教學(xué)型柔性生產(chǎn)線的研究與設(shè)計

王云超

（江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

我國作為教學(xué)用的柔性生產(chǎn)線實訓(xùn)系統(tǒng)要遠(yuǎn)落后于國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家，除了經(jīng)費問題還有國內(nèi)教育理念問題[1]。多年來，國內(nèi)教育是理論重于實踐，高校的實踐課程也大部分都是做驗證型實驗，內(nèi)容相對比較單一。由于國外一直重于實踐教學(xué)，所以他們高校的配置要遠(yuǎn)高于我國，在柔性自動化系統(tǒng)方面，學(xué)生由簡單應(yīng)用到創(chuàng)新，每個學(xué)生都可以親自操作平臺，研究并編程調(diào)試。如今，隨著科技的進(jìn)步和人們對實踐能力的要求，國內(nèi)一流高校開始注重培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，也都紛紛引進(jìn)了相關(guān)的柔性自動化教學(xué)系統(tǒng)，但大部分是從德國或日本進(jìn)口，成本太高。FMS教學(xué)系統(tǒng)在高校的現(xiàn)狀分為三種情況[2]：（1）引進(jìn)整套工業(yè)設(shè)備；（2）高校給出功能設(shè)計，并給出了系統(tǒng)配件，交由研發(fā)機(jī)構(gòu)設(shè)計；（3）購買散裝器件自己搭建硬件軟件平臺進(jìn)行調(diào)試。這三種方案中，第一種價格太高，具體實用性不強(qiáng)；第二種性價比最高，價格略高，但最實用；第三種最節(jié)省資金，并能讓師生參透整個系統(tǒng)的架構(gòu)采用以PLC為控制硬件STEP7為軟件通過PROFIBUS-DP通信和MCGS工控軟件組態(tài)監(jiān)控聯(lián)合MES管理生產(chǎn)數(shù)據(jù)[3]，研制了這套MES模塊型柔性自動化生產(chǎn)線實訓(xùn)系統(tǒng)并投入教學(xué)使用，師生反響良好。

1 教學(xué)柔性自動化生產(chǎn)線設(shè)計

柔性生產(chǎn)線應(yīng)具備輸送系統(tǒng)、加工系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的三大基本功能[4]：

1.1 輸送系統(tǒng)

柔性生產(chǎn)線的輸送系統(tǒng)就是將待加工或已完成加工的工件通過指令傳送到指定位置。在產(chǎn)品加工的過程中，需要存儲待加工產(chǎn)品的功能，在工件輸送過程中，需要對工件的數(shù)量和位置進(jìn)行監(jiān)測管理。

1.2 加工系統(tǒng)

柔性生產(chǎn)線的加工系統(tǒng)主要完成對工件的加工、安裝和檢測等程序。本文中的加工系統(tǒng)主要是通過程序指令控制刀具組對工件進(jìn)行鉆孔加工，并通過傳感器檢測工件是否合格，然后氣動手指夾取小工件套入大工件，完成安裝。

1.3 控制系統(tǒng)

柔性生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)是柔性生產(chǎn)線的大腦，控制系統(tǒng)分為過程控制和過程監(jiān)控。主要是通過控制設(shè)備PC、PLC對生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)的實時采樣，處理并實時監(jiān)控。

本系統(tǒng)的設(shè)計基于典型的柔性自動化生產(chǎn)線功能：工件加工安裝過程，即將大工件進(jìn)行加工并傳輸至安裝位安裝分類。根據(jù)工作流程我們設(shè)計了八個工作單元站，如圖1所示。每個分站配備獨立的PLC控制系統(tǒng)，分單元與主站之間通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，主控站通過終端設(shè)備控制實現(xiàn)各分站的聯(lián)動控制。

圖1 實訓(xùn)平臺的工作流程

系統(tǒng)中工件從一站到另一站的物流傳遞過程：上料檢測單元將大工件按順序排好后提升送出；搬運站將大工件從上料檢測單元搬至加工站；加工站將大工件加工后送出工位；分揀站將加工過的正常的工件搬運到傳送站，如果是廢料，分揀機(jī)械手將工件搬運到廢料處理機(jī)構(gòu)；傳送站將正常的大工件送至尾端，將廢料分揀到廢料槽里；安裝搬運站將大工件從傳輸站搬至安裝工位放下。安裝站再將對應(yīng)的小工件裝入大工件中；而安裝搬運站再將安裝好的工件送入分類站；分類站再將工件送入相應(yīng)的料倉。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

由于本文的設(shè)計是主從網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，1臺PLC作為主站，其他八個子站選擇相同類型的PLC組成主從結(jié)構(gòu)的PLC網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)主站和從站不同的功能，選擇西門子S7-300 CPU313C-2DP（16位數(shù)字輸入/16位晶體管輸出）作為主控單元的控制模塊，選用S7-200 CPU224 AC/DC/繼電器（14位數(shù)字量輸入/10位繼電器輸出）作為子單元。由于S7-200沒有通訊口能連上PROFIBUSDP，因此需要配置通信擴(kuò)展模塊EM227來將S7-200接入DP線上，各站PLC的選型如表1所示。

表1 各站PLC的選型

本實訓(xùn)系統(tǒng)共有八個分站和一個主站，各分站都具備獨立的PLC控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線在分站之間，分站與主站之間進(jìn)行傳輸與交換。PROFIBUS-DP是通過雙絞電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[5]。選擇主控單元作為主站，其他八單元作為從站。主站通過S7-300采集數(shù)據(jù)信息，并處理相應(yīng)的分站數(shù)據(jù)信息，下發(fā)指令控制從站完成八站聯(lián)動實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。將DP聯(lián)線首端的網(wǎng)絡(luò)連接器直接接到S7-300主機(jī)的DP接口上，其他分站通過轉(zhuǎn)接口模塊EM227連接到DP電纜上[6-7]，如圖2所示。

圖2 各單元的PLC通信網(wǎng)絡(luò)

3 系統(tǒng)編程調(diào)試

將所有單元進(jìn)行通訊組態(tài)，編譯好各工作單元的控制程序，進(jìn)行仿真調(diào)試[8]。把各單元設(shè)備按鈕切換到運行狀態(tài)，檢查各單元指示燈是否正常，如不正常，則重新檢查程序和組態(tài)以及硬件連接。系統(tǒng)各設(shè)備上電復(fù)位，控制按鈕“手/自”打到自動狀態(tài)“單/聯(lián)”打到聯(lián)動狀態(tài)，將已經(jīng)完成的硬件組態(tài)和編寫完成的程序下載到主控機(jī)PLC S7-300中，運行程序?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動控制，觀察各站的工作流程如下：排在第一站的上料檢測站自動運行，完成對物料檢測上料的過程；排在第二站的搬運站通過氣動機(jī)械手夾取物料完成物料的搬運傳輸工作，把物料輸送到第三站；排在第三站的加工與檢測站通過刀具組對物料進(jìn)行三道程序的加工，并自動檢測加工完成的工件是否合格；排在第四站的分揀站則自動完成對不合格產(chǎn)品分揀到廢品臺，合格產(chǎn)品輸送到下一站；第六站安裝搬運站則自動將第五站的加工合格產(chǎn)品搬運至第七站進(jìn)行安裝；第七站則利用吸盤機(jī)械手自動將小工件套入大工件，完成工件的安裝；第八站則自動通過傳感器檢測工件的顏色，根據(jù)顏色的不同將工件分入不同的倉庫。整個過程應(yīng)該是連續(xù)的，完成了本文中設(shè)計的需求，通過工控軟件MCGS或工業(yè)觸摸屏可以終端控制設(shè)備，查看異常[3]。集成了MES功能的軟件，可以查看任務(wù)和進(jìn)程。

在現(xiàn)場實際的調(diào)試過程中，會出現(xiàn)各種各樣的問題，問題可以大體劃分為兩類：一是整個系統(tǒng)不能聯(lián)動運行；二是系統(tǒng)中某一具體分站不能正常運行[9]。

當(dāng)遇到第一種情況時，要根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生的情況進(jìn)行預(yù)判是硬件問題還是軟件問題，或者通過軟件監(jiān)測反饋的情況，進(jìn)行判斷并檢查分析并解決。

一般情況下，先做硬件檢查，因為硬件是支撐軟件的平臺，要理清思維分步驟去檢查：

第一步，先檢查各單元電源是否到位，有無空氣開關(guān)跳閘情況，如有，則復(fù)位再次推上試試，如推不上則要檢測是否電路存在短路或者是空氣開關(guān)損壞，并查看空氣壓縮機(jī)的氣壓夠不夠，氣源是否到位。

第二步，檢測常用的基本元器件，如用肉眼就可以發(fā)現(xiàn)的，或者用手摸就可以感覺到的物理狀態(tài)元器件，是否存在接觸不良或者損壞的零器件，譬如，元器件沒有溫度或者溫度過高都是不正常的。

第三步，檢查各工作單元的PLC輸入輸出口的接線是否正確，線材是否存在接觸不良的情況，進(jìn)一步縮小檢查范圍。

第四步，檢查限位磁性傳感器的靈敏度，有些因落了灰塵，變得不靈敏，沒法達(dá)到要求，還需要檢查電磁閥組及外部所連接的電路是否有問題。

排查完了硬件問題，如果還沒有找到原因，應(yīng)該檢查下PLC控制程序，分析下程序中指令是否符合設(shè)計的順控要求。程序編寫是否正確。查看PLC的中斷狀態(tài)，一般是PLC程序編譯的問題，PLC會有中斷堆棧，根據(jù)這些信息，可以很快找到問題并修改正確，直至系統(tǒng)正常運行。如果監(jiān)控系統(tǒng)顯示是在某一具體單元異常，則要排查的是這一單元，可以把該單元切換到手動狀態(tài)，因為本系統(tǒng)每一單元都有自己的獨立PLC系統(tǒng)，所以要在手動狀態(tài)下運行該單元，并檢查硬件和I/O口排線連接問題，直至可以正常運行。在手動狀態(tài)下可以運行而聯(lián)動狀態(tài)下不能運行則要檢查通訊設(shè)置是否有問題，譬如EM227撥碼地址在PROFIBUS-DP中是否遺漏或重復(fù)，并修改調(diào)試直至正常。

4 結(jié)束語

文章針對國內(nèi)高職院校的需求，多次到訪柔性自動化實際工廠，研究并分析柔性自動化生產(chǎn)線的工藝和流程，利用PLC控制技術(shù)和PRFIBUS-DP通訊技術(shù)設(shè)計了一套帶有基本MES功能的教學(xué)型柔性自動化實訓(xùn)系統(tǒng)，采用給工件進(jìn)行加工、安裝典型案例進(jìn)行流程設(shè)計，包含了輸送系統(tǒng)、加工系統(tǒng)、以及分類檢測系統(tǒng)等。按照工藝流程分為八個工作單元，每一個單元都具備獨立的PLC系統(tǒng)，可獨立可聯(lián)動，具備很好的柔性。在教學(xué)中具有很好的直觀效應(yīng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了各個單元的功能，并可以聯(lián)動控制，具備簡單的MES生產(chǎn)管理功能，通過主控單元觸摸屏或者監(jiān)控主機(jī)可以全自動化的生產(chǎn)監(jiān)控管理，減少了人力成本。