傅康

摘要：基于西門子S7-200 型PLC設(shè)計(jì)柔性自動(dòng)化制造實(shí)訓(xùn)設(shè)備硬件系統(tǒng)。本文首先概述了設(shè)備的框架結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)需求，其次對(duì)組成設(shè)備的各硬件模塊進(jìn)行了選型，并分析了相應(yīng)的功能，最后對(duì)應(yīng)用設(shè)備進(jìn)行實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)操作的流程進(jìn)行了簡(jiǎn)述。本系統(tǒng)由來(lái)料、搬運(yùn)、運(yùn)料分揀和人機(jī)交互等硬件模塊組成，能夠精準(zhǔn)識(shí)別來(lái)料加工產(chǎn)品的顏色和材質(zhì)，并進(jìn)行智能分揀，具有組態(tài)人機(jī)交互功能，方便操作人員遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，降低了直接操作設(shè)備部件的損耗率，可用于高校自動(dòng)化類專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)或物流企業(yè)包裹智能分揀，具有一定的實(shí)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：柔性自動(dòng)化制造實(shí)訓(xùn)設(shè)備;西門子S7-200 PLC;電氣系統(tǒng)

1? 柔性自動(dòng)化制造系統(tǒng)概述

柔性自動(dòng)化制造系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱FMS），是一種以計(jì)算機(jī)或微處理器作為控制核心，外接機(jī)器人、機(jī)械手、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)線、各類傳感器、組態(tài)等構(gòu)成的能夠完成產(chǎn)品智能加工、運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)保管的現(xiàn)代化智能制造系統(tǒng)。其特點(diǎn)為：智能化、柔性化、自動(dòng)化和無(wú)人值守，是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展最重要的輔助系統(tǒng)。伴隨《中國(guó)制造2025》綱要的推出，近年來(lái)柔性制造系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的研發(fā)和應(yīng)用趨于白熱化，很多典型的FMS系統(tǒng)被相繼研發(fā)，如：2017年深圳市利和興股份有限公司研發(fā)的FMS系統(tǒng)，2018年武漢華中數(shù)控股份有限公司研發(fā)的FMS系統(tǒng)等。應(yīng)該說(shuō)，F(xiàn)MS系統(tǒng)已成為現(xiàn)代制造企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的主流。

2? 設(shè)備硬件設(shè)計(jì)需求和結(jié)構(gòu)概述

2.1 設(shè)備設(shè)計(jì)需求

目前，市場(chǎng)上柔性自動(dòng)化制造實(shí)訓(xùn)設(shè)備存在采購(gòu)成本高昂、維護(hù)不便和人機(jī)交互體驗(yàn)不佳等問(wèn)題，基于此，以優(yōu)化采購(gòu)研發(fā)成本支出、提升維護(hù)檢修便捷性和增強(qiáng)人機(jī)交互使用體驗(yàn)為需求設(shè)計(jì)一款可用于高校實(shí)訓(xùn)和企業(yè)生產(chǎn)的柔性制造設(shè)備具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。本文以西門子S7-200型PLC為控制核心部件，結(jié)合搬運(yùn)機(jī)械手、MCGS組態(tài)設(shè)備、三相異步減速電機(jī)、各類傳感器等設(shè)計(jì)模塊組合式柔性自動(dòng)化制造實(shí)訓(xùn)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)工科類高校自動(dòng)化專業(yè)柔性制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)的輔助。

2.2 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

如圖1，本系統(tǒng)以西門子S7-200型PLC為硬件核心，功能模塊涵蓋來(lái)料、搬運(yùn)、運(yùn)料分揀和人機(jī)交互四個(gè)子部分，各模塊又由不同的硬件機(jī)構(gòu)組成，相互配合能夠完成對(duì)待加工產(chǎn)品來(lái)料識(shí)別、搬運(yùn)傳送、歸類分揀和遠(yuǎn)程觸摸控制等操作，具體的部件選型以經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)便捷性和功能質(zhì)量保障為原則。

3? 設(shè)備硬件選型與功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 來(lái)料模塊設(shè)計(jì)

來(lái)料模塊用于本系統(tǒng)待傳送分揀產(chǎn)品的初級(jí)傳輸，一旦該模塊機(jī)構(gòu)中檢測(cè)到有物料產(chǎn)品置入，便會(huì)啟動(dòng)傳輸動(dòng)力裝置運(yùn)送來(lái)料產(chǎn)品至搬運(yùn)模塊機(jī)構(gòu)。該模塊的硬件選型及功能描述如下：

①來(lái)料承載機(jī)構(gòu)。

由來(lái)料裝載盤、高度調(diào)節(jié)支架和固定裝置構(gòu)成，其中來(lái)料裝載盤用于裝載物料產(chǎn)品，為圓形或橢圓形盛料機(jī)構(gòu);高度調(diào)節(jié)支架和固定裝置用于調(diào)節(jié)承載機(jī)構(gòu)的高度和固定整個(gè)機(jī)構(gòu)，機(jī)械安裝上可根據(jù)來(lái)料的體積、重量等參數(shù)自行設(shè)計(jì)調(diào)整。

②來(lái)料運(yùn)輸機(jī)構(gòu)。

由直流減速電機(jī)和撥料裝置構(gòu)成，撥料裝置與直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)撥料裝置一同轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)輸物料產(chǎn)品，電機(jī)的型號(hào)根據(jù)實(shí)際需求選定。

③來(lái)料檢測(cè)機(jī)構(gòu)。

用于檢測(cè)送料口是否有物料產(chǎn)品，倘若有產(chǎn)品則停止直流減速電機(jī)，并啟動(dòng)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)，若送料口無(wú)產(chǎn)品則直流減速電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)送料，該機(jī)構(gòu)的核心部件為E3Z型光電傳感器。

3.2 搬運(yùn)模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)來(lái)料口有物料產(chǎn)品時(shí)，便會(huì)啟動(dòng)搬運(yùn)模塊搬運(yùn)物料至運(yùn)輸模塊，可以說(shuō)搬運(yùn)模塊是連接來(lái)料和運(yùn)輸模塊的中間機(jī)構(gòu)。在硬件設(shè)計(jì)上，該模塊由2只單出雙桿氣缸、4只電控閥、5只磁性開(kāi)關(guān)和1套機(jī)械搬運(yùn)手組成，各硬件設(shè)備的選型及功能描述如下：

①單出雙桿氣缸。本設(shè)備的該類氣缸由雙聯(lián)、擺動(dòng)和標(biāo)準(zhǔn)三類氣缸構(gòu)成，其中雙聯(lián)氣缸可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械搬運(yùn)手“伸出-縮回”動(dòng)作的控制，擺動(dòng)氣缸可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械搬運(yùn)手“左擺-右擺”動(dòng)作的控制，標(biāo)準(zhǔn)氣缸可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械搬運(yùn)手“上升-下降”動(dòng)作的控制。

②電控閥。用于啟動(dòng)/停止各單出雙桿氣缸的動(dòng)作，設(shè)計(jì)上由PLC程序控制電控閥的導(dǎo)通和關(guān)斷。

③磁性開(kāi)關(guān)。即磁性傳感器，用于檢測(cè)機(jī)械搬運(yùn)手的運(yùn)動(dòng)限位，以判斷機(jī)械搬運(yùn)手是否運(yùn)動(dòng)到限位位置。

④機(jī)械搬運(yùn)手。包括機(jī)械手爪、手臂、節(jié)流閥、緩沖閥等部件，手爪通過(guò)抓緊和松開(kāi)完成物料產(chǎn)品的抓取運(yùn)輸，實(shí)際用PLC編程進(jìn)行控制。該模塊的設(shè)計(jì)圖如圖2。

3.3 運(yùn)料分揀模塊設(shè)計(jì)

運(yùn)料分揀模塊是執(zhí)行物料產(chǎn)品運(yùn)輸和分揀的機(jī)構(gòu)，其中運(yùn)輸機(jī)構(gòu)由三相異步減速電機(jī)和傳送皮帶組成，分揀機(jī)構(gòu)由各類傳感器、氣缸、物料存儲(chǔ)推送裝置、變頻器和電磁閥組成，各主要硬件選型和功能描述如下：

①三相異步減速電機(jī)。選用380V，40r/min的三相異步減速電機(jī)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)軸與傳送皮帶綁定，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)傳送皮帶運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品傳輸。

②傳感器組。包含1個(gè)金屬傳感器（額定電壓DC10-30V，檢測(cè)距離2-5mm，用于檢測(cè)金屬材質(zhì)產(chǎn)品）、2個(gè)光纖傳感器（額定電壓DC10-30V，檢測(cè)顏色精度可調(diào)，用于檢測(cè)不同顏色的產(chǎn)品）和1個(gè)光電傳感器（額定電壓DC10-30V，檢測(cè)距離3-100mm，用于識(shí)別落料口是否有物料產(chǎn)品）。

③變頻器。選用西門子MM440變頻器。

④物料存儲(chǔ)推送裝置。由落料口、料槽、進(jìn)氣機(jī)構(gòu)、推料氣缸構(gòu)成，各部件根據(jù)物料產(chǎn)品的體積、重量等指標(biāo)機(jī)動(dòng)選型。

3.4 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

基于本設(shè)備的人機(jī)交互模塊，實(shí)訓(xùn)或技術(shù)人員可用遠(yuǎn)程觸摸的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的操作和監(jiān)控，以體現(xiàn)出自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制的優(yōu)勢(shì)。該部分由1個(gè)昆侖通泰7寸液晶人機(jī)交互觸摸屏和1套R(shí)S485通訊線纜組成，通訊線纜用于觸摸屏與西門子S7-200型PLC之間的數(shù)據(jù)通信，具體的連接示意圖如圖3。

4? 設(shè)備操控應(yīng)用流程

本設(shè)備基于PLC進(jìn)行產(chǎn)品自動(dòng)化運(yùn)輸、識(shí)別、分揀循環(huán)控制，根據(jù)操控需要編寫PLC梯形圖程序后，實(shí)訓(xùn)或技術(shù)人員操控設(shè)備的流程為：

①啟動(dòng)系統(tǒng)。按下系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕SB1。

②初始化自檢。系統(tǒng)啟動(dòng)后，將調(diào)用初始化程序進(jìn)行自檢，主要檢測(cè)各硬件機(jī)構(gòu)是否連接、有無(wú)損壞等，倘若存在問(wèn)題則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)停止系統(tǒng)運(yùn)行。

③自動(dòng)化制造循環(huán)運(yùn)行。倘若系統(tǒng)自檢無(wú)問(wèn)題，則自動(dòng)進(jìn)入“運(yùn)送來(lái)料-搬運(yùn)物料-識(shí)別物料-分揀物料”的循環(huán)生產(chǎn)過(guò)程，整個(gè)過(guò)程中各類傳感器檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，倘若出現(xiàn)掉料、過(guò)載、空載、誤操作等故障，傳感器能夠自動(dòng)檢測(cè)并斷電報(bào)警。

④通過(guò)MCGS觸摸屏實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化制造過(guò)程的操作及監(jiān)控，若要停止系統(tǒng)運(yùn)行，只需按下停止按鈕SB2即可。

5? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)硬件選型和各模塊功能的設(shè)計(jì)，初步完成了柔性自動(dòng)化制造實(shí)訓(xùn)設(shè)備硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該設(shè)備硬件選型經(jīng)濟(jì)適用，各模塊功能科學(xué)實(shí)用，完全能夠作為一套物料產(chǎn)品的運(yùn)輸、識(shí)別、分揀和存儲(chǔ)實(shí)訓(xùn)所用，具有一定的應(yīng)用推廣性。在下個(gè)階段的設(shè)計(jì)中，將根據(jù)硬件設(shè)計(jì)完善系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、組態(tài)設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，并將硬件和軟件整合起來(lái)設(shè)計(jì)若干實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，以使整個(gè)設(shè)備體現(xiàn)出實(shí)訓(xùn)實(shí)用價(jià)值。

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