懸掛式流水裝配線自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

，，

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

引言

裝配生產(chǎn)線是一種大規(guī)模高效生產(chǎn)的組織形式，通常由若干工位以及連接這些工位的傳動(dòng)裝置組成。需要裝配的零件按照一定的順序裝配生產(chǎn)線的各個(gè)工位，并按照一定的生產(chǎn)節(jié)拍完成各工位的作業(yè)任務(wù)[1]。懸掛式流水裝配線在汽車行業(yè)中的應(yīng)用最為顯著，主要應(yīng)用于汽車生產(chǎn)線的車身儲(chǔ)存線、內(nèi)飾裝配線、底盤裝配線中，相較傳統(tǒng)物料輸送系統(tǒng)，其生產(chǎn)效率、空間利用率、可靠性及可維護(hù)性有了很大提高[2]。本研究采用PLC控制技術(shù)，結(jié)合CC-Link總線技術(shù)[3]，根據(jù)懸掛式流水裝配線，制定了一套控制方案，開發(fā)了相應(yīng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，最后運(yùn)用德國(guó)FESTO公司的FluidSIM-P氣動(dòng)回路分析軟件[4]，對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)流程進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。實(shí)踐結(jié)果表明，基于PLC的懸掛式流水裝配線自動(dòng)化控制系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)抗干擾能力差和控制準(zhǔn)確性的不足，通過三菱PLC以及CC-Link總線實(shí)現(xiàn)信息共享以及相互協(xié)調(diào)控制，提高了懸掛式流水裝配線自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性。

1 懸掛式流水裝配線自動(dòng)化控制系統(tǒng)的總體方案

本研究自動(dòng)化控制系統(tǒng)總體目標(biāo)在于設(shè)計(jì)出一套控制器為PLC，通訊方式為CC-Link總線的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該懸掛式流水裝配線主要有懸鉤、氣缸和環(huán)形導(dǎo)軌組成，懸鉤與輸送鏈相連，通過三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)環(huán)形導(dǎo)軌上的輸送鏈，從而帶動(dòng)懸鉤做圓周運(yùn)動(dòng)，在氣缸的驅(qū)動(dòng)下可以實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)線束的輸送工作，其整體效果圖如圖1所示。

圖1 懸掛式流水裝配線整體效果圖

懸掛式流水裝配線[5]的工作過程為循環(huán)動(dòng)作，本研究按照其動(dòng)作特點(diǎn)，將懸鉤、環(huán)形導(dǎo)軌等執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。采用以三菱Q系列可編程控制器[6]為核心的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的總體方案，集合執(zhí)行控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集為一體，包含數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和執(zhí)行控制系統(tǒng)。執(zhí)行控制系統(tǒng)[7]實(shí)現(xiàn)環(huán)形導(dǎo)軌、升降裝置以及電機(jī)等的聯(lián)合控制；數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為執(zhí)行控制系統(tǒng)提供反饋和決策信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控和信息的采集。本控制系統(tǒng)主要有3個(gè)模塊：監(jiān)測(cè)模塊、信息采集模塊、執(zhí)行控制模塊。控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

其中，信息采集模塊的功能是將傳感器采集的數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息傳輸給Q00-PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Q00-PLC[8]根據(jù)前面?zhèn)鬏斶^來(lái)的數(shù)據(jù)來(lái)控制后面的執(zhí)行控制模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、急停等功能，最終可靠的實(shí)現(xiàn)懸掛式流水裝配線的運(yùn)行。

系統(tǒng)控制模塊是懸掛式流水裝配線的核心部分，從信息采集模塊獲取懸掛式流水裝配線的設(shè)備狀態(tài)信息，而后根據(jù)設(shè)備狀態(tài)信息選擇控制方案，進(jìn)行系統(tǒng)控制。

本控制系統(tǒng)采用CC-Link總線通訊方式，系統(tǒng)控制模塊分為3個(gè)部分，它們分別是本地站控制系統(tǒng)以及Ⅰ單元控制系統(tǒng)和Ⅱ單元控制系統(tǒng)2個(gè)遠(yuǎn)程站控制系統(tǒng)。

1.1 本地站控制系統(tǒng)

懸掛式流水裝配線的本地站控制系統(tǒng)[9]主要是通過操作面板按鈕的數(shù)字量輸入到PLC，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，從而控制電動(dòng)機(jī)啟停、以及各個(gè)指示燈的通斷。本地站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1.2 Ⅰ單元控制系統(tǒng)

Ⅰ單元控制系統(tǒng)就是通過腳踏開關(guān)以及磁性開關(guān)的數(shù)字量輸入，經(jīng)過CC-Link通訊到本地站控制系統(tǒng)的Q00-PLC，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，又通過CC-Link通訊到Ⅰ單元輸出模塊進(jìn)行數(shù)字量輸出，從而控制紅綠黃燈的通斷、氣缸的伸縮以及蜂鳴器的通斷。Ⅰ單元控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 Ⅰ單元控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 Ⅱ單元控制系統(tǒng)

Ⅱ單元控制系統(tǒng)與Ⅰ單元控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理相似，結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 Ⅱ單元控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 懸掛式流水裝配線自動(dòng)化控制系統(tǒng)的硬件選型與I/O口地址分配

2.1 PLC的選型

PLC選型[10-11]的基本原則是在所選PLC滿足控制系統(tǒng)的功能需要的基礎(chǔ)上，選擇方便維護(hù)、動(dòng)作可靠、 安全實(shí)用且性價(jià)比最高的型號(hào)。在本次懸掛式流水裝配線中，I/O類型全為開關(guān)量[12]，控制系統(tǒng)采用CC-Link通訊，分為1個(gè)本地站和2個(gè)遠(yuǎn)程站。綜上所述，PLC選用三菱公司的Q系列PLC。

2.2 PLC的I/O口地址分配

1) 總控輸入輸出模塊I/O口地址分配

在總控輸入輸出模塊中，需要PLC的輸入量為5個(gè)，PLC輸出量為5個(gè)。PLC的I/O口地址分配如表1所示。

2) Ⅰ單元輸入輸出模塊I/O口地址分配

在Ⅰ單元中采用三菱AJ65SBTB1-32DT CC-Link輸入輸出混合模塊中，需要PLC輸入量為14個(gè)，PLC輸出量為6個(gè)。Ⅰ單元輸入輸出模塊的I/O口地址分配如表2所示。

表1 總控輸入輸出模塊I/O口地址分配表

表2 Ⅰ單元輸入輸出模塊I/O口地址分配表

表3 Ⅱ單元輸入輸出模塊I/O口地址分配表

3) Ⅱ單元輸入輸出模塊I/O口地址分配

在Ⅱ單元輸入輸出分別采用三菱AJ65SBTB1-16D CC-link輸入模塊和AJ65SBTB1-16T CC-link輸出模塊，需要PLC輸入量為14個(gè)，PLC輸出量為6個(gè)。Ⅱ單元輸入輸出模塊的I/O口地址分配如表3所示。

3 懸掛式流水裝配線自動(dòng)化控制系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)

懸掛式流水裝配線自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要是電磁閥控制氣缸的動(dòng)作以及三相異步電機(jī)[13]帶動(dòng)環(huán)形輸送鏈的循環(huán)運(yùn)動(dòng)的過程，設(shè)計(jì)自動(dòng)控制模式和手動(dòng)控制模式。根據(jù)懸掛式流水裝配線自動(dòng)化控制系統(tǒng)需求，再結(jié)合懸掛式流水裝配線自動(dòng)化控制系統(tǒng)的要求以及I/O分配，設(shè)計(jì)完成的控制系統(tǒng)程序流程如圖6所示。按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)首先進(jìn)行懸鉤是否到位判斷，如果到位則電機(jī)不啟動(dòng)，如果沒到位則電機(jī)啟動(dòng)直達(dá)懸鉤到位為止。懸鉤到位后，需要工人踏下腳踏開關(guān)，系統(tǒng)才會(huì)進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作紅燈滅黃燈亮，延遲2 s氣缸下降，氣缸下降到位后，綠燈亮黃燈滅工人可以進(jìn)行作業(yè)并進(jìn)行工作計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)超過規(guī)定時(shí)間系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。在工人作業(yè)完成前，系統(tǒng)會(huì)一直保持這個(gè)狀態(tài)，直到工人再次踏下腳踏開關(guān)，氣缸就會(huì)上升，上升到位后電機(jī)會(huì)再次啟動(dòng)直到下次懸鉤到位，自動(dòng)化控制系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

4 仿真與驗(yàn)證

在進(jìn)行仿真驗(yàn)證之前，首先將本研究所涉及的控制系統(tǒng)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，在進(jìn)行氣動(dòng)回路仿真和控制回路仿真前，所涉及8個(gè)氣缸(Ⅰ單元4個(gè)氣缸、Ⅱ單元4個(gè)氣缸)、16個(gè)行程開關(guān)(Ⅰ單元8個(gè)行程開關(guān)，Ⅱ單元8個(gè)行程開關(guān))、8個(gè)腳踏開關(guān)(Ⅰ單元4個(gè)腳踏開關(guān)、Ⅱ單元4個(gè)腳踏開關(guān))。因?yàn)棰駟卧?個(gè)氣缸同時(shí)動(dòng)作，Ⅱ單元4個(gè)氣缸同時(shí)動(dòng)作，本研究可將8個(gè)氣缸等效為2個(gè)氣缸，Ⅰ單元4個(gè)氣缸等效為1個(gè)氣缸，Ⅱ單元4個(gè)氣缸等效為1個(gè)氣缸。16個(gè)行程開關(guān)可以等效為4個(gè)行程開關(guān)，分別對(duì)應(yīng)Ⅰ單元等效氣缸的上限位行程開關(guān)、下限位行程開關(guān)，Ⅱ單元等效氣缸的上限位行程開關(guān)、下限位行程開關(guān)。8個(gè)腳踏開關(guān)可等效為2個(gè)Ⅰ單元腳踏開關(guān)和2個(gè)Ⅱ單元腳踏開關(guān)，2個(gè)Ⅰ單元腳踏開關(guān)可看作在Ⅰ單元等效氣缸伸出時(shí)對(duì)應(yīng)1個(gè)腳踏開關(guān)，在Ⅰ單元等效氣缸縮回時(shí)對(duì)應(yīng)1個(gè)腳踏開關(guān)；同理，2個(gè)Ⅱ單元腳踏開關(guān)可看作在Ⅱ單元等效氣缸伸出時(shí)對(duì)應(yīng)1個(gè)腳踏開關(guān)，在Ⅱ單元等效氣缸縮回時(shí)對(duì)應(yīng)1個(gè)腳踏開關(guān)。

將控制系統(tǒng)模型進(jìn)行等效之后，將一些不影響輸出結(jié)果的輸入信號(hào)進(jìn)行忽略，此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)有1個(gè)啟動(dòng)按鈕S、1個(gè)Ⅰ單元懸鉤到位信號(hào)S3、1個(gè)Ⅰ單元等效氣缸上限位行程開關(guān)1S1、1個(gè)Ⅰ單元等效氣缸下限位行程開關(guān)1S2、1個(gè)Ⅰ單元腳踏開關(guān)(伸)S5、1個(gè)Ⅰ單元腳踏開關(guān)(縮)S7、1個(gè)Ⅱ單元懸鉤到位信號(hào)S4、1個(gè)Ⅱ單元等效氣缸上限位行程開關(guān)2S1、1個(gè)Ⅱ單元等效氣缸下限位行程開關(guān)2S2、1個(gè)Ⅱ單元腳踏開關(guān)(伸)S6、1個(gè)Ⅱ單元腳踏開關(guān)(縮)S8。對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)有Ⅰ單元等效氣缸電磁線圈(伸)1Y1、Ⅰ單元等效氣缸電磁線圈(縮)1Y2、Ⅰ單元綠燈、Ⅰ單元紅燈、Ⅱ單元等效氣缸電磁線圈(伸)2Y1、Ⅱ單元等效氣缸電磁線圈(縮)2Y2、Ⅱ單元綠燈、Ⅱ單元紅燈。

4.1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)由2個(gè)等效氣缸組成的氣動(dòng)回路，啟動(dòng)按鈕S、Ⅰ單元分別對(duì)應(yīng)懸鉤到位信號(hào)S3、等效氣缸上限位行程開關(guān)1S1、等效氣缸下限位行程開關(guān)1S2、腳踏開關(guān)(伸)S5、腳踏開關(guān)(縮)S7、綠燈信號(hào)、紅燈信號(hào)、等效氣缸電磁線圈(伸)1Y1、等效氣缸電磁線圈(縮)1Y2。以Ⅰ單元運(yùn)行情況為例，對(duì)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行說(shuō)明，啟動(dòng)按鈕S閉合，Ⅰ單元紅燈信號(hào)亮，當(dāng)輸入懸鉤到位信號(hào)S3，紅燈熄滅，綠燈亮。當(dāng)?shù)刃飧自谏舷尬粫r(shí)，踩下腳踏開關(guān)S5，等效氣缸伸出；當(dāng)?shù)刃飧自谙孪尬粫r(shí)，再次踩下腳踏開關(guān)，等效氣缸縮回。同理，Ⅱ單元運(yùn)行情況同Ⅰ單元。

4.2 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

根據(jù)前文的介紹，對(duì)等效之后的氣動(dòng)回路進(jìn)行設(shè)計(jì)，選取2個(gè)雙作用氣缸，每個(gè)氣缸設(shè)置了2個(gè)行程開關(guān)S1，S2，氣路控制元件選取2個(gè)由電磁控制的兩位五通閥，控制電磁鐵分為1Y1，1Y2，2Y1，2Y2。氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)圖如圖7所示。

圖7 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)圖

4.3 控制電路設(shè)計(jì)

1) 繼電器控制電路設(shè)計(jì)

在繼電器控制電路中，S為總開關(guān)，按下后系統(tǒng)開始工作。4個(gè)行程開關(guān)1S1，1S2，2S1，2S2分別作為氣缸換向的傳感器，與其他條件一起分別控制繼電器的4個(gè)電磁線圈K6，K7，K8，K9，2個(gè)二位五通電磁閥的電磁線圈1Y1，1Y2，2Y1，2Y2分別由繼電器的常開觸頭K6，K7，K8，K9控制。繼電器控制電路圖如圖8所示。

圖8 繼電器控制電路圖

2) 邏輯控制電路設(shè)計(jì)

在邏輯控制的電氣回路中，S仍為總控制開關(guān)，按下后系統(tǒng)開始工作?？偪刂崎_關(guān)S、Ⅰ單元等效氣缸換向的傳感器1S1，1S2，Ⅰ單元懸鉤到位信號(hào)S3，Ⅰ單元腳踏開關(guān)(伸)S5，Ⅰ單元腳踏開關(guān)(縮)S7分別作為邏輯控制模塊1的6個(gè)輸入端口I2，I4，I5，I6，I7，I1，邏輯控制模塊1的6個(gè)輸出端口Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，Q7分別控制繼電器線圈K4，K1，K2，K3，二位五通閥電磁線圈1Y1，1Y2?？偪刂崎_關(guān)S、Ⅱ單元等效氣缸換向的傳感器1S1，1S2，Ⅱ單元懸鉤到位信號(hào)S4，Ⅱ單元腳踏開關(guān)(伸)S6，Ⅱ單元腳踏開關(guān)(縮)S8分別作為邏輯控制模塊2的6個(gè)輸入端口I2，I4，I5，I6，I7，I1，邏輯控制模塊2的4個(gè)輸出端口Q4，Q5，Q6，Q7分別控制繼電器線圈K1，K5，二位五通閥電磁線圈2Y1，2Y2，如圖9所示。在邏輯控制模塊logic module內(nèi)部完全由數(shù)字邏輯關(guān)系[14]構(gòu)成輸入輸出之間的關(guān)系，如圖10、圖11所示。

圖9 邏輯模塊控制電路

圖10 邏輯控制模塊Ⅰ內(nèi)邏輯關(guān)系圖

圖11 邏輯控制模塊Ⅱ內(nèi)邏輯關(guān)系圖

4.4 氣動(dòng)回路仿真

氣動(dòng)回路和電氣控制回路設(shè)計(jì)完成就可以進(jìn)行仿真，運(yùn)行仿真軟件，仿真模型某一時(shí)刻的瞬時(shí)狀態(tài)圖如圖12所示，其中接通的氣動(dòng)回路以粗線顯示，通電的控制回路以粗線顯示。

仿真結(jié)果如圖13所示，各元件按照規(guī)定流程協(xié)調(diào)有序動(dòng)作，控制流程設(shè)計(jì)正確，滿足懸掛式流水裝配線動(dòng)作流程。

圖12 某時(shí)刻瞬時(shí)仿真狀態(tài)

圖13 仿真結(jié)果圖

5 結(jié)論

本研究基于企業(yè)實(shí)際的生產(chǎn)需求對(duì)基于PLC的懸掛式流水裝配線自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后采用FluidSIM-P氣動(dòng)仿真軟件對(duì)其自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，經(jīng)驗(yàn)證后滿足實(shí)際的工程應(yīng)用需求。

(1) 針對(duì)懸掛式流水裝配線的工作環(huán)境，采用PLC控制技術(shù)，結(jié)合CC-Link總線技術(shù)，根據(jù)懸掛式流水裝配線，制定了一套控制方案，開發(fā)了相應(yīng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)；

(2) 根據(jù)懸掛式流水裝配線自動(dòng)化控制系統(tǒng)的總體方案，完成了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的硬件選型及配置，設(shè)計(jì)了懸掛式流水裝配線自動(dòng)化控制系統(tǒng)程序流程；

(3) 結(jié)合本研究所提出的懸掛式流水裝配線自動(dòng)化控制系統(tǒng)，將本研究的自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行等效和簡(jiǎn)化，運(yùn)用FluidSIM-P氣動(dòng)回路分析軟件對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的氣動(dòng)回路進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了懸掛式流水裝配線自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。