基于PLC控制的自動(dòng)化生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備

　　摘要：為適應(yīng)教學(xué)的需要，使學(xué)生掌握PLC在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上的應(yīng)用，研制了基于PLC的鋁電解電容器裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備，介紹了該自動(dòng)化生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作流程及PLC控制的實(shí)現(xiàn)。
　　關(guān)鍵詞：PLC；自動(dòng)化生產(chǎn)線；教學(xué)設(shè)備
　　自動(dòng)化生產(chǎn)線是在流水線的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的，是一種先進(jìn)的生產(chǎn)組織形式，是能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程自動(dòng)化的一種機(jī)器體系。自動(dòng)化生產(chǎn)線由工件傳送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，它不僅要求線體上各種機(jī)械加工裝置能自動(dòng)地完成預(yù)定的各道工序及工藝過程，使產(chǎn)品成為合格的制品，而且要求按照規(guī)定的程序自動(dòng)地進(jìn)行工作。
　　PLC（可編程序控制器）是采用微機(jī)技術(shù)研制的工業(yè)自動(dòng)化裝置，作為新一代的工業(yè)控制器，以其通用性強(qiáng)、靈活性好、運(yùn)行可靠、易學(xué)易用、抗干擾性強(qiáng)等明顯特點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，成為自動(dòng)控制的三大技術(shù)支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）之一。用PLC來控制自動(dòng)化生產(chǎn)線這樣較復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備，是理想的選擇。
　　為適應(yīng)教學(xué)的需要，使學(xué)生更好地掌握PLC在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上的應(yīng)用，我院教學(xué)人員研制了基于PLC控制的自動(dòng)化生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備，可以模擬企業(yè)中鋁電解電容器裝配自動(dòng)生產(chǎn)的過程。該自動(dòng)化生產(chǎn)線綜合應(yīng)用了多種技術(shù)知識(shí)，如氣動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、傳感器應(yīng)用技術(shù)、PLC控制和組網(wǎng)、步進(jìn)電機(jī)位置控制和變頻器技術(shù)等，模擬一個(gè)與實(shí)際生產(chǎn)情況十分接近的控制過程。
　　一、自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)的組成
　　鋁電解電容器裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線的組成：自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝在鋁合金導(dǎo)軌式實(shí)訓(xùn)臺(tái)上，由供料站、裝配站、加工站、輸送站和分揀站共5個(gè)工作站組成，其組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。各工作站均設(shè)置一臺(tái)西門子S7-200系列PLC承擔(dān)其控制任務(wù)，各PLC的具體型號(hào)標(biāo)示在圖上。另外，鋁電解電容器裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備是一套半開放式的設(shè)備，用戶在一定程度上也可根據(jù)自己的需要選擇設(shè)備組成工作站的數(shù)量、類型，最多可由5個(gè)工作站組成，最少時(shí)一個(gè)工作站即可自成一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)。
　　設(shè)備中的各工作站均安放在實(shí)訓(xùn)臺(tái)上，便于各個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)及氣動(dòng)部件的拆卸和安裝、控制線路的布線、氣動(dòng)電磁閥及氣管安裝。其中，輸送站采用了最為靈活的拆裝式模塊結(jié)構(gòu)：組成該單元的按鈕/指示燈模塊、電源模塊、PLC模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊等均放置在抽屜式模塊放置架上；模塊之間、模塊與實(shí)訓(xùn)臺(tái)上接線端子排之間的連接方式采用安全導(dǎo)線連接，最大限度地滿足了綜合性實(shí)訓(xùn)的要求。
　　二、自動(dòng)化生產(chǎn)線的工作流程
　　首先是鋁電解電容器的組成結(jié)構(gòu)。鋁電解電容器由鋁殼、素子和膠粒組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
　　鋁電解電容器裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備的工作流程如圖3所示：供料站供料，將鋁殼（由黑、白二種顏色的塑料件代替）自動(dòng)送出到物料臺(tái)上，由輸送站的機(jī)械手將鋁殼抓取送往裝配站的物料臺(tái)；裝配站將素子（由小圓柱塑料件代替）嵌入鋁殼完成裝配后，再由輸送站的機(jī)械手將裝配好的工件送到加工站的沖壓機(jī)構(gòu)下面，完成一次沖壓加工操作后（模擬膠粒的封閉），然后再由輸送站的機(jī)械手將工件抓取送往分揀站的傳送帶；分揀站將加工后的成品進(jìn)行分揀，使加工好的黑、白色的工件從不同的料槽分流。
　　輸送站是自動(dòng)化生產(chǎn)線中最為重要同時(shí)也是承擔(dān)任務(wù)最為繁重的工作站，其機(jī)械手是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)4個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)（即上升下降、伸出縮回、夾緊松開及旋轉(zhuǎn)）的裝置，該裝置整體安裝在步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)組件的滑動(dòng)溜板上，在傳動(dòng)組件帶動(dòng)下作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，精確定位到指定工作站的物料臺(tái)，在物料臺(tái)上抓取工件輸送到指定地點(diǎn)然后放下。步進(jìn)電機(jī)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其脈沖信號(hào)和驅(qū)動(dòng)方向信號(hào)由輸送站的PLC控制，如圖1所示。
　　在分揀站中，采用異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)傳送帶輸送物料。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及方向由變頻器來控制，而變頻器的啟停是由分揀站PLC控制，如圖1所示。
　　三、自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)
　　鋁電解電容器裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備的控制系統(tǒng)采用STEP7 Micro/WIN V4.0的編程軟件。這是一款專為西門子公司S7-200系列小型PLC而設(shè)計(jì)的編程工具軟件，為用戶開發(fā)、編輯和監(jiān)控自己的應(yīng)用程序提供了良好的編程環(huán)境。它簡單易學(xué)，能夠解決復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)；同時(shí)支持STL、LAD、FBD三種編程語言，用戶可以根據(jù)自己的喜好隨時(shí)在三者之間切換；軟件包提供無微不至的幫助功能，即使初學(xué)者也能容易地入門；包含多國語言包，可以方便地在各語言版本間切換；具有密碼保護(hù)功能，能保護(hù)代碼不受他人操作和破壞。使用該軟件可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制控制程序并完成與PLC的實(shí)時(shí)通信，進(jìn)行程序的下載與上傳及在線監(jiān)控。
　　四、PLC控制系統(tǒng)的通信
　　S7-200的通信接口為RS-485，通信協(xié)議使用PLC自帶標(biāo)準(zhǔn)的PPI協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在使用PPI協(xié)議進(jìn)行通信時(shí)，只能有一臺(tái)PLC或其他設(shè)備作為通信發(fā)起方，稱為主站，其他的PLC或設(shè)備只能被動(dòng)地傳輸或接收數(shù)據(jù)，稱為從站。
　　在鋁電解電容器裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線中，5臺(tái)PLC分別控制5個(gè)工作站，因此需要將5臺(tái)PLC聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)5臺(tái)PLC之間的數(shù)據(jù)傳送，完成自動(dòng)化生產(chǎn)線的自動(dòng)控制。在網(wǎng)絡(luò)中，指定輸送站為主站，其余各站為從站。各臺(tái)PLC之間通過RS-485串行通信實(shí)現(xiàn)互連，構(gòu)成分布式的控制系統(tǒng)，如圖1所示。
　　鋁電解電容器裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線各工作站實(shí)現(xiàn)PPI通信組網(wǎng)的操作步驟如下：
　　1.設(shè)置各臺(tái)PLC的系統(tǒng)塊參數(shù)
　　使用PPI/RS485編程電纜分別對(duì)PPI網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每一臺(tái)PLC設(shè)置系統(tǒng)塊參數(shù)，即PLC地址和波特率的參數(shù)設(shè)置。PLC地址一般將輸送站的CPU系統(tǒng)塊的端口0設(shè)為1號(hào)站（主站），而將供料站、裝配站、加工站和分揀站的CPU系統(tǒng)塊的端口0分別設(shè)為2、3、4、5號(hào)站（從站），如圖1所示。另外，將5臺(tái)PLC的波特率統(tǒng)一設(shè)為187.5kbit/s，如果波特率不一致，可能會(huì)產(chǎn)生通信錯(cuò)誤或失敗的現(xiàn)象。將5臺(tái)PLC的系統(tǒng)塊參數(shù)設(shè)置后，分別下載到各自的CPU。
　　2.計(jì)算機(jī)與主站、主站與從站之間的網(wǎng)絡(luò)連接
　　使用西門子專用的網(wǎng)絡(luò)連接器和連接線將每臺(tái)PLC連接成PPI網(wǎng)絡(luò)；將RS-485/RS-232PPI編程電纜插到主站PLC的帶編程接口的連接器上，運(yùn)行STEP7-Micro/WIN軟件，刷新PPI網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每一臺(tái)PLC及其相應(yīng)地址。若網(wǎng)絡(luò)通信正常，會(huì)在該窗口顯示出PPI網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每一臺(tái)PLC及其相應(yīng)的地址。
　　3.編寫主站網(wǎng)絡(luò)讀/寫程序段
　　借助網(wǎng)絡(luò)讀寫向?qū)С绦?，可以快速簡單地配置?fù)雜的網(wǎng)絡(luò)讀/寫指令（NETR/NETW）操作，并初始化指定的PLC為PPI主站模式，同時(shí)使能網(wǎng)絡(luò)讀/寫操作。在PPI網(wǎng)絡(luò)中，只有主站程序中使用網(wǎng)絡(luò)讀寫指令來讀寫從站信息，而從站程序沒有必要使用網(wǎng)絡(luò)讀寫指令。輸送站擔(dān)任著主站的角色，它接收來自按鈕/指示燈模塊的系統(tǒng)主令信號(hào)，讀取網(wǎng)絡(luò)上各從站的狀態(tài)信息，加以綜合后，向各從站發(fā)送控制要求，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作。
　　4.編寫控制程序并運(yùn)行調(diào)試
　　編寫各站的控制程序，分別下載到各自的PLC，進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)線的整體程序運(yùn)行及調(diào)試。
　　五、結(jié) 語
　　基于PLC的鋁電解電容器裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備在實(shí)訓(xùn)室通過調(diào)試、運(yùn)行，現(xiàn)已投入課堂教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。此設(shè)備可以根據(jù)生產(chǎn)需要由學(xué)生自己編程并調(diào)試，不但使學(xué)生掌握氣動(dòng)技術(shù)、PLC編程技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)及自動(dòng)化生產(chǎn)線的安裝與調(diào)試技術(shù)的綜合應(yīng)用，而且使學(xué)生掌握自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備現(xiàn)場管理和故障排除等技能，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手實(shí)踐能力。
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1] 呂景泉，等.自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試[M].北京：中國鐵道出版社，2008.
　　[2] 廖常初.S7-200 PLC基礎(chǔ)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.
　　[3] 張運(yùn)剛，等.從入門到精通—西門子S7-200PLC技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，200