)、調(diào)試、參數(shù)的更改 、控制命令的輸入等 。 PLC 驅(qū)動(dòng)各伺服電機(jī)、單相異步電機(jī)和電磁閥等完成各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作 ，并將系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋到觸摸屏界面上，以便操作人員監(jiān)視熱成型機(jī)的工作過(guò)程。 2. ZXSJ 型吸塑機(jī)控制系統(tǒng)總體方案 系統(tǒng)的需求分析 功能需求 ZXSJ 型全自動(dòng)真空吸塑機(jī)是汕頭市明發(fā)機(jī)械有限公司最新開(kāi)發(fā)的一款升級(jí)換代產(chǎn)品，產(chǎn)品的定位屬于中高檔真空吸塑機(jī)，因此對(duì)控制系統(tǒng)的性能和功能提出了更高的要求。其所需要實(shí)現(xiàn)的功能主要有以下方面： (1)實(shí)現(xiàn)對(duì)吸塑機(jī)基本功能動(dòng)作的可靠控制。 ZXSJ 型真空吸塑 機(jī)的基本動(dòng)作包括送料、送片、下閘、開(kāi)合模、拉伸、夾腳、真空、沖剪、堆疊、輸送、收料、啟動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)停車(chē)和緊急停車(chē)等。 上述 動(dòng)作大部分是順序控制的，是吸塑機(jī)實(shí)現(xiàn)吸塑功能的基本要求。 (2)運(yùn)行保護(hù)功能。吸塑機(jī)在工作過(guò)程中對(duì)各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作協(xié)調(diào)度要求較高，為了避免在吸塑機(jī)的機(jī)械或者電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作損壞吸塑機(jī)，需要有一定的保護(hù)功能。主要是動(dòng)作的互鎖、出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)停車(chē)等。 (3)全中文的 人機(jī) 交互界面。保證操作人員可以直觀簡(jiǎn)便地監(jiān)視吸塑機(jī)的運(yùn)行狀況，查看報(bào)警信息，設(shè)定或修改各種參數(shù)等。 4 性能需求 (1)可靠性。系統(tǒng)是為工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的，其工作環(huán)境較為惡劣且需要持續(xù)不斷地工作，因此對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求較高。 (2)可操作性。系統(tǒng)主要是面向基層的技術(shù)人員和一線技工，因此要求人機(jī)交互界面必須友好簡(jiǎn)潔，力求做到人性化操作。并且要具備一定的容錯(cuò)及安全保護(hù)措施。 (3)可維護(hù)性。系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于檢修、維護(hù)。 (4)開(kāi)放性。便于廠方技術(shù)人員進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。 系統(tǒng)控制方案的論證 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案主要是根據(jù)系統(tǒng)的上述功能和性能要求提出來(lái)的，在設(shè)計(jì) 可 提出多個(gè)候選方案。各個(gè)方案的主要差異體現(xiàn)在控制 器、人機(jī)界面和吸塑機(jī)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn) 方法 的不同。 在控制器核心的選擇上有兩種方案：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制和PLC 控制；而人機(jī)界面的設(shè)計(jì) 也 有 兩 種方案可選擇， 液晶 +單片機(jī)、觸摸屏顯示。在方案的評(píng)估上， 本設(shè)計(jì) 主要把系統(tǒng)的各項(xiàng)性能要求如可靠性、可操作性、可維護(hù)性以及經(jīng)濟(jì)性作為主要指標(biāo) ，最終選定了一種設(shè)計(jì)方案，以下對(duì)各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較分析： [2] 表 21 單片機(jī)系統(tǒng)與 PLC 系統(tǒng)的比較 方案 可靠性 可實(shí)現(xiàn)性 可維護(hù)性 經(jīng)濟(jì)性 PLC 系統(tǒng) 好，平均無(wú)故障時(shí)間可達(dá)十萬(wàn)個(gè)小時(shí) 實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，大部分信號(hào)可以直接輸入輸出 可模塊化設(shè)計(jì)、安 裝，方便維護(hù) 價(jià)格比單片機(jī)高，但性價(jià)比較理想 單片機(jī)系統(tǒng) 較差，容易受干擾，需要設(shè)計(jì)各種抗干擾措施 實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)大量的外圍接口電路 使用元器件較多，系統(tǒng)較為復(fù)雜，維護(hù)工作量大 價(jià)格便宜 如表 21 所示， 考慮到 吸塑機(jī)一般處于間歇工作或 24 小時(shí)連續(xù)工作的狀態(tài)，且工作環(huán)境較為惡劣，對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性要求較高，最后選擇了采用PLC 作為核心控制器的方案。 對(duì) PLC 的品牌選擇上，采用了廠方的應(yīng)用慣例，初步確定選擇西門(mén)子的 PLC 作為控制核心。 在人機(jī)界面的設(shè)計(jì)上， 可從 以下 兩種 方案 進(jìn)行選擇 ： [2] 5 表 22 兩種人機(jī)界面設(shè)計(jì)方案的比較 方案 可靠性 可實(shí)現(xiàn)性 可維護(hù)性 經(jīng)濟(jì)性 觸摸屏 好 采用與觸摸屏配套的組態(tài)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，且內(nèi)置通信程序，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn) 通過(guò)組態(tài)軟件可以簡(jiǎn)便的進(jìn)行模塊修改和維護(hù) 價(jià)格較高，但可選擇檔次適中的產(chǎn)品降低成本 單片機(jī) +液晶 一般 編程復(fù)雜，工作量大，較難實(shí)現(xiàn) 程序的修改工作量大，難度高，不利于及時(shí)地維護(hù) 價(jià)格便宜 同樣，根據(jù) 表 22 列出的四項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，選擇了觸摸屏顯示這種較為人性化的設(shè)計(jì)方案。 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)中的輸入信號(hào) 輸入系統(tǒng)的信號(hào)主要有： 啟動(dòng)信號(hào)、急停信號(hào)、 產(chǎn)品計(jì)數(shù)信號(hào)、拉伸行程信號(hào)、同步行程信號(hào)和報(bào)警信號(hào)等，全部都是開(kāi)關(guān)量信號(hào)。大部分可以直接接入PLC 的數(shù)字量輸入口。