季萍

对于一些大型设备和仪器，其主控单元需要接收各个部件传递的信号来反映设备当前的状态，并将下一步的指令传递到各个部件上去。这些部件有的离主控单元较近，有的则较远。对于离主控单元较远的部件，需要通过较长的线缆来传递信号。以汽车上车轮的转速传感器为例，它的工作区域为汽车的四个车轮的轮轴附近，而信号最终传递给位于发动机舱内的ABS系统，它们之间就使用了长度在1m左右的线缆来连接。

基于安全和便于维护的考虑，一般需要将这些线缆固定在设备内部，而金属支架是最经常使用的一种方式。它的一端压合在线缆上，另外一端通过螺栓固定在设备内部。由于设备的不同或者同一设备不同位置的结构不同，造成金属支架的多种多样。为了提高设备的灵活性和降低成本，可以将不同型号的产品和不同形状的支架在一台支架安装设备上完成支架的安装。

为了实现这个目标，可以将支架安装设备分成两个部分：主机台和夹具。主机台包括安全控制模块和数字IO控制模块，它是唯一的，通用于所有的型号对应的夹具。夹具包括气缸和传动装置，不同型号的产品和不同形状的支架都是体现在夹具中的，它使用了Poka Yoke的设计，使之不会出现无法安装支架以及混料的情况。

一、主机台设计

1.设计原理

本设计选用西门子S7-200系列CPU224 6ES7214-1BD23-OXB8型号PLC

和西门子TP177B 彩色 6AV6-642-08A01-1AX1触摸屏，通过控制电磁阀来控制气源，并推动气缸动作来压合金属支架到线缆上。控制原理图如图1所示：

2.主要功能模块

（1）安全模块。在生产过程中，安全是处在第一位的。本设计是通过气源提供动力，从而带动气缸动作压合产品。如果在支架压合过程中作业员将手指伸到气缸附近，就很容易压伤手指，造成伤害。为了避免人手伸到气缸附近造成压伤，本设计使用了安全光栅，当人手通过安全光栅时，光栅会反馈信号给安全回路，安全继电器断电，运动系统断电断气，从而阻止人手受到伤害。本设计采用的是Pilz安全继电器，它具有冗余回路，即使其中一条回路出现故障，另外一条回路也能继续工作，对作业员进行保护。Pilz安全继电器由数个继电器与电路组合而成，为的是互补彼此的异常缺陷，达到正确且低误动作的继电器完整功能，使其失误和失效率降低。如果安全继电器的两条回路都出故障了，又该怎么办呢？在安全回路中还使用了急停按钮，当设备出现异常或者对人身造成伤害时，拍下急停按钮，该设备的运动系统会立即断电断气，形成第三道防护。

（2）复位按钮。当系统刚开始上电，或者系统从一次故障中恢复，比如拍下急停后，再将急停拉起，都需要将设备恢复过来，此时需要使用复位按钮。除了以上情况，复位按钮还用于设备报警的恢复、人手遮挡光栅后的恢复等。

（3）三色灯。三色灯是一种机床报警灯，它用于反映设备当前的状态，它有红、黄、绿三种颜色，任何时候只能有一个灯亮。其中红色代表设备报警（比如急停被按下、安全门被打开、系统无气源、设备故障等）；黄色代表设备正常，处于等待生產状态；绿色代表设备正在使用过程中，如正在测试或者正在编程。通常三色灯安装在设备的右上部，是为了让设备维护人员能第一时间看到设备的异常，从而进行维护。

（4）哈丁接头（母）。主机台与夹具的连接是通过哈丁接头实现的，包含电路和气路两部分。主机台端的哈丁接头为母接头。

二、夹具设计

1.设计原理

通过Poka Yoke设计，特定的支架只能安装在特定的位置上，并通过传感器检测支架是否安装到位。另外，通过IO点的On4和Off的排列组合来区分不同产品的型号，防止产品型号选错。

2.主要功能模块

（1）气缸和传动装置。PLC发出指令后，电磁阀闭合，气缸得到气源，推动传动装置，将金属支架压合在线缆上。每个气缸上通常会有两个传感器，分别代表原点位置和工作位置。设备开始工作前，传感器需要停在原点位置上，代表原点位置的传感器显示灯亮；设备工作中，气缸需要到达工作位置，代表工作位置的传感器显示灯亮。

（2）传感器，检查金属支架是否安装到位。传感器可以检测夹具上面是否有支架，放置的支架型号与所选产品型号要求的支架型号是否一致，当夹具上没有支架或者型号错误时，会有报警提示操作工，只有当放好支架后才能进行下一步操作，避免因支架与线缆组装错误或漏组装而产生的不良品。除此之外，产品压合完成后，需要全部取出，若没有取走产品则设备无法再次启动，需取走产品后重新放置未压合的产品方可再次启动。

（3）机械Poka Yoke设计。需要根据支架形状的不同而设计不同的夹具，使得该支架刚好能够放入该夹具中，同时其他形状的夹具无法放入该夹具中。为了防止直接安装好后由于重力因素等掉落，夹具中安装磁吸，固定住支架，确保其在压合中不会掉落。

（4）哈丁接头（公）。主机台与夹具的连接是通过哈丁接头实现的，包含电路和气路两部分。主机台端的哈丁接头为公接头。

三、操作流程图（如图2所示）

四、主控制回路及安全控制回路设计

主控制回路除了要满足设备运行所需要的供电和供气，还要确保设备操作人员的安全。该设备外部供电为交流220V、50Hz，而主要的控制部件PLC，以及主要的运动部件气缸、电磁阀等，都是选用的直流24V的供电。因此它们之间使用了电源转换器，将交流220V转为直流24V，以便设备能够正常运行。

为保护设备操作人员的安全，主控制回路与急停开关串联在一起，当发生意外时，按下急停开关，设备会立即断电断气。

本设备还使用了安全光栅，当作业员的手在安全光栅范围以内时，设备也是断电断气的，确保不会因为误操作，将作业员撞伤。

五、数字IO控制回路设计

数字IO控制回路的设计主要包括三个方面。不同型号的产品所使用的工装要能够被识别。本设计是利用IO点的ON/OFF信号来识别的，比如当I0.2为ON、I0.3为OFF时，为A工装；当I0.2为OFF、I0.3为ON时，为B工装；所有输入信号（检测产品有无的传感器、气缸位置传感器、电磁阀反馈信号等）都需要接入PLC，同时输出信号（主要是电磁阀控制信号、信号灯等）也都需要接入PLC（如图3所示）。

六、结语

本设计可实现各种型号的金属支架和塑料支架组装在其对应的Cable上，并通过夹具，自动地将Cable穿过支架的地方压紧。文中机台机构是由机架﹑工装两大部分组成，由气源提供动力。为了满足不同客户的要求，同时为了提高设备的兼容性，实现生产的多样化，使用了Poka Yoke设计避免漏装和混料。在细节方面，针对不同的产品，以对应产品的工装对产品外形进行定位，工装内装有强磁和定位销，可防止产品在工装内转动；组装不同产品时更换夹具，并在触摸屏上选定型号，确定程序。当所有传感器检测到金属支架和Connector都已放置好后，操作人员退离安全光幕以外，触摸屏显示可以运行，启动按钮亮绿灯，操作人员启动设备。

参考文献：

[1]龚运新.PLC技术及应用——基于西门子S7-200[M].北京：清华大学出版社，2009.

[2]韩凤有.西门子S7PLC在能源数据采集项目中的应用[J].自动化应用，2016（3）：44-45.