基于PAC可編程自動化控制器的柔性制造系統(tǒng)

摘 要：PAC可編程自動化控制器相比PLC性能先進，優(yōu)勢明顯；因此設(shè)計了一套基于PAC的柔性制造系統(tǒng)，闡述了柔性制造系統(tǒng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理；詳細介紹了PAC總控單元及作業(yè)單元的內(nèi)部組成，結(jié)構(gòu)及運行過程；并說明了柔性制造系統(tǒng)采用的以太網(wǎng)總線通信的拓補結(jié)構(gòu)及其工作原理。

關(guān)鍵詞：PAC；可編程自動化控制器；柔性制造

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.115

1 引言

隨著中國制造2025戰(zhàn)略規(guī)劃的持續(xù)推進，傳統(tǒng)的剛性生產(chǎn)、標準化產(chǎn)品的制造系統(tǒng)由于其靈活度和適應(yīng)性差的特點，已經(jīng)很難適應(yīng)智能工廠，智能制造的需求。柔性生產(chǎn)由于其靈活多變的生產(chǎn)方式以及對市場差異化的適應(yīng)能力已經(jīng)成為未來制造業(yè)的趨勢，但柔性制造系統(tǒng)的設(shè)計依然面臨著信息化、大數(shù)據(jù)化、物聯(lián)網(wǎng)化等諸多問題[1]。

PAC（Programmable Automation Controller，可編程自動化控制器）是在PLC技術(shù)基礎(chǔ)上升級功能而來，兼具了可編程控制器的可靠性、耐用性和計算機的開放性、靈活性、通用性等的特點，目前PAC已經(jīng)應(yīng)用到諸多行業(yè)中。相對于的PLC技術(shù)，PAC技術(shù)更能適應(yīng)于柔性制造系統(tǒng)對快速運算、海量存儲、與其他硬件平臺及互聯(lián)網(wǎng)的連接等方面的需求。

2 PAC System Rx3i 系統(tǒng)簡介

柔性制造系統(tǒng)采用GE（美國通用電氣公司）的智能平臺PAC System RX3i控制器作為各個制造單元的主控系統(tǒng)，擁有一個單一的控制引擎和一個通用的編程環(huán)境。其運算速度高，數(shù)據(jù)吞吐能力好，CPU采用主頻為300MHz的Intel Celeron PentiumⅢ微處理器，擁有10MB用內(nèi)存和10MB用戶閃存，閃存可永久保存程序和重要數(shù)據(jù)，避免在系統(tǒng)斷電或內(nèi)置電池沒電時丟失；CPU與其它模塊通信采用27MHz的PIC總線；控制器還具有40種以上的I/O模塊選擇以及以太網(wǎng)接口。

PAC可編程自動化控制器工作原理和PLC非常相近，采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式，但PAC結(jié)合了PC的處理器、內(nèi)存及軟件性能，以及PLC系統(tǒng)的穩(wěn)定特性。PAC工作過程中，每個掃描周期分為輸入，執(zhí)行，輸出三部分，輸入掃描過程中集中讀取輸入端的狀態(tài)信號，程序執(zhí)行完成后，輸出端集中刷新輸出信號[2]。

柔性制造系統(tǒng)的總控單元的生產(chǎn)信息控制系統(tǒng)采用IFIX組態(tài)軟件建立實時監(jiān)控畫面，總控單元實時與各制造單元進行數(shù)據(jù)交換，并以動態(tài)方式顯示生產(chǎn)過程運行狀態(tài)，倉庫庫存狀態(tài)等。

3 柔性制造系統(tǒng)的組成

柔性制造系統(tǒng)由生產(chǎn)信息控制系統(tǒng)，柔性生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)和物流儲運系統(tǒng)構(gòu)成，其中柔性生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)由總控單元、上料單元、下料單元、加蓋單元、穿銷單元、伸縮換向單元、檢測單元、分揀單元、碼垛機立體倉庫單元、廢料單元十個單元組成，如圖1所示。通過對各個單元的搭配組合，實現(xiàn)物料的上下料、加蓋、穿銷、質(zhì)檢，存儲等功能，對于同類型產(chǎn)品的生產(chǎn)制造具有良好的適應(yīng)能力。

總控單元的控制系統(tǒng)由PIC總線背板、電源模塊、CPU模塊、以太網(wǎng)通信模塊、串行總線傳輸模塊組成，總控單元是柔性生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)的控制核心，依據(jù)產(chǎn)品的制造要求制定的加工工序路線程序存儲于總控單元中，總控單元分別發(fā)送指令控制各執(zhí)行單元完成其加工過程。

各執(zhí)行單元的控制部分都由PIC總線背板、電源模塊、CPU模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸出模塊、串行總線傳輸模塊組成，如圖2所示。各個執(zhí)行單元控制器統(tǒng)一配置，具有良好的兼容性與互換性，執(zhí)行單元接收到總控單元的控制指令后進行加工，各主要加工單元的過程如下：

上料單元利用四自由度機械手將料槽中的毛坯件抓取，機身揚臂、旋轉(zhuǎn)、行走、并放至下料單元，RX3i控制器通過伺服電機驅(qū)動器控制伺服電機旋轉(zhuǎn)以帶動機械手運動。毛坯件下料后通過加蓋單元加蓋后進入穿銷單元，穿銷單元利用直線推動機構(gòu)將銷釘裝配到上蓋與毛培中，形成工件，銷釘料槽中可放置不同類型銷釘，通過光纖傳感器和電感傳感器以檢測銷釘，保證加工質(zhì)量。

加工完成后進入檢測單元，檢測單元通過電容傳感器，色標傳感器，光電式傳感器和電感式傳感器檢測工件顏色、裝配情況、銷釘材質(zhì)各項性能，并將檢測結(jié)果發(fā)至總控單元?？偪貑卧罁?jù)檢測結(jié)果控制分揀單元將成品中的廢料分揀出去，再控制立體倉庫單元將成品依照類型進行入庫，立體倉庫單元除了具有入庫出庫功能外，還具有庫存查詢功能，將各個庫位的儲存情況實施傳輸給總控單元，以方便實時查詢和合理規(guī)劃組織下一步的生產(chǎn)及倉儲物流運輸。

4 柔性制造系統(tǒng)的通信

傳統(tǒng)的PLC控制核心利用RS-232等串口通信方式進行通信，通信速度慢，信息容量小。而PAC則通常利用以太網(wǎng)進行通信，GE電氣高性能PAC Systems RX7i的CPU模塊之中內(nèi)置有10 /100 Mbps以太網(wǎng)以及雙口交換機，在控制單元之間的以太網(wǎng)通信連接無需使用額外的交換機設(shè)備或者集線器設(shè)備[2]。而本柔性制造系統(tǒng)各制造單元采用以太網(wǎng)接口模塊IC695ETM001，各單元通過以太網(wǎng)總線的方式連接到總控單元上，其連接方式如圖3所示。

為了區(qū)分各單元，為每一個PAC控制器的以太網(wǎng)接口分配一個固定IP地址，為對應(yīng)單元的組號，總控單元及其他單元通過多目廣播技術(shù)（Multicast）的通信方式將EGD數(shù)據(jù)發(fā)送出。EGD數(shù)據(jù)中包含著信息有：發(fā)射模塊的組號，通信類型，接收方的IP地址，數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送的時間間隔，數(shù)據(jù)的發(fā)送狀態(tài)，數(shù)據(jù)的起始地址及數(shù)據(jù)內(nèi)容。發(fā)射完成后，EDG數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)總線同時到達其他各個單元，各個單元在收到總控單元的EDG數(shù)據(jù)后執(zhí)行相應(yīng)動作，并將執(zhí)行結(jié)果及傳感器采集到的信號通過組播Multicast的方式反饋到總控單元上，總控單元收到各執(zhí)行單元的數(shù)據(jù)后依據(jù)生產(chǎn)加工的要求發(fā)出下一步的執(zhí)行指令，繼續(xù)加工工作。

5 結(jié)語

與傳統(tǒng)的PLC控制的柔性制造系統(tǒng)相比，利用PAC構(gòu)建柔性制造系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，各加工單元將工件位置、加工進度、廢品情況實時傳輸給總控單元，實現(xiàn)了集中控制，降低了加工風(fēng)險，提高了生產(chǎn)效率。隨著PAC系統(tǒng)的技術(shù)不斷發(fā)展和完善，其在柔性制造系統(tǒng)中的運用將會呈現(xiàn)井噴式增長，必將成為未來智能制造控制系統(tǒng)的主流。

參考文獻：

[1]曹運紅.柔性制造系統(tǒng)、柔性制造單元和成組技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈，2004（05）：59-63.

[2]張莉.PAC可編程自動控制器在謝橋新建選煤廠控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].選煤技術(shù)，2013（03）：80-85.

作者簡介：李瑾（1989-），男，山西離石人，碩士研究生，助教，研究方向：測控及機器人技術(shù)等。