基于現(xiàn)場總線的PLC分布式控制生產(chǎn)線的設(shè)計

白帥麗 劉保朝

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西咸陽712000）

當(dāng)今社會，職業(yè)教育居有十分重要的地位，為企業(yè)培養(yǎng)生產(chǎn)一線的高級應(yīng)用型人才。隨著科技的發(fā)展，融合了機(jī)械、電氣、氣動、傳感器、交流電機(jī)變頻調(diào)速、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制、伺服電機(jī)驅(qū)動控制、PLC控制及工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù)的生產(chǎn)線設(shè)備不斷地投入到生產(chǎn)中，其生產(chǎn)工藝不斷復(fù)雜，系統(tǒng)規(guī)模越來越大，由于大型工業(yè)生產(chǎn)和日益復(fù)雜的過程控制要求，對工程人員和操作人員的要求越來越高。另外，現(xiàn)代職業(yè)教育的生源質(zhì)量不斷下降，理論學(xué)習(xí)能力嚴(yán)重不足。因此，高職教育必須在不斷變革中求生存，通過適度的分層教育和強(qiáng)化動手能力的實(shí)踐教學(xué)來滿足高規(guī)格的高級應(yīng)用型人才培養(yǎng)。

本文設(shè)計的生產(chǎn)線[1]能符合企業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，作為項(xiàng)目化任務(wù)驅(qū)動的實(shí)訓(xùn)教學(xué)的載體，成本較低，能夠滿足學(xué)生職業(yè)能力的培養(yǎng)。可保障學(xué)生進(jìn)入企業(yè)后，不但能較快的適應(yīng)操作員和技術(shù)員等工作崗位的需求；而且具有進(jìn)行生產(chǎn)線設(shè)計、開發(fā)、組態(tài)開發(fā)、故障診斷與排除的能力。

1 基于現(xiàn)場總線的PLC分布式控制生產(chǎn)線的系統(tǒng)設(shè)計

基于現(xiàn)場總線的PLC分布式控制生產(chǎn)線要求實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動生產(chǎn)線中的供料、檢測、搬運(yùn)、切削加工、裝配、輸送、分揀的環(huán)節(jié)[2]，設(shè)計其系統(tǒng)如圖1所示。基于PLC網(wǎng)絡(luò)通信功能，系統(tǒng)采用PLC工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中個工作單元聯(lián)動。

本系統(tǒng)的供料站、加工站、裝配站、分揀站為過程控制級，由各自站內(nèi)的PLC控制生產(chǎn)過程[3]；搬運(yùn)站為過程監(jiān)控級，其PLC通過網(wǎng)絡(luò)讀/寫功能向各個下屬從站發(fā)送控制指令，并讀取各個從站的工作狀態(tài)，即集中獲取數(shù)據(jù)、集中管理和集中控制的自動控制模式。生產(chǎn)過程中供料站自動供給待加工毛坯，由搬運(yùn)站的機(jī)械手指氣缸夾緊工件后送至加工站進(jìn)行鉆削，鉆削完成后由機(jī)械手搬運(yùn)至裝配站進(jìn)行裝配，裝配完成后由機(jī)械手搬運(yùn)至分揀站，傳送帶機(jī)構(gòu)輸送工件，分揀機(jī)構(gòu)分揀工件。

2 各工作站設(shè)計

基于現(xiàn)場總線的PLC分布式控制生產(chǎn)線的機(jī)構(gòu)包括供料機(jī)構(gòu)、加工機(jī)構(gòu)、搬運(yùn)機(jī)械手、物料輸送與分揀機(jī)構(gòu)。其設(shè)計如下：

2.1 供料站

供料站實(shí)現(xiàn)圓柱凸臺形毛坯件供料，圓柱凸臺形毛坯件同心同軸，大徑高，小徑高，圓柱凸臺同心同軸。毛坯為塑料材質(zhì)，分黑白兩種，選用井石料倉存儲、定位，由兩個光電傳感器檢測其是否充分和有無，由另外一個光電傳感器檢測其是否推到物料臺。系統(tǒng)啟動后，如果檢測到有毛坯件，采用直線氣缸把其推到物料臺并頂緊，直到搬運(yùn)機(jī)械手把它取走氣缸縮回。

2.2 加工站

搬運(yùn)機(jī)械手把毛坯件從物料臺取走，并搬運(yùn)至工作臺夾緊，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)X、Y方向精確運(yùn)動控制，到達(dá)主軸正下方后，啟動主軸電機(jī)和主軸升降氣缸，主軸下降完成鉆孔后升起，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動工件返回原點(diǎn)。

2.3 裝配站

機(jī)械手把返回原點(diǎn)后的工件搬運(yùn)至裝配站三工位回轉(zhuǎn)工作臺的第一工位；傳感器檢測到后，伺服電機(jī)在位置控制模式下帶動三工位回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)120°至第二工位；傳感器檢測到后由兩個直線氣缸配合每次提供一個套筒降落在凸臺工件上，內(nèi)孔與凸臺工件小凸臺配合；然后工作臺回轉(zhuǎn)120°至第三工位，由沖壓氣缸完成壓緊裝配，工作臺再回轉(zhuǎn)120°至第一工位。

2.4 分揀站

機(jī)械手把裝配完成的工件搬運(yùn)至分揀站的入料孔，傳感器檢測到后啟動傳送帶，前進(jìn)過程中直線氣缸把檢測到的白色工件推至1號滑槽，黑色工件推至2號滑槽，不合格工件傳送至廢料倉。

2.5 搬運(yùn)站

系統(tǒng)復(fù)位時搬運(yùn)機(jī)械手回原點(diǎn)。之后系統(tǒng)啟動，供料站物料臺有工件時，搬運(yùn)機(jī)械手伸出將工件搬運(yùn)到切削加工站物料加緊臺上，工件加工完畢后，再將工件送到裝配站完成裝配，最后黑白兩種工件成品送到分揀站分揀入庫。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制方案設(shè)計

基于現(xiàn)場總線的PLC分布式控制生產(chǎn)線的各站都采用PLC控制。其中供料站、加工站、分揀站為從站，分別實(shí)現(xiàn)各站內(nèi)的順序動作的過程控制；由從站內(nèi)的控制PLC分布在各自站內(nèi)，接收不同的傳感器檢測信號以及上位PLC和HMI的指令信號，結(jié)合控制程序產(chǎn)生控制指令，發(fā)送到對應(yīng)的氣缸電磁閥線圈和電機(jī)驅(qū)動器的控制端子，驅(qū)動氣缸和電機(jī)完成規(guī)定動作。各PLC控制從站獨(dú)立工作 ,自主完成既定的數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)視、操作和控制等任務(wù),解決系統(tǒng)分散和空間分布多分支問題[4]。

搬運(yùn)站為總站，完成過程監(jiān)控級控制，它的PLC通過網(wǎng)絡(luò)讀/寫功能向各個下屬從站發(fā)送控制指令，并讀取各個從站的工作狀態(tài)。各從站通過RS485串行通信口由現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)（高速數(shù)據(jù)通道）傳送各種信息,由控制中心（裝配站）的上位機(jī)（PLC）協(xié)調(diào)工作通過網(wǎng)絡(luò)傳遞各種信息，上位機(jī)使得各從站與總站的運(yùn)行得到統(tǒng)一的集中管理與控制，使系統(tǒng)按規(guī)定的流程工作。系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，各站之間通過Profibus總線進(jìn)行連接。

4 網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)置

基于現(xiàn)場總線的PLC分布式控制生產(chǎn)線的通信網(wǎng)絡(luò)遵循PPI協(xié)議，通過串行的端口（PORT0或PORT1）通信。PPI是一種主—從協(xié)議通信，主—從站在一個令牌環(huán)網(wǎng)中，主站發(fā)送要求到從站設(shè)備，從站設(shè)備響應(yīng)，從站不發(fā)送信息，只是等待主站的要求并對要求做出響應(yīng)。主站靠一個PPI協(xié)議管理的共享連接來與從站通信。在一個網(wǎng)絡(luò)中，主站不限于一個，但不能超過32個[5]。

4.1 設(shè)置各站地址和通信頻率

運(yùn)行個人電腦上的STEP7 V4.0程序，打開設(shè)置端口界面，利用PC/PPI編程電纜把PC的RS-232端口分別與各工作站的PPI通信端口PORT0相連，指定PLC地址（站號如圖1所示）和波特率，設(shè)置后把把系統(tǒng)塊下載到PLC[6]。

4.2 通信口設(shè)置

西門子S7-200 PLC中的SMB30和SMB130為自由端口控制寄存器，這些字節(jié)設(shè)置自由端口通訊的操作方式，并提供自由端口或者系統(tǒng)所支持的協(xié)議之間的選擇。SMB30控制自由端口0的通信方式，對SMB30進(jìn)行讀、寫操作，設(shè)置其值為2，通信方式為 “PPI/主站模式”。

4.3 網(wǎng)絡(luò)讀寫操作

在西門子S7-200 PPI網(wǎng)絡(luò)中的各CPU之間通信用網(wǎng)絡(luò)讀寫指令NETR/NETW。NETR用于主站CPU通過指定的通信口從其他從站CPU中指定的地址讀取數(shù)據(jù)，存入本站CPU中指定的地址。NETW用于主站CPU通過指定的通信口將本站CPU指定地址寫入其他從站CPU中指定的地址中。網(wǎng)絡(luò)讀寫指令只能由PPI主站的CPU執(zhí)行，主站CPU可以對PPI網(wǎng)絡(luò)中其他任何從站CPU進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)讀寫操作。從站CPU不必編寫通信程序，只須將與主站通信的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)即可。在主程序中調(diào)用子程序“NET_EXE”。設(shè)置完成后在主程序中調(diào)用子程序“NET_EXE”即可。

5 結(jié)語

本文對基于PLC分布式控制的自動生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備的工作站功能、工作流程和控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計，依據(jù)分布式控制系統(tǒng)的要求，把不停的PLC設(shè)置為上位機(jī)和下位機(jī)，分別完成各站的狀態(tài)監(jiān)視與任務(wù)調(diào)度，使各站協(xié)調(diào)工作；各從站的PLC分別獨(dú)立完成個站內(nèi)的控制任務(wù)。這樣既可以使系統(tǒng)的整體設(shè)計模塊化，提高運(yùn)行效率，方便系統(tǒng)重新設(shè)計，也方便對復(fù)雜的大規(guī)模的生產(chǎn)控制系統(tǒng)的開發(fā)。