遼寧科技大學(xué) 崔建一 雷賀龍 武嘉琦 李福朋 李玲玲

運(yùn)動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)機(jī)器是西門(mén)子公司為在校大學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)而設(shè)計(jì)的關(guān)于收放卷的機(jī)器，機(jī)器主要通過(guò)PLC與S120來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，操作者使用西門(mén)子公司的博圖系列軟件控制機(jī)器，使收放卷達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡的效果。

1 離散行業(yè)運(yùn)動(dòng)控制

中國(guó)的制造業(yè)越來(lái)越成熟，離不開(kāi)制造工業(yè)的發(fā)展，而制造工業(yè)可以分為離散行業(yè)與流程行業(yè)。

其中流程行業(yè)會(huì)使用工業(yè)方法改變物品性質(zhì)，常用于建材、冶金、制藥、化工等工業(yè)中，流程行業(yè)是將資源與能源經(jīng)過(guò)一道道工序變成產(chǎn)品的行業(yè)，流程行業(yè)產(chǎn)出的產(chǎn)品既可以進(jìn)一步加工，亦可以直接投入使用。

而離散行業(yè)只使用物理方法，改變?cè)牧系男螤罨驅(qū)⑵浣M裝，加工成產(chǎn)品，使其增值。主要應(yīng)用于組裝性行業(yè)，例如汽車(chē)制造、飛機(jī)制造、機(jī)床加工等，也就是說(shuō)，離散行業(yè)僅進(jìn)行組裝或者集成零部件。

運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)與電氣拖動(dòng)技術(shù)的融合，在離散行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，占據(jù)著重要的地位。

離散行業(yè)制造的特點(diǎn)是多品種和小批量，離散行業(yè)中的生產(chǎn)設(shè)備并不是完全按照工藝布置，而是按照產(chǎn)品的不同來(lái)布置，每一件由離散行業(yè)制造出來(lái)的產(chǎn)品一定是由固定個(gè)數(shù)的零部件來(lái)組成的，而且各個(gè)零部件之間的關(guān)系非常明確和固定。在離散行業(yè)企業(yè)制造生產(chǎn)的過(guò)程中，通常把一個(gè)大任務(wù)分解成許多個(gè)小任務(wù)，一塊一塊的拼裝，再整體拼裝起來(lái)，制作工藝類(lèi)似于拼積木，零件與零件之間的配合都是固定不變的，而運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)就是可以控制零件的位置、速度，恰好可以可以滿足離散行業(yè)的需求，本機(jī)器使用PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)器應(yīng)用于離散行業(yè)，機(jī)器的控制核心采用PLC控制器，可隨生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的不同隨時(shí)通過(guò)編程進(jìn)行調(diào)整以獲得理想產(chǎn)物。

2 機(jī)器的基本結(jié)構(gòu)

本設(shè)備由主機(jī)架、控制系統(tǒng)電控箱、人機(jī)交互面板、以及受控對(duì)象組等幾部分組成，又可細(xì)分為由放卷輥、夾緊輥、收卷輥、張力傳感器、手動(dòng)張緊裝置、旋轉(zhuǎn)編碼器輥、伺服電機(jī)、人機(jī)交互面板等組成。

本機(jī)器的核心是PLC控制器，PLC控制器的組成部分主要包含了電源、存儲(chǔ)器、中央處理單元、功能模塊、輸入輸出接口電路和通信模塊。PLC分為三個(gè)部分一次運(yùn)行，依次為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新。PLC的編程語(yǔ)言有五種，梯形圖語(yǔ)言（LD）、結(jié)構(gòu)文本化語(yǔ)言（ST）、功能模塊語(yǔ)言（FBD）、指令表語(yǔ)言（IL）、順序功能流程圖語(yǔ)言（SFC），只要掌握其中一種，就可操作PLC系統(tǒng)。其中，梯形圖語(yǔ)言是應(yīng)用最廣泛的一種語(yǔ)言，它與繼電器電路相似，與電氣操作原理圖相對(duì)應(yīng)，有較好的直觀性，邏輯解算按從左到右、從上到下的順序，因此梯形圖語(yǔ)言具有形象、實(shí)用、直觀等特點(diǎn)，簡(jiǎn)單易學(xué)，非專業(yè)人員，只需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可進(jìn)行操作。

操作機(jī)器使用西門(mén)子系列軟件中的step7，機(jī)器PLC型號(hào)為S7-300系列，CPU型號(hào)為315T-3PN/DP，使用機(jī)器時(shí)，利用網(wǎng)線將機(jī)器與電腦進(jìn)行連接，在軟件里添加相對(duì)應(yīng)型號(hào)的設(shè)備，然后進(jìn)行組態(tài)操作，不同模塊設(shè)置不同的IP地址，然后將各模塊連接進(jìn)行通訊，通訊使用FC塊，通訊成功后，打開(kāi)S120中的commissioning通過(guò)報(bào)文通訊關(guān)聯(lián)DB塊中的各個(gè)地址，報(bào)文我們使用999自由報(bào)文，F(xiàn)C塊與DB塊在Blocks中編寫(xiě)，F(xiàn)C塊為程序塊，有許多軟件自帶的模塊可選擇，可在不同的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)不同的功能，通訊使用SFC14（輸出）與SFC15（輸入）模塊，只要在拐點(diǎn)填寫(xiě)相應(yīng)電機(jī)的輸入/輸出DB塊、地址、數(shù)字量輸出，就可以完成通訊，DB塊為數(shù)據(jù)塊，輸入地址、數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)字量，即可完成運(yùn)動(dòng)控制所需數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建，所有前期配置完成后，即可在commissioning中將所需的輸入DB塊與輸出DB塊對(duì)應(yīng)的地址與報(bào)文內(nèi)的參數(shù)關(guān)聯(lián)，賦予每個(gè)地址不同的功能，程序執(zhí)行時(shí)，在OB塊中執(zhí)行，所以，F(xiàn)C塊編程部分完成之后，要按照順序，將FC塊寫(xiě)入到OB塊中，程序才能執(zhí)行。通訊FC塊部分截屏如圖1所示。

圖1 通訊FC塊部分截屏

操作機(jī)器還需要用到西門(mén)子系列軟件中的博圖V15.1，博圖軟件用來(lái)控制人機(jī)界面HMI，人機(jī)界面HMI是操作員用來(lái)操作機(jī)器運(yùn)作使用的，編程人員將程序?qū)懞脜?shù)關(guān)聯(lián)好之后，需要將這些動(dòng)作體現(xiàn)在HMI的按鈕或者屏幕上，使用HMI時(shí)，首先連接好網(wǎng)線，然后在博圖軟件中尋找相應(yīng)的HMI型號(hào)，并將PLC與HMI連接，將需要的參數(shù)地址寫(xiě)入變量表中，再根據(jù)需要畫(huà)好屏幕，將屏幕上畫(huà)的各塊與變量表中的變量連接，即完成了整個(gè)工程項(xiàng)目，為了防止用戶錯(cuò)誤使用程序，人機(jī)界面HMI擁有登錄功能，不同的人使用不同的賬號(hào)，管理員擁有所有權(quán)限，操作員擁有“操作”“監(jiān)視”權(quán)限，而不能隨意更改程序，而用戶只擁有“監(jiān)視”權(quán)限，不能“操作”更不能更改程序，此功能即很好的保護(hù)了編程者的版權(quán)，又防止了用戶錯(cuò)誤使用導(dǎo)致程序錯(cuò)誤，一舉兩得。人機(jī)界面HMI界面如圖2所示。

圖2 人機(jī)界面HMI界面

S120是集V/F、矢量控制及伺服控制于一體的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，具有靈活的模塊化設(shè)計(jì)，具備單軸和雙軸驅(qū)動(dòng)，強(qiáng)大的定位功能將實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸的絕對(duì)、相對(duì)定位，性能較高，在工業(yè)領(lǐng)域，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

本機(jī)器通過(guò)人機(jī)交互面板實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的實(shí)時(shí)交互，形象、可觀，通過(guò)對(duì)人機(jī)交互面板的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)放卷輥、夾緊輥、收卷輥等的速度、方向的控制、方便快捷。

綜上所述，本機(jī)器具有使用靈活、編程容易、可靠性高、安裝調(diào)試修理方便、上手簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可在具有惡劣的物理、電氣環(huán)境下運(yùn)行，具有適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。

3 該機(jī)器在離散行業(yè)中的應(yīng)用

不同于流程工業(yè)，離散行業(yè)只是對(duì)物品進(jìn)行物理上的加工和組裝，這需要耗費(fèi)大量的人力物力，同時(shí)在組裝的過(guò)程中難免出現(xiàn)紕漏，而運(yùn)用離散機(jī)器對(duì)物品進(jìn)行加工，不僅減少了資源消耗，更是可以打造一個(gè)二十四小時(shí)工廠，大大提高工業(yè)流程的速度將離散機(jī)器運(yùn)用到工廠中，能夠做到以數(shù)據(jù)為中心，自動(dòng)化控制，以及生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化等運(yùn)動(dòng)控制管理，不僅做到了生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，生產(chǎn)過(guò)程可視化，生產(chǎn)流程無(wú)紙化，更是達(dá)到了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人化，大大提高效率的同時(shí)，亦是提高了工廠的安全。而離散機(jī)器的控制系統(tǒng)包含了計(jì)算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)及自動(dòng)化控制技術(shù)，將離散機(jī)器運(yùn)用在離散行業(yè)中，不僅大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的容錯(cuò)率，亦使各個(gè)部分的工作更加迅捷，既解放了勞動(dòng)生產(chǎn)力，又提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)運(yùn)用離散機(jī)器進(jìn)行零件的組裝和加工，不僅不會(huì)使效率忽高忽低，產(chǎn)品的合格率也將大大提高。

我國(guó)作為飛速發(fā)展的國(guó)家，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)效率的需求也是巨大的，正是基于離散機(jī)器設(shè)備穩(wěn)定，運(yùn)作方便的優(yōu)勢(shì)，我們可以將離散機(jī)器大量投入到生產(chǎn)使用中，例如汽車(chē)的組裝過(guò)程，汽車(chē)作為一項(xiàng)綜合性的組裝工業(yè)，對(duì)于離散機(jī)器的需求是必不可少的，一輛汽車(chē)由千萬(wàn)種零件組成，可想而知對(duì)于工人來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)巨大的工程，但若是將離散機(jī)器運(yùn)用其中，不僅可以做到可以持續(xù)不斷的進(jìn)行工作，大大縮短任務(wù)所需時(shí)間，也降低了生產(chǎn)過(guò)程的故障率。

除此之外，電子元件的組裝也離不開(kāi)離散行業(yè)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)工人們生產(chǎn)出來(lái)的電子元件要經(jīng)過(guò)層層檢測(cè)來(lái)保證元件的合格率，不僅浪費(fèi)人力，還大大降低了生產(chǎn)效率，而離散機(jī)器的使用，則有效避免了這類(lèi)問(wèn)題的產(chǎn)生，不僅使得生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量更高，同時(shí)也使流水線得到了最充分的利用，削減了生產(chǎn)成本。

總之，離散機(jī)器在離散行業(yè)具有很好的發(fā)展前景，并且因?yàn)殡x散機(jī)器有獨(dú)特的數(shù)據(jù)操作面板，其運(yùn)行參數(shù)可視化，我們可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決，而且相比較其他生產(chǎn)機(jī)器，離散機(jī)器的運(yùn)作是通過(guò)plc的編程程序進(jìn)行的，由于plc的可編程邏輯控制器質(zhì)量輕，體積小，比起其他電氣產(chǎn)品，大大減小了維修壓力，而且我們可以通過(guò)修改程序，使離散機(jī)器滿足于離散工業(yè)生產(chǎn)的不同方面，而不被禁錮于某一特定作用，相較于工業(yè)機(jī)器，離散機(jī)器的使用效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)出眾，很大程度上節(jié)約了生產(chǎn)成本，而且由于其控制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，大大減少了系統(tǒng)運(yùn)行故障現(xiàn)象。

結(jié)語(yǔ)：我國(guó)工業(yè)發(fā)展迅速，生活中人們對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量要求也與日俱增，同時(shí)數(shù)字技術(shù)的不斷提高，都很大程度的促進(jìn)了自動(dòng)化生產(chǎn)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用，人工智能化也終將成為各個(gè)工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，我們應(yīng)當(dāng)順應(yīng)潮流，將自動(dòng)化，智能化運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，離散機(jī)器應(yīng)時(shí)代而生，更應(yīng)在工業(yè)領(lǐng)域大方異彩。