山東理工職業(yè)學院 李 強

自動化生產線是在流水線基礎上發(fā)展起來的，在我國工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛應用。與傳統(tǒng)生產線相比，采用自動化生產線能夠減少生產線員工數(shù)量、減輕工人勞動強度、提高產品生產效率和降低生產成本，并且產品質量穩(wěn)定和生產周期縮短，能給企業(yè)帶來顯著的經濟效益。自動化生產線的正常運行對于保證企業(yè)的可靠生產具有重要意義。企業(yè)需要大量自動化生產線調試、維修與管理甚至改造的人員，而自動化生產線具有綜合性和系統(tǒng)性的特點，隨著自動化生產線智能化水平的不斷提高，企業(yè)原有的設備維修人員面對復雜的自動化生產線，容易出現(xiàn)無從下手的情況。自動化生產線控制系統(tǒng)是自動化生產線的核心，幫助一線技術人員掌握自動化生產線控制系統(tǒng)的分析方法具有重要意義。本文在研究了北京德普羅爾科技有限公司推出的一套以PLC為控制器的智能工廠自動化工程綜合實訓平臺——IFAE平臺基礎上，提出了一種基于流的分析方法。實踐證明，采用流分析方法能夠幫助技術人員清晰地理解自動化生產線控制系統(tǒng)。

1 自動化生產線IFAE平臺

IFAE（智能工廠自動化工程綜合實訓平臺）抽象自真實工業(yè)中的自動化生產線，能夠使學習者參與自動化生產線控制系統(tǒng)的設計、構建和調試。它是通過采用一套能自動進行供料、檢測、組裝、裝卸運輸?shù)臋C器設備，組成高度連續(xù)、完全自動化的生產線，來實現(xiàn)產品的生產。

這套自動化生產線共有六個工作站，具體包括主件供料站、次品分揀站、旋轉工作站、方向調整站、產品組裝站、產品分揀站組成。該實訓平臺共使用了六臺西門子S7-1200系列PLC。每個工作站均設置一臺PLC承擔控制任務，各工作站可自成一個獨立的系統(tǒng)，同時也可以通過由交換機構成的以太網實現(xiàn)互連，構成分布式的控制系統(tǒng)。

2 自動化生產線中的流分析

現(xiàn)代機電一體化系統(tǒng)都是在系統(tǒng)程序和微電子電路的有序信息流控制下，通過物質與能量的有規(guī)則運動實現(xiàn)相應功能。自動化生產線本身就“流”的特性，作為典型的機電一體化系統(tǒng)中同樣存在著物料流、信息流與能量流。所謂的流分析法，就是通過研究自動化生產線中的物料流與信息流，使原本復雜的自動化生產線工作過程變得清晰。

2.1 自動化生產線中的物料流

廣義物料包括企業(yè)中生產經營中用到的各種物資，而在研究自動化生產線時，物料主要是指用于產品生產的各種原材料與零部件，所謂的物料流就是圍繞產品生產任務使各種物料在空間位置上的移動過程。對于制造企業(yè)，產品的生產活動都有一定的流程性，即要按照一定的生產工藝把原材料加工成產品。自動化生產線物料流需要關注的是從物料進入自動化生產線到離開生產線所經歷的過程。對于不同的生產線，物料流會有很大差異，但一般都是從物料供料開始到根據加工工藝加工或裝配工藝裝配的各環(huán)節(jié)，最后到產品的分揀和入庫。物料流分析的起點是產品的組成和工藝分析。IFAE平臺屬于自動化裝配生產線，通過對該生產線的產品分析，可以看到生產線所用物料主要包括產品主件、推桿和頂絲三部分。物流分析要根據不同物料的物流進行分析，其中主件物料由主件供料站經次品分揀站、旋轉工作站、方向調整站送到產品組裝站。產品組裝站再提供推桿和頂絲，與主件完成產品組裝，最后由產品分揀站進行分揀。物料流分析的過程是不斷細化的過程，對于主件物料經過的每個工作站都可以進行詳細的物料流分析，例如對于主件供料站，物料是產品主件。產品主件物料放置在帶滾輪的斜坡滑道上后，物料滑動到滑道末端的物料平臺上。氣爪夾取物料，由傳送帶從供料站左側搬運到工作站右側。在第二站空閑情況下，物料被放置到下一站次品分揀站承載料平臺上。

2.2 自動化生產線中的信息流

現(xiàn)代機電一體化設備與傳統(tǒng)機械設備的本質區(qū)別就是有信息流。在現(xiàn)代機電一體化系統(tǒng)中信息系統(tǒng)對于系統(tǒng)正確運行具有重要意義。現(xiàn)代制造企業(yè)的整個生產過程都伴隨著信息的采集、傳遞與加工處理。信息流涉及信息的讀取、識別、傳送、變換、處理和存儲等過程，是構成任何機電一體化系統(tǒng)設計方法的基礎。自動化生產線控制的關鍵就是實現(xiàn)對生產信息流的控制。自動化生產線的信息流主要在檢測與傳感器裝置、人機界面設備和控制器等組成控制系統(tǒng)中“流動”。控制器根據從檢測裝置上獲取的檢測信息和來自于人機界面的指令信息進行分析、變換、處理、決策，然后輸出控制信息并顯示相關信息。在自動化生產線中控制器是核心，一般采用PLC作為控制器。PLC是可編程控制器，主要通過完成入出的信息變換達到控制功能。在生產線上通常會安裝一定量的傳感器，在自動化生產線運行過程中，各種檢測信息會提供給PLC。PLC通過運行控制程序，向繼電器、電磁閥、指示燈等電器發(fā)出控制信息，從而實現(xiàn)對生產線控制。隨著工業(yè)互聯(lián)網技術的發(fā)展，自動化生產線上一般采用多個PLC組成控制網絡，每個PLC會根據分工去完成相應的信息處理和控制功能。例如組裝好的產品到達IFAE平臺產品分揀站，工作站安裝的顏色識別傳感器會向PLC發(fā)出顏色檢測信息。根據產品分揀規(guī)則，PLC會記錄檢測結果，向氣動電磁閥發(fā)出命令，驅動氣爪把產品放置到不同滑道。

3 物料流和信息流在控制系統(tǒng)分析中的應用

PLC使用方便、可靠性高、可以實現(xiàn)復雜的控制功能，能夠滿足自動化生產線的控制需要。IFAE平臺生產線由PLC控制實現(xiàn)，要了解其控制原理就需要深入控制現(xiàn)場，熟悉被控對象，全面詳細地了解被控對象的機械工作性能、基本結構特點、生產工藝和生產過程。結合自動化生產線的特點，在IFAE平臺控制系統(tǒng)研究中，可以針對不同的工作站進行物料流和信息流分析，不僅能夠清晰直觀地查看到物料移動情況，而且能夠看到物料流上每個點位所產生和接收的信息，以及相關執(zhí)行元件所接收的控制信息。

如圖1所示是IFAE平臺次品分揀站流分析圖。圖中用虛線箭頭表示物料流、實線箭頭表示信息流。根據物料在次品分揀站上的實際運行情況，可以進行相應的物料流分析。首先物料是產品主件，從圖1可以看到上一站來的物料被放置到承載物料平臺，然后經過高度檢測位后，被搬運到到工作站右側位。之后部分物料被推入廢料倉，部分物料被推入下一站。對于每一個物料位，一般都會安裝有相應的傳感器，可以向PLC提供物料信息。物料在不同位置的移動，離不開相應的執(zhí)行裝置。這些執(zhí)行裝置本身一方面會接收PLC發(fā)出的控制信息，另一方面會向PLC提供相應的動作、位置等檢測信息。例如物料平臺位安裝有搬運初始位和上料點有料檢測傳感器。通過這兩個傳感器PLC可以獲取搬運裝置是否處于初始位，物料平臺上是否放置物料的信息。PLC向同步帶驅動電機發(fā)出使能和方向控制指令到繼電器K1和K2，從而控制同步帶帶動物料移動到高度檢測位。高度檢測位同時向PLC提供高度檢測點是否有料和物料高度信息。根據以上分析，就可以在物料流基礎上繪制出相應的信息流。此外，還可以在圖中添加標注指令信息、端口信息、顯示信息等以完善整個系統(tǒng)信息方便系統(tǒng)的后期實現(xiàn)。

圖1 次品分揀站中的流分析圖

根據自動化生產線各工作站流分析圖，能夠方便地確定PLC控制系統(tǒng)的點數(shù)和主要的I/O分配，并且據此能方便地繪制出系統(tǒng)程序功能圖。利用程序控制功能圖，既可以幫助用戶理解PLC程序，又可以幫助用戶修改PLC程序，為自動化生產線控制系統(tǒng)設計、改造與維修提供條件。

結束語：自動化生產線本身就具有“流”的特征，存在物料流和信息流。因此根據控制要求和生產工藝，通過對自動化生產線采用物料流和信息流分析，可以幫助用戶能更清晰地認識自動化生產線的控制系統(tǒng)，從而能實現(xiàn)對自動化生產線控制系統(tǒng)更好地使用和維護。