基于S7-1200 PLC的教學用自動裝配生產線控制系統(tǒng)設計

王琳

摘要：在相關工藝技術支持以及社會需求的推動下，行業(yè)專家根據(jù)自動化生產線控制要求，設計了以S7-1200PLC 為控制核心結合觸摸屏、變頻器、傳感器等的教學用自動化生產線控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)能夠模擬自動運送工件、識別工件、裝配工件等功能，提升生產線設備教學效率。

關鍵詞：S7-1200PLC;自動裝配生產線;控制系統(tǒng)

隨著科技的進步和裝配制造業(yè)的快速發(fā)展，以及生產過程的智能化、網絡化，國內外對自動生產線相關技術的研究十分重視。PLC技術可以滿足系統(tǒng)的可靠性、實時性與可視化需要，設計自動化生產線控制系統(tǒng)是企業(yè)提高產品質量及經濟效益的必然選擇。多方面采取措施加速我國傳統(tǒng)工業(yè)設備的自動化改造，大力發(fā)展我國生產自動化技術已經成為當務之急。培養(yǎng)高水平工業(yè)復合型人才成為一個促進工業(yè)化發(fā)展的重要渠道。故此，對自動生產線教學裝置的研究與開發(fā)具有十分重要的意義，該設備開發(fā)成功后，能夠滿足自動生產線技術教學的需要，創(chuàng)建接近企業(yè)實際的工作情境來培養(yǎng)學生的工程意識、工程實踐技能以及團結協(xié)作精神。

一、自動化生產線總體方案

根據(jù)工件裝配任務要求，模擬自動化生產線需要實現(xiàn)自動取貨、送件、識別工件、裝配和缺陷工件篩選等功能，自動化生產線由送料單元，加工單元，裝配單元，輸送單元和分揀單元五個部分組成，集光、機、電、氣為一體，完成工件上料、搬運、加工、裝配等功能。其中，每個單元都有控制本單元工作過程的PLC，檢測元件把檢測信號送給本單元的PLC，信號經過PLC處理后，發(fā)出使執(zhí)行元件工作的指令，驅動執(zhí)行元件動作。每一個工作單元都是一個機電一體化的系統(tǒng)，也可以看成一個獨立的工作系統(tǒng)。各個單元的執(zhí)行機構主要是電機驅動結構與氣動執(zhí)行結構，可以通過安裝在其上面的傳感器的信號可以判斷這些執(zhí)行機構的運動位置。傳感器是自動化生產線中的關鍵環(huán)節(jié)，是現(xiàn)代工業(yè)實現(xiàn)高度自動化的必備裝置。自動生產線五個單元之間必須協(xié)調工作，各單元之間要進行通信，以輸送單元為主站，基于西門子S7—1200自帶的通信協(xié)議完成各單元之間的通信。應用PLC作為控制核心部件，設計完成了自動化生產線基于PLC控制的硬件設計和軟件設計。本文研究控制系統(tǒng)的模塊組成、控制方式、功能的實現(xiàn)及整個系統(tǒng)的綜合協(xié)調工作。對自動化生產線的控制系統(tǒng)進行設計分析，得出有實際意義和應用價值的教學用自動裝配生產線控制系統(tǒng)。

二、自動化生產線控制系統(tǒng)

模擬自動化生產線控制系統(tǒng)分為五個部分，其中包括自動化數(shù)控生產設備通訊開發(fā)設計實現(xiàn)、生產線智能控制核心部分、人機交互、機器人智能控制與通訊、輔助控制與執(zhí)行單元。通過自動化數(shù)控生產設備的通訊模塊，所有生產線上的設備實現(xiàn)通信連接，生產的信息和機器狀態(tài)被生產線控制核心的信息處理模塊收集起來。智能核心部分根據(jù)所得到的機器信息，以及系統(tǒng)設置信息，自動安排最優(yōu)生產過程，并通過機器人通訊模塊接口，對機器人發(fā)出控制命令，從而完成整個生產線流水線的生產控制。通信網絡建立好后，主控系統(tǒng)需要和各單元系統(tǒng)約定好通信的協(xié)議，主控發(fā)送運行指令，各單元系統(tǒng)按指令執(zhí)行并反饋相應的狀態(tài)。主控系統(tǒng)根據(jù)反饋的狀態(tài)信息進行下一次運行控制的協(xié)調，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的運行控制。如果發(fā)生故障或者異常情況，控制中心可以向單臺生產設備發(fā)送控制命令，完成停機、報警或者其他指令。

模擬生產線控制系統(tǒng)，利用配置程序配置自動線的工作參數(shù);通過調整操作模塊利用操作按鍵控制自動化生產線信息控制操作;利用檢測設備檢測自動線設備狀態(tài)數(shù)據(jù);通過數(shù)模調整模塊利用調整程序調整自動線數(shù)模操作;利用優(yōu)化程序對自動線設備參數(shù)進行優(yōu)化;利用傳送帶運輸自動線加工原料;加工設備對自動線運輸?shù)脑线M行加工;利用顯示器顯示配置的工作參數(shù)，檢測設備狀態(tài)數(shù)據(jù)。本發(fā)明保證了自動線數(shù)模的準確性及模擬現(xiàn)場的一致性，避免了仿真模擬與現(xiàn)場操作出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象，減少了調試人員的現(xiàn)場調試，無需反復進行調試，直接通過大數(shù)據(jù)獲取最優(yōu)參數(shù)值，效率較高。

三、可編程控制器控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)以及后續(xù)的系統(tǒng)擴展的自定義模式也很便捷，能夠根據(jù)客戶自身實際需求進行定制。在工業(yè)領域中，控制系統(tǒng)是整個工業(yè)系統(tǒng)的運轉核心，而工控系統(tǒng)性能高低的主要因素是控制器的選擇，而當今工控行業(yè)用得最多的還是可編程控制器（PLC）。可編程控制器是生產控制系統(tǒng)的控制核心，它可以實現(xiàn)很多控制功能，例如：I/O邏輯控制、延時、計數(shù)等。PLC是一種可編程的存儲器，用于內部存儲程序和執(zhí)行邏輯、順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等面向用戶的控制指令，并且通過數(shù)字或模擬式輸入或輸出，控制各種不同機械協(xié)同工作。受國內現(xiàn)實生產情況影響，當前很多生產企業(yè)依然采用傳統(tǒng)繼電器——接觸器控制系統(tǒng)，導致生產效率不高、穩(wěn)定性差?？删幊炭刂葡到y(tǒng)的應用提高了控制系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。文章以S7-1200系列PLC為核心控制器討論生產控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。

西門子S7-1200的內存有50KB用于公用指令及數(shù)據(jù)工作，并且還為集成裝載提供了2MB作內存空間以及2KB的斷電保存用內存。在S7-1200PLC設備的CPU上附加三個通信模塊為點與點之間提供串行通信。此外，S7-1200PLC具有PWM功能，能夠運用這種技術在逆變電路中控制電機的轉速、閥門位置。

四、控制系統(tǒng)硬件設計

在模擬自動生產線的多個動作（如送料單元、加工單元、裝配單元、輸送單元和分揀單元）過程中，由于這些動作數(shù)量眾多且復雜，為了確保自動生產線能力有效運行，設計人員應根據(jù)生產線的工藝流程，保證控制系統(tǒng)的硬件設計滿足以下要求：

（1）各工序能夠協(xié)調控制，使自動化生產線穩(wěn)定、高速運行。

（2）程序的可變性強，能夠根據(jù)不同作業(yè)要求隨時對運行程序進行調整。

（3）實時性高，動態(tài)響應性能好，能夠隨時對各種傳感器信號進行采集并及時反饋。

（4）高可靠性、安全性和穩(wěn)定性。

（5）智能化的人機界面，便于工人操作以及監(jiān)控。

（6）硬件結構緊湊，且具有后期擴展性。根據(jù)工藝流程，本文采用了“觸摸屏+PLC”的控制模式，PLC可編程控制器作為觸摸屏與各信號傳感器之間的橋梁，將觸摸屏與各個信號緊密連接起來。

五、控制系統(tǒng)軟件設計

上位機觸摸屏程序能夠實現(xiàn)操作人員與PLC之間的交流，實現(xiàn)不同人機界面之間的切換，以及不同的操作、不同的按鍵控制。根據(jù)自動生產線教學裝置控制要求，利用組態(tài)王軟件設計上位機組態(tài)界面，實現(xiàn)對整套自動生產線教學裝置各模塊執(zhí)行機構和工件信息的實時監(jiān)控，在上位機組態(tài)軟件中創(chuàng)建好的工程經過模擬運行后下載到觸摸屏正式運行。觸摸屏組態(tài)模塊主要是完成與操作人員的交互功能。在軟件平臺添加設備子模塊，設置PLC、變頻器和觸摸屏的IP地址，并根據(jù)所需流程定義適合的通信協(xié)議。

觸摸屏能夠將包裝碼垛生產線的運行信息、報警信息以及控制信號，以文字或者圖像的方式直觀展示給用戶。觸摸屏程序結構設計好壞不僅僅影響人機界面美觀性，對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行同樣具有重要影響。觸摸屏通過編程軟件進行離線模擬和在線模擬，極大地方便了程序的調試。該觸摸屏軟件程序中主要包括主控界面、參數(shù)設置界面以及監(jiān)控三大部分。主控界面中主要包括啟動、停止、自動模式以及手動模式。報警顯示系統(tǒng)中主要顯示生產線中的報警信息，結合報警畫面中的信息，生產線的工作人員可以及時發(fā)現(xiàn)故障并排除故障，保證生產線的生產正常進行。

六、結束語

隨著工控技術的發(fā)展，PLC技術和產品發(fā)展迅速，總的趨勢是向高集成度、小體積、大容量、高速度、使用方便、高性能和智能化方向發(fā)展。基于教學用的自動裝配生產線利用 S7-1200PLC作為生產線的控制中心，將綜合應用PLC、氣壓傳動、傳感檢測、組態(tài)監(jiān)控及通信等多種技術，充分體現(xiàn)自動化生產線技術的系統(tǒng)性及融合性強等特點;在結構上采用開放式模塊化結構，每個模塊結構固定，具有相應的生產功能。根據(jù)模擬生產線情況，能夠通過對生產線不同模塊擺放位置的調整及配合，模擬實現(xiàn)不同的生產流程，這更符合企業(yè)的需求。在完成硬件選型的基礎上，對控制系統(tǒng)主程序以及人機交互界面進行了軟件編程。自動生產線教學裝置為理論與實踐一體化教學提供了非常好的一個平臺，可以有效縮短教學與實際工程應用之間的差距。

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