王琳

摘要：在相關(guān)工藝技術(shù)支持以及社會需求的推動(dòng)下，行業(yè)專家根據(jù)自動(dòng)化生產(chǎn)線控制要求，設(shè)計(jì)了以S7-1200PLC 為控制核心結(jié)合觸摸屏、變頻器、傳感器等的教學(xué)用自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)能夠模擬自動(dòng)運(yùn)送工件、識別工件、裝配工件等功能，提升生產(chǎn)線設(shè)備教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞：S7-1200PLC;自動(dòng)裝配生產(chǎn)線;控制系統(tǒng)

隨著科技的進(jìn)步和裝配制造業(yè)的快速發(fā)展，以及生產(chǎn)過程的智能化、網(wǎng)絡(luò)化，國內(nèi)外對自動(dòng)生產(chǎn)線相關(guān)技術(shù)的研究十分重視。PLC技術(shù)可以滿足系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性與可視化需要，設(shè)計(jì)自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)是企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益的必然選擇。多方面采取措施加速我國傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化改造，大力發(fā)展我國生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。培養(yǎng)高水平工業(yè)復(fù)合型人才成為一個(gè)促進(jìn)工業(yè)化發(fā)展的重要渠道。故此，對自動(dòng)生產(chǎn)線教學(xué)裝置的研究與開發(fā)具有十分重要的意義，該設(shè)備開發(fā)成功后，能夠滿足自動(dòng)生產(chǎn)線技術(shù)教學(xué)的需要，創(chuàng)建接近企業(yè)實(shí)際的工作情境來培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、工程實(shí)踐技能以及團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。

一、自動(dòng)化生產(chǎn)線總體方案

根據(jù)工件裝配任務(wù)要求，模擬自動(dòng)化生產(chǎn)線需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取貨、送件、識別工件、裝配和缺陷工件篩選等功能，自動(dòng)化生產(chǎn)線由送料單元，加工單元，裝配單元，輸送單元和分揀單元五個(gè)部分組成，集光、機(jī)、電、氣為一體，完成工件上料、搬運(yùn)、加工、裝配等功能。其中，每個(gè)單元都有控制本單元工作過程的PLC，檢測元件把檢測信號送給本單元的PLC，信號經(jīng)過PLC處理后，發(fā)出使執(zhí)行元件工作的指令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作。每一個(gè)工作單元都是一個(gè)機(jī)電一體化的系統(tǒng)，也可以看成一個(gè)獨(dú)立的工作系統(tǒng)。各個(gè)單元的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)，可以通過安裝在其上面的傳感器的信號可以判斷這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置。傳感器是自動(dòng)化生產(chǎn)線中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是現(xiàn)代工業(yè)實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的必備裝置。自動(dòng)生產(chǎn)線五個(gè)單元之間必須協(xié)調(diào)工作，各單元之間要進(jìn)行通信，以輸送單元為主站，基于西門子S7—1200自帶的通信協(xié)議完成各單元之間的通信。應(yīng)用PLC作為控制核心部件，設(shè)計(jì)完成了自動(dòng)化生產(chǎn)線基于PLC控制的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。本文研究控制系統(tǒng)的模塊組成、控制方式、功能的實(shí)現(xiàn)及整個(gè)系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)工作。對自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，得出有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值的教學(xué)用自動(dòng)裝配生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。

二、自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

模擬自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)分為五個(gè)部分，其中包括自動(dòng)化數(shù)控生產(chǎn)設(shè)備通訊開發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、生產(chǎn)線智能控制核心部分、人機(jī)交互、機(jī)器人智能控制與通訊、輔助控制與執(zhí)行單元。通過自動(dòng)化數(shù)控生產(chǎn)設(shè)備的通訊模塊，所有生產(chǎn)線上的設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信連接，生產(chǎn)的信息和機(jī)器狀態(tài)被生產(chǎn)線控制核心的信息處理模塊收集起來。智能核心部分根據(jù)所得到的機(jī)器信息，以及系統(tǒng)設(shè)置信息，自動(dòng)安排最優(yōu)生產(chǎn)過程，并通過機(jī)器人通訊模塊接口，對機(jī)器人發(fā)出控制命令，從而完成整個(gè)生產(chǎn)線流水線的生產(chǎn)控制。通信網(wǎng)絡(luò)建立好后，主控系統(tǒng)需要和各單元系統(tǒng)約定好通信的協(xié)議，主控發(fā)送運(yùn)行指令，各單元系統(tǒng)按指令執(zhí)行并反饋相應(yīng)的狀態(tài)。主控系統(tǒng)根據(jù)反饋的狀態(tài)信息進(jìn)行下一次運(yùn)行控制的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行控制。如果發(fā)生故障或者異常情況，控制中心可以向單臺生產(chǎn)設(shè)備發(fā)送控制命令，完成停機(jī)、報(bào)警或者其他指令。

模擬生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，利用配置程序配置自動(dòng)線的工作參數(shù);通過調(diào)整操作模塊利用操作按鍵控制自動(dòng)化生產(chǎn)線信息控制操作;利用檢測設(shè)備檢測自動(dòng)線設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù);通過數(shù)模調(diào)整模塊利用調(diào)整程序調(diào)整自動(dòng)線數(shù)模操作;利用優(yōu)化程序?qū)ψ詣?dòng)線設(shè)備參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化;利用傳送帶運(yùn)輸自動(dòng)線加工原料;加工設(shè)備對自動(dòng)線運(yùn)輸?shù)脑线M(jìn)行加工;利用顯示器顯示配置的工作參數(shù)，檢測設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。本發(fā)明保證了自動(dòng)線數(shù)模的準(zhǔn)確性及模擬現(xiàn)場的一致性，避免了仿真模擬與現(xiàn)場操作出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象，減少了調(diào)試人員的現(xiàn)場調(diào)試，無需反復(fù)進(jìn)行調(diào)試，直接通過大數(shù)據(jù)獲取最優(yōu)參數(shù)值，效率較高。

三、可編程控制器控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)以及后續(xù)的系統(tǒng)擴(kuò)展的自定義模式也很便捷，能夠根據(jù)客戶自身實(shí)際需求進(jìn)行定制。在工業(yè)領(lǐng)域中，控制系統(tǒng)是整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)核心，而工控系統(tǒng)性能高低的主要因素是控制器的選擇，而當(dāng)今工控行業(yè)用得最多的還是可編程控制器（PLC）?？删幊炭刂破魇巧a(chǎn)控制系統(tǒng)的控制核心，它可以實(shí)現(xiàn)很多控制功能，例如：I/O邏輯控制、延時(shí)、計(jì)數(shù)等。PLC是一種可編程的存儲器，用于內(nèi)部存儲程序和執(zhí)行邏輯、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的控制指令，并且通過數(shù)字或模擬式輸入或輸出，控制各種不同機(jī)械協(xié)同工作。受國內(nèi)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)情況影響，當(dāng)前很多生產(chǎn)企業(yè)依然采用傳統(tǒng)繼電器——接觸器控制系統(tǒng)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率不高、穩(wěn)定性差?？删幊炭刂葡到y(tǒng)的應(yīng)用提高了控制系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。文章以S7-1200系列PLC為核心控制器討論生產(chǎn)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

西門子S7-1200的內(nèi)存有50KB用于公用指令及數(shù)據(jù)工作，并且還為集成裝載提供了2MB作內(nèi)存空間以及2KB的斷電保存用內(nèi)存。在S7-1200PLC設(shè)備的CPU上附加三個(gè)通信模塊為點(diǎn)與點(diǎn)之間提供串行通信。此外，S7-1200PLC具有PWM功能，能夠運(yùn)用這種技術(shù)在逆變電路中控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、閥門位置。

四、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在模擬自動(dòng)生產(chǎn)線的多個(gè)動(dòng)作（如送料單元、加工單元、裝配單元、輸送單元和分揀單元）過程中，由于這些動(dòng)作數(shù)量眾多且復(fù)雜，為了確保自動(dòng)生產(chǎn)線能力有效運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)線的工藝流程，保證控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)滿足以下要求：

（1）各工序能夠協(xié)調(diào)控制，使自動(dòng)化生產(chǎn)線穩(wěn)定、高速運(yùn)行。

（2）程序的可變性強(qiáng)，能夠根據(jù)不同作業(yè)要求隨時(shí)對運(yùn)行程序進(jìn)行調(diào)整。

（3）實(shí)時(shí)性高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好，能夠隨時(shí)對各種傳感器信號進(jìn)行采集并及時(shí)反饋。

（4）高可靠性、安全性和穩(wěn)定性。

（5）智能化的人機(jī)界面，便于工人操作以及監(jiān)控。

（6）硬件結(jié)構(gòu)緊湊，且具有后期擴(kuò)展性。根據(jù)工藝流程，本文采用了“觸摸屏+PLC”的控制模式，PLC可編程控制器作為觸摸屏與各信號傳感器之間的橋梁，將觸摸屏與各個(gè)信號緊密連接起來。

五、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)觸摸屏程序能夠?qū)崿F(xiàn)操作人員與PLC之間的交流，實(shí)現(xiàn)不同人機(jī)界面之間的切換，以及不同的操作、不同的按鍵控制。根據(jù)自動(dòng)生產(chǎn)線教學(xué)裝置控制要求，利用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)組態(tài)界面，實(shí)現(xiàn)對整套自動(dòng)生產(chǎn)線教學(xué)裝置各模塊執(zhí)行機(jī)構(gòu)和工件信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在上位機(jī)組態(tài)軟件中創(chuàng)建好的工程經(jīng)過模擬運(yùn)行后下載到觸摸屏正式運(yùn)行。觸摸屏組態(tài)模塊主要是完成與操作人員的交互功能。在軟件平臺添加設(shè)備子模塊，設(shè)置PLC、變頻器和觸摸屏的IP地址，并根據(jù)所需流程定義適合的通信協(xié)議。

觸摸屏能夠?qū)b碼垛生產(chǎn)線的運(yùn)行信息、報(bào)警信息以及控制信號，以文字或者圖像的方式直觀展示給用戶。觸摸屏程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞不僅僅影響人機(jī)界面美觀性，對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行同樣具有重要影響。觸摸屏通過編程軟件進(jìn)行離線模擬和在線模擬，極大地方便了程序的調(diào)試。該觸摸屏軟件程序中主要包括主控界面、參數(shù)設(shè)置界面以及監(jiān)控三大部分。主控界面中主要包括啟動(dòng)、停止、自動(dòng)模式以及手動(dòng)模式。報(bào)警顯示系統(tǒng)中主要顯示生產(chǎn)線中的報(bào)警信息，結(jié)合報(bào)警畫面中的信息，生產(chǎn)線的工作人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并排除故障，保證生產(chǎn)線的生產(chǎn)正常進(jìn)行。

六、結(jié)束語

隨著工控技術(shù)的發(fā)展，PLC技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展迅速，總的趨勢是向高集成度、小體積、大容量、高速度、使用方便、高性能和智能化方向發(fā)展。基于教學(xué)用的自動(dòng)裝配生產(chǎn)線利用 S7-1200PLC作為生產(chǎn)線的控制中心，將綜合應(yīng)用PLC、氣壓傳動(dòng)、傳感檢測、組態(tài)監(jiān)控及通信等多種技術(shù)，充分體現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線技術(shù)的系統(tǒng)性及融合性強(qiáng)等特點(diǎn);在結(jié)構(gòu)上采用開放式模塊化結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊結(jié)構(gòu)固定，具有相應(yīng)的生產(chǎn)功能。根據(jù)模擬生產(chǎn)線情況，能夠通過對生產(chǎn)線不同模塊擺放位置的調(diào)整及配合，模擬實(shí)現(xiàn)不同的生產(chǎn)流程，這更符合企業(yè)的需求。在完成硬件選型的基礎(chǔ)上，對控制系統(tǒng)主程序以及人機(jī)交互界面進(jìn)行了軟件編程。自動(dòng)生產(chǎn)線教學(xué)裝置為理論與實(shí)踐一體化教學(xué)提供了非常好的一個(gè)平臺，可以有效縮短教學(xué)與實(shí)際工程應(yīng)用之間的差距。

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