論全自動流水線的模塊化設(shè)計

朱正江

【摘要】針對工業(yè)4.0的智能工廠的實現(xiàn)，對其自動化流水線進行設(shè)計與總結(jié)，以適應(yīng)快速反應(yīng)的市場需求，主要針對系統(tǒng)的擴展性，開發(fā)的快速性，從PLC控制，模塊化設(shè)計（包括硬件，控制邏輯，軟件編程，工業(yè)以太網(wǎng)，現(xiàn)場總線）幾個方面入手，最終達到快速開發(fā)自動流水線的要求。

【關(guān)鍵詞】裝配流水線；PLC；控制系統(tǒng)

【Abstract】4.0 for intelligent industrial plant， its automated assembly line design and summarized in order to adapt to the rapid response to market demand， mainly for fast system scalability， developed from the PLC control， modular design （including hardware， control logic， software programming， industrial Ethernet， fieldbus） several aspects， and ultimately achieve the rapid development of automatic assembly line requirements.

【Key words】Assembly lines；PLC；Control system

1. 前言

（1）近年來，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)升級，制造業(yè)做為主力軍在工業(yè)4.0的東風(fēng)鼓吹下，掀起了智能制造的新浪潮。工業(yè)4.0"項目主要分為三大主題：“智能工廠”， “智能生產(chǎn)”， “智能物流”。 “智能工廠” 重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實現(xiàn)；企業(yè)要發(fā)展，員工要勞動強度的降低，對現(xiàn)行的低效的人工流水線作業(yè)方式的升級改造為自動化的流水線生產(chǎn)，就是關(guān)鍵的一環(huán)，最總實現(xiàn)智能化工廠。

（2）在此背景下，工業(yè)自動化流水線的制造是個繞不開的話題，什么是自動線呢，自動生產(chǎn)線是由工件傳送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，將一組自動機床和輔助設(shè)備按照工藝順序聯(lián)結(jié)起來，自動完成產(chǎn)品全部或部分制造過程的生產(chǎn)系統(tǒng)，簡稱自動線。目前，我 國能夠生產(chǎn)完整的自動化生產(chǎn)線產(chǎn)品企業(yè)數(shù)量很少，天奇物流系統(tǒng)工程股份有限公司、華昌達智能裝備股份有限公司、三豐智能輸送裝備股份有限公司等是我國自動化生產(chǎn)線產(chǎn)品龍頭企業(yè)。未來自動化生產(chǎn)線行 業(yè)發(fā)展要開發(fā)新產(chǎn)品、新市場，擴大內(nèi)需、培育新的增長點，增強自主創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競爭力。保增長的關(guān)鍵是市場，而自動化生產(chǎn)線市場是需要開發(fā)的。自動化生 產(chǎn)線行業(yè)企業(yè)應(yīng)加強技術(shù)創(chuàng)新、提高產(chǎn)品高薪技術(shù)含量、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，打造行業(yè)名牌是自動化生產(chǎn)線行業(yè)公司發(fā)展壯大的根本。

（3）而怎樣實現(xiàn)自動化的流水線，需要對其控制原理及可擴展性做必要規(guī)劃，本研究主要是對模塊化擴展，網(wǎng)絡(luò)化拓展進行研究與實踐。

2. 系統(tǒng)流水線的選擇

2.1本系統(tǒng)是靠工裝板載物運輸，線長約30米，并通過機械手對流水線上的產(chǎn)品上料到其他加工設(shè)備上進行組裝，后下料到流水線，經(jīng)流水線運送到下一加工工位，加工后進入下料皮帶線，工裝板由上下兩條線循環(huán)運輸。

針對工藝要求，對目前主流的幾種工業(yè)流水線分析：

（1）以皮帶線為制作材料：這種就是我們常說的皮帶輸送線或者叫皮帶輸送機；

（2）以板鏈為制作材料：板鏈流水線和鏈板輸送線都是板鏈為輸送材料的工業(yè)流水線；

（3）以滾筒為制作材料：這種輸送設(shè)備就是滾筒輸送線，依據(jù)有無動力需求可以分為動力滾筒線和無動力滾筒輸送線；

（4）以倍速鏈為制作材料：以倍速鏈為輸送載體的工業(yè)流水線叫倍速鏈輸送線，俗稱倍速鏈；

2.2使用介紹和特點。

（1）板鏈式裝配流水線。

特點：承載的產(chǎn)品比較重，和生產(chǎn)線同步運行，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的爬坡；生產(chǎn)的節(jié)拍不是很快；以鏈板面作為承載，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的平穩(wěn)輸送。

（2）滾筒輸送線。

特點：承載的產(chǎn)品類型廣泛，所受限制少；與阻擋器配合使用，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的連續(xù)、節(jié)拍運行以及積放的功能；采用頂升平移裝置，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的離線返修或檢測而不影響整個流水線的運行。

（3）皮帶式流水線。

特點：承載的產(chǎn)品比較輕，形狀限制少；和生產(chǎn)線同步運行，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的爬坡轉(zhuǎn)向；以皮帶作為載體和輸送，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的平穩(wěn)輸送，噪音?。豢梢詫崿F(xiàn)輕型物料或產(chǎn)品較長距離的輸送。

（4）倍速鏈輸送線。

特點：倍速鏈輸送流水線采用倍速鏈牽引，工裝板可以自由傳送，采用阻擋器定位使工件自由運動或停止，工件在兩端可以自動頂升，橫移過渡。還可以在線可設(shè)旋轉(zhuǎn)、專機、檢測設(shè)備、機械手等。

（5）最后，我們選擇倍速鏈輸送線，其大致結(jié)構(gòu)如圖1：

3. 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓撲選擇

本系統(tǒng)是采用PLC做為控制系統(tǒng)，不擴展只默認一個網(wǎng)口，為減少成本的增加，同時滿足后續(xù)的擴展性，最后添加一個10網(wǎng)口的交換機，以星型結(jié)構(gòu)為以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)（見圖2）。

（1）星形拓撲。

星形拓撲是由中央節(jié)點和通過點到到通信鏈路接到中央節(jié)點的各個站點組成。

優(yōu)點：控制簡單，故障診斷和隔離容易，方便服務(wù)。

缺點：電纜長度和安裝工作量可觀；中央節(jié)點的負擔(dān)較重，形成瓶頸；各站點的分布處理能力較低。

（2）總線拓撲。

總線拓撲結(jié)構(gòu)采用一個信道作為傳輸媒體，所有站點都通過相應(yīng)的硬件接口直接連到這一公共傳輸媒體上，該公共傳輸媒體即稱為總線。

優(yōu)點：總線結(jié)構(gòu)所需要的電纜數(shù)量少；總線結(jié)構(gòu)簡單，又是無源工作，有較高的可靠性；易于擴充，增加或減少用戶比較方便。

缺點：總線的傳輸距離有限，通信范圍受到限制；故障診斷和隔離較困難；分布式協(xié)議不能保證信息的及時傳送，不具有實時功能。

（3）環(huán)形拓撲。

環(huán)形拓撲網(wǎng)絡(luò)由站點和連接站的鏈路組成一個閉合環(huán)。

優(yōu)點：電纜長度短；增加或減少工作站時，僅需簡單的連接操作；可使用光纖。

缺點：節(jié)點的故障會引起全網(wǎng)故障；故障檢測困難；環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)的媒體訪問控制協(xié)議都采用令牌傳達室遞的方式，在負載很輕時，信道利用率相對來說就比較低。

（4）樹形拓撲。

樹形拓撲從總線拓撲演變而來，形狀像一棵倒置的樹，頂端是樹根，樹根以下帶分支，每個分支還可再帶子分支。

優(yōu)點：易于擴展；故障隔離較容易。

缺點：各個節(jié)點對根的依賴性太大。

4. 控制系統(tǒng)硬件模塊化

（1）為了達到模塊擴展的簡易性與穩(wěn)定性，還要低成本，我們選擇了Devicenet現(xiàn)場總線方式做為控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（2）Devicenet是90年代中期發(fā)展起來的一種基于CAN（Controller Area Network）技術(shù)的開放型、符合全球工業(yè)標準的低成本、高性能的通信網(wǎng)絡(luò)，最初由美國Rockwell公司開發(fā)應(yīng)用。

（3）Devicenet是一種低成本的通訊總線。它將工業(yè)設(shè)備（如：限位開關(guān)，光電傳感器，閥組，馬達啟動器，過程傳感器，條形碼讀取器，變頻驅(qū)動器，面板顯示器和操作員接口）連接到網(wǎng)絡(luò)，從而消除了昂貴的硬接線成本。直接互連性改善了設(shè)備間的通訊，并同時提供了相當重要的設(shè)備級診斷功能，這是通過硬接線I/O接口很難實現(xiàn)的。

（4）Devicenet是一種簡單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，它在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時，減少了配線和安裝工業(yè)自動化設(shè)備的成本和時間。簡化配線，避免了潛在的錯誤點，減少勞動力資源并節(jié)省了安裝空間。

（5）Devicenet是一個開放的網(wǎng)絡(luò)標準。

（6）Devicenet的許多特性沿襲于CAN，CAN總線是一種設(shè)計良好的通信總線，它主要用于實時傳輸控制數(shù)據(jù)。

5. 流水線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化（見圖4）

（1）缺料：當S4感應(yīng)器OFF，且阻擋Z2阻擋中，做一個延時，SET一個缺料信號；

（2）放料中：放料過程做個超時報警，當1秒鐘S3還沒ON，給用戶一個提示；

（3）擋料：缺料信號SET前阻擋Z1，放料開始，當S3感應(yīng)ON后，RESET前阻擋Z1；

（4）有料處理：當料盤運輸?shù)絊4位置，做一個延時，就可在該位置進行其他自動化裝配；

（5）信號處理：其他自動化裝配完成后需要有交互信號告訴流水線可放行加工過的產(chǎn)品；阻擋Z2放行；

（6）過料處理：阻擋Z2放行后，感應(yīng)S5信號ON，復(fù)位阻擋Z2；

6. 結(jié)論

（1）本系統(tǒng)對以太網(wǎng)星型串聯(lián)多臺設(shè)備，可實現(xiàn)各設(shè)備獨立調(diào)試，控制簡單，故障診斷，隔離容易，方便后期維護，便于前期開發(fā)。對后期設(shè)備級的擴展可在不影響在生產(chǎn)的設(shè)備基礎(chǔ)上開發(fā)新設(shè)備，減少停機時間。

（2）對總線系統(tǒng)的應(yīng)用，它在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時，減少了配線和安裝工業(yè)自動化設(shè)備的成本和時間。簡化配線，避免了潛在的錯誤點，減少勞動力資源并節(jié)省了安裝空間。

（3）結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備運行情況，本系統(tǒng)是可滿足智能工廠 對自動線的要求的，而且可降低類似自動線的開發(fā)難度，減少開發(fā)時間。

參考文獻

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