基于PLC控制的自動(dòng)化生產(chǎn)線的產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究

王宇，劉健，曾華鵬，葉岍

（1.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 智能制造學(xué)院，天津，300350；2. 天津齊物科技有限公司，天津，300393）

0 引言

智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，是“中國(guó)制造2025的主攻方向”。[1]在第四次工業(yè)革命的推動(dòng)下，全球智能制造行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域面臨巨大挑戰(zhàn)。[2]隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化市場(chǎng)的迅猛發(fā)展,國(guó)內(nèi)智能制造行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)不斷的加劇,那么企業(yè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率勢(shì)必要順應(yīng)歷史潮流，從而作出更大的提升。而且目前我國(guó)生產(chǎn)制造加工系統(tǒng)的自動(dòng)化程度普遍較低，那么面臨的主要問(wèn)題就是生產(chǎn)效率難以提高。[3]在工廠現(xiàn)有的生產(chǎn)線上,生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率如何被提高,產(chǎn)品良品率如何保持、如何保證工藝效率，工序間的在制品如何減少,直線化生產(chǎn)如何實(shí)現(xiàn)以及如何以最少的投入獲得最大的效益等課題已經(jīng)越來(lái)越受到智能制造行業(yè)的重視。人們對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線產(chǎn)能優(yōu)化提出了更高的要求，為了解決生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率低下,產(chǎn)品良品率低、保證工藝效率不夠高的問(wèn)題，本文提出了一種基于PLC控制的自動(dòng)化生產(chǎn)線產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)線的反饋信息，根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況調(diào)整生產(chǎn)速度，以確保良品率，提高生產(chǎn)質(zhì)量。實(shí)時(shí)信息可在客戶端界面顯示，并可通過(guò)界面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，感知層主要包括識(shí)別不同材質(zhì)物料的傳感器、PLC、由步進(jìn)電機(jī)和三相異步電機(jī)分別控制的兩條傳送帶等設(shè)備，為了實(shí)現(xiàn)智能感應(yīng)識(shí)別、信息采集處理和自動(dòng)控制等功能，于是感知層就充當(dāng)了系統(tǒng)的“眼、鼻、喉和皮膚”等神經(jīng)末梢，也就是系統(tǒng)識(shí)別物體、采集工件信息的來(lái)源。而且產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)感知層設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)感知層的功能有差異，就是產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)感知層中加入了PLC，由PLC完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、信息智能分析和處理、數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算等，換而言之就是將應(yīng)用層數(shù)據(jù)分析、處理、計(jì)算等功能下移至感知層，從而使應(yīng)用層能更加專注的完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可視化管理。處在系統(tǒng)架構(gòu)中層的是網(wǎng)絡(luò)層，它的角色相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦，在產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)中主要由路由器、無(wú)線路由器、協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備等網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備組成。它主要負(fù)責(zé)對(duì)感知層傳遞來(lái)的信息由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)化處理后傳遞給應(yīng)用層。那么處在系統(tǒng)最上層的就是應(yīng)用層，系統(tǒng)的應(yīng)用層主要包括Process Hub服務(wù)器、PAD客戶端等，它充當(dāng)著用戶與系統(tǒng)之間交流的接口，從而實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化管理。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)架圖1所示，整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為監(jiān)控層、控制層兩個(gè)層面，監(jiān)控層主要是Process Hub服務(wù)器和工業(yè)APP客戶端，控制層主要包括PLC、SPIDER67網(wǎng)關(guān)、G120變頻器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。系統(tǒng)整體核心圍繞PLC進(jìn)行信息的傳輸和交互，PLC S7-1200與SPIDER67網(wǎng)關(guān)之間采用PROFINET網(wǎng)絡(luò)形式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的連接，PLC S7-300與G120變頻器之間采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)形式進(jìn)行通訊，Process Hub服務(wù)器和工業(yè)APP客戶端之間采用無(wú)線傳輸?shù)男问竭M(jìn)行信息的傳遞，PLC S7-1200和PLC S7-300與服務(wù)器Process Hub之間組成以太網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)形式進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃的信息交互。PLC S7-1200作為系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量的集合、處理、分析和傳輸，向上對(duì)服務(wù)器發(fā)來(lái)的生產(chǎn)計(jì)劃信息進(jìn)行及時(shí)的處理、分析，同時(shí)經(jīng)過(guò)一定的采樣周期，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行采樣，然后根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際工作量、實(shí)際廢品率、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀況對(duì)生產(chǎn)線傳送帶進(jìn)行生產(chǎn)速度的動(dòng)態(tài)調(diào)整；向下要將調(diào)整過(guò)后生產(chǎn)速度控制指令迅速的下發(fā)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成規(guī)定的任務(wù)計(jì)劃，同時(shí)要將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端反饋回來(lái)的信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算、匯總、分析之后發(fā)送給云端服務(wù)器和從站，進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化管理。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

3 工藝流程及程序設(shè)計(jì)

首先生產(chǎn)者在PAD上設(shè)置生產(chǎn)計(jì)劃，之后系統(tǒng)開(kāi)始自檢，氣缸執(zhí)行裝置全伸全縮、步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)和停止、變頻電機(jī)啟動(dòng)和停止，1號(hào)分揀傳送帶上1號(hào)電感傳感器和2號(hào)光電傳感器分別可以識(shí)別甲、乙兩種不同材質(zhì)的工件，自檢完畢之后，系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)，當(dāng)目標(biāo)工件被識(shí)別后，傳送帶速度開(kāi)始由快到慢，當(dāng)達(dá)到指定倉(cāng)位口位置時(shí)，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)將工件從1號(hào)傳送帶推送到2號(hào)傳送帶，這里模擬為工件的分揀入庫(kù)動(dòng)作，此時(shí)兩個(gè)傳送帶保持速度均衡，并在工業(yè)APP端記錄下甲、乙良品的數(shù)量，且當(dāng)入庫(kù)動(dòng)作完成以后，傳送帶速度又重新恢復(fù)至初始速度。為實(shí)現(xiàn)工件的重復(fù)利用，2號(hào)傳送帶末端安裝了4號(hào)漫反射傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)工件的有無(wú)，當(dāng)工件被檢測(cè)到時(shí)，氣動(dòng)裝置又將工件推回1號(hào)傳送帶，當(dāng)1號(hào)傳送帶上移動(dòng)的工件并沒(méi)有被1號(hào)和2號(hào)傳感器檢測(cè)到，在1號(hào)傳送帶末端安裝了3號(hào)漫反射傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)廢品的有無(wú)，當(dāng)廢品被檢測(cè)到時(shí)，氣動(dòng)裝置將會(huì)把廢品移動(dòng)到2號(hào)傳送帶，此時(shí)認(rèn)為是一個(gè)缺陷工件，并且工業(yè)APP端會(huì)記錄廢品的數(shù)量。PLC將記錄到的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)信息與工業(yè)APP實(shí)時(shí)通訊并做實(shí)時(shí)顯示和統(tǒng)計(jì)分析，并且PLC端根據(jù)廢品率是否達(dá)標(biāo)以及當(dāng)前完成的實(shí)際工作量，動(dòng)態(tài)調(diào)整傳送帶速度。

圖3 工藝流程圖

圖4 程序設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)分揀生產(chǎn)線上生產(chǎn)效率低、廢品率高等問(wèn)題進(jìn)行了分析，綜合PLC控制技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、控制算法、工業(yè)APP等技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)能自調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，有效地解決了上述問(wèn)題。運(yùn)用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，確定了生產(chǎn)線上的主要技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)，搭建了產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)的模型，設(shè)計(jì)了產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)的硬件和軟件平臺(tái);設(shè)計(jì)了產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)的算法系統(tǒng),搭建了產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)的PROFIBUS-DP和以太網(wǎng)復(fù)合型通信網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行了系統(tǒng)整體聯(lián)機(jī)調(diào)試，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠有效的解決生產(chǎn)效率低、廢品率高等現(xiàn)象。本文的具體結(jié)論如下:

（1）對(duì)分揀生產(chǎn)線上生產(chǎn)效率低、廢品率高等現(xiàn)象進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了分揀生產(chǎn)線上的產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng),對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的硬件模塊進(jìn)行了選型和工作原理的介紹，構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并構(gòu)建了以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP復(fù)合型通信網(wǎng)絡(luò)。對(duì)產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了各種功能設(shè)計(jì)，分別設(shè)計(jì)了PLC控制程序、步進(jìn)電機(jī)控制程序、變頻器控制程序、工業(yè)APP控制程序等，構(gòu)建了產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。

（2）設(shè)計(jì)了產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)的算法系統(tǒng)，搭建了系統(tǒng)的算法模型，同時(shí)根據(jù)特定的控制算法通過(guò)采樣系統(tǒng)當(dāng)前完成的實(shí)際工作量和廢品率，然后形成不同的速度調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)多級(jí)精準(zhǔn)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)傳送帶運(yùn)輸工件，提高了生產(chǎn)效率，降低了系統(tǒng)分揀的廢品率，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)產(chǎn)能的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

（3）優(yōu)化了系統(tǒng)控制參數(shù)，搭建了多種硬件設(shè)備構(gòu)成的產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了整體聯(lián)機(jī)調(diào)試，通過(guò)觀察記錄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行情況，驗(yàn)證了產(chǎn)能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠有效的解決分揀生產(chǎn)線上生產(chǎn)效率低、廢品率高等問(wèn)題，達(dá)到了生產(chǎn)線上提升產(chǎn)能的目的。