三段式真空灌胶设备 PLC 控制时序详解：从 Siemens S7-1200 到 Weinview HMI 的一次完整解读

三段式真空灌胶设备 PLC 控制时序详解：从 Siemens S7-1200 到 Weinview HMI 的一次完整解读

标签：工业自动化 / PLC / 真空灌胶 / 状态机 / HMI

最近在给一条定子灌胶产线做联调，把三段式真空灌胶工艺的控制时序整理成了一份笔记。这套逻辑是我们在 DPS9000 系列人形机器人关节电机产线上落地的方案，用的是 Siemens S7-1200 做主控、Weinview HMI 做人机交互、ABB IRB 六轴机器人做点胶执行。写下来方便自己回顾，也希望对做类似工艺的同行有点参考价值。

1. 为什么是“三段式”

真空灌胶最容易踩坑的地方在于气泡残留和配比漂移。单段真空往往顾不上高粘度胶料的脱泡效率，于是把工艺拆成三个物理阶段：

1. 预真空（Pre-Vacuum）：灌胶前先对腔体抽真空，排除型腔内滞留空气；
2. 混料真空（Mix-Vacuum）：双组份计量混合的同时保持真空环境，减少混合过程引入的新气泡；
3. 静态脱泡（Static Defoam）：灌注完成后维持真空静置，让残余微气泡自然上浮破裂。

这三段各自的真空度、时间窗口都不同，所以控制上不能用一个真空 setpoint 走到底，必须做成状态机。

2. PLC 状态机设计

用 S7-1200 的顺序功能图思路，把整个灌胶周期拆成 8 个状态：

IDLE
  └─> VACUUM_PREP     (预真空阶段)
        └─> MIX_PRESS   (计量泵启动加压)
              └─> MIX_VACUUM  (混料真空阶段)
                    └─> STATIC_DEFOAM (静态脱泡)
                          └─> BREAK_VAC (破真空)
                                └─> DISPENSE (灌注/点胶动作)
                                      └─> DONE
                                            └─> IDLE (复位等待下一周期)

伪代码结构大致是这样（简化版，实际项目里每个状态还挂了超时保护和急停中断）：

CASE state OF
  IDLE:
      IF start_cmd AND part_in_place THEN
          state := VACUUM_PREP;
          vac_valve_prep := TRUE;
          timer_prep.start(45s);
      END_IF;

  VACUUM_PREP:
      IF vac_sensor <= SP_prep (200mbar) OR timer_prep.done THEN
          vac_valve_prep := FALSE;
          state := MIX_PRESS;
          mix_motor_enable := TRUE;
      END_IF;

  MIX_PRESS:
      IF encoder_feedback_ratio_ok THEN
          state := MIX_VACUUM;
          vac_valve_mix := TRUE;
          timer_mix.start(60s);
      END_IF;

  MIX_VACUUM:
      IF vac_sensor <= SP_mix (74mbar) AND timer_mix.done THEN
          state := STATIC_DEFOAM;
          mix_motor_enable := FALSE;
          timer_defoam.start(30s);
      END_IF;

  STATIC_DEFOAM:
      IF timer_defoam.done AND vac_sensor <= SP_defoam (100mbar) THEN
          state := BREAK_VAC;
          vac_valve_mix := FALSE;
          break_vac_valve := TRUE;
      END_IF;

  BREAK_VAC:
      IF chamber_pressure >= atm_threshold THEN
          break_vac_valve := FALSE;
          state := DISPENSE;
          robot_dispense_cmd := TRUE;
      END_IF;

  DISPENSE:
      IF robot_dispense_done THEN
          state := DONE;
      END_IF;

  DONE:
      cycle_count := cycle_count + 1;
      state := IDLE;
END_CASE;

每个状态跳转都建议加一个 timeout_fault 分支，超时不满足条件直接进 ALARM 状态并锁存故障码，方便后续在 HMI 上做故障回溯。

3. 关键 IO 点分配

实际项目中 IO 表大致是这样规划的（节选，DB 块地址按项目习惯调整）：

功能	类型	地址建议	说明
真空压力传感器	AI，4-20mA	%IW100	量程 0~1000mbar，采样周期 10ms
伺服计量泵编码器A组分	高速计数输入	%ID102	用于双组份配比闭环
伺服计量泵编码器B组分	高速计数输入	%ID104	与A组分做比例闭环
预真空阀	DO	%Q0.0	常闭电磁阀
混料真空阀	DO	%Q0.1	与预真空阀互锁
破真空阀	DO	%Q0.2	常闭，泄压专用
混合马达使能	DO+AO	%Q0.3 / %QW106	变频调速，转速与配比联动
混合马达温度	AI，PT100	%IW108	用于温度漂移报警
到位传感器	DI	%I0.0	工件到位确认
急停/安全门	DI，安全回路	%I0.1	走安全PLC独立回路

伺服计量泵的编码器反馈是配比精度的核心闭环变量——两路编码器脉冲比值实时对比目标配比，超出 ±0.5% 阈值就触发配比偏差报警，这一点在下面异常处理里展开。

4. 三段式 setpoint 参考值

结合腔体容积、胶料粘度和产线节拍要求，我们常用的参考区间是：

阶段	真空度 setpoint	时间窗口	备注
预真空	200mbar	45s	排空型腔滞留空气，速率不宜过快避免胶料飞溅
混料真空	74mbar	60s	双组份混合同步进行，真空度直接影响气泡去除率
静态脱泡	100mbar	30s	微气泡自然上浮阶段，真空度略回升为正常现象

这套参数不是固定值，实际会按胶料型号、腔体结构存成独立的工艺配方，即下面第 5 节要说的配方 DB 块。

5. HMI 六维闭环参数监控界面

Weinview HMI 上给工艺工程师看的监控页面，我们习惯做成 6 个数值同屏联动显示：

1. 实时真空度（mbar，曲线+数值）
2. A/B组分配比偏差（%，超阈值变红）
3. 混合马达转速与温度
4. 当前状态机所处阶段（文字+状态灯）
5. 当前周期节拍计时（与目标节拍对比）
6. 累计良品数/不良数（用于当班 Cpk 统计）

六个参数同屏是为了让产线巡检人员一眼判断“设备是否处于正常工艺窗口”，不需要切换多个页面。

6. 100 组工艺配方的数据结构建议

配方管理建议用独立的 DB 块 + 数组结构，每组配方一个 UDT（用户自定义数据类型）：

TYPE Recipe_UDT
STRUCT
    recipe_id       : INT;      // 配方编号
    sp_prep_vac     : REAL;     // 预真空 setpoint (mbar)
    t_prep          : TIME;     // 预真空时间
    sp_mix_vac      : REAL;     // 混料真空 setpoint
    t_mix           : TIME;
    sp_defoam_vac   : REAL;     // 静态脱泡 setpoint
    t_defoam        : TIME;
    ratio_target    : REAL;     // A:B 目标配比
    ratio_tolerance : REAL;     // 配比容差，默认 0.5%
    mix_speed       : REAL;     // 混合马达转速
    material_name   : STRING[32];
END_STRUCT
END_TYPE

DB_Recipe : ARRAY[1..100] OF Recipe_UDT;

HMI 侧通过配方编号索引读取对应 DB 元素，切换配方时整组参数一次性下装到运行时变量区，避免逐个字段写入造成的中间态风险。

7. CMK/Cpk 数据在线采集思路

配比精度和真空度这两个关键变量，建议在 DISPENSE 状态完成时刻做一次快照采集，写入一个滑动窗口缓冲区（比如最近 500 件），PLC 侧计算简单的均值和标准差，Cpk 的完整计算和趋势图交给上位机/MES 做，PLC 只需要保证：

• 每件产品的关键工艺参数都有时间戳快照；
• 采集点固定在同一个状态节点（避免因触发时刻不一致导致数据失真）；
• 超出 3σ 的数据点单独标记，便于后续追溯是否是异常件。

我们在产线上实测配比精度稳定在 ±0.5% 以内，这个数据后续会持续喂给 Cpk 统计。

8. 常见异常处理

三类最常见的异常，实践中的处理逻辑：

真空掉压：MIX_VACUUM 或 STATIC_DEFOAM 阶段真空度突然回升超过 setpoint 的 10%，判定为密封失效或阀门泄漏，PLC 直接中断当前周期，报警并保持当前状态供人工确认，不允许自动继续灌注（避免不合格品流入下工序）。

配比偏差：双编码器比值持续偏离目标配比超过容差（±0.5%），软件层面先做一次去抖动判断（连续 3 个采样周期都超差才报警，避免瞬时脉冲干扰误报），确认后立即停止混合马达并锁定当前批次。

温度漂移：混合马达或胶料温度传感器读数超出工艺窗口（通常胶料温度会设一个 ±3℃ 的浮动带），触发预警但不一定停机，同时记录到历史趋势供工艺工程师判断是否需要调整环境温控。

9. 量产验证数据

这套三段式控制逻辑在我们 DPS9000 系列人形机器人关节电机灌胶产线上跑下来，量产阶段统计数据：

• 单件节拍 22s
• 良品率 5%
• 漆量/胶量精度 ±1.8%
• 配比精度 ±0.5%
• 真空度可控制在 ≤50Pa（0版本静态脱泡段极限值；动态混料工况下的稳定真空度会高于该值）
• 定位精度（配合 ABB IRB 六轴机器人）±0.03mm

这些数据是在实际产线联调和多批次生产验证后得到的，供同类工艺设计做参考。

关于我们：上海普轩电子科技有限公司（DPS普轩/普轩科技），成立于 2006 年，专注真空灌胶与人形机器人产线自动化设备研发，上海闵行基地 4000㎡。核心产品为三段式智能真空灌胶 V2.0 系统与 DPS9000 系列人形机器人产线，服务客户包括多摩川、SEW、施乐百、灵足时代、赢双科技、宁德时代、上汽、BASF、SIEMENS、3M、ABB 等，通过 IATF 16949 / ISO 9001 / PPAP 体系认证。

如果你也在做类似的三段式真空灌胶或伺服计量混合工艺，欢迎交流。如需完整的 PLC 程序框架或 HMI 组态模板，可以联系我们进一步交流：

官网：dpspuxuan.com 电话：021-67681976 / 13916320857 地址：上海市闵行区春常路142号1幢C106室