實(shí)訓(xùn)用產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

林誼 陳丙南 胡偉偉

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型的不斷推進(jìn)和深入，高等職業(yè)院校需要契合當(dāng)前中國(guó)制造2025及工業(yè)4.0背景為智能制造的發(fā)展需求制定應(yīng)用型人才培養(yǎng)計(jì)劃，應(yīng)用型人才培養(yǎng)重在實(shí)踐教學(xué)。本文針對(duì)智能制造產(chǎn)線的教學(xué)以及實(shí)踐的需求進(jìn)行探索，對(duì)如何搭建產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進(jìn)行探討，利用MES管控技術(shù)、西門(mén)子PLC、觸摸屏、視覺(jué)檢測(cè)、數(shù)控系統(tǒng)、電氣元件、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)等設(shè)備的技術(shù)原理，來(lái)說(shuō)明一種教學(xué)型智能制造產(chǎn)線控制系統(tǒng)。該套控制系統(tǒng)包含了PLC技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、氣動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、上位機(jī)控制技術(shù)等，符合智能制造產(chǎn)線教學(xué)的通用性要求。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;行業(yè)應(yīng)用;研究

中圖分類號(hào)：TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）14-0218-02

0? 引言

當(dāng)前，企業(yè)用人成本越來(lái)越高，特別是勞動(dòng)密集型的企業(yè)，都不斷地在尋求新的更先進(jìn)的生產(chǎn)方式，智能制造生產(chǎn)線已經(jīng)成為取代傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型生產(chǎn)方式的主要趨勢(shì)。智能制造生產(chǎn)線可以有效節(jié)約原材料、提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量，并且大大的改善了生產(chǎn)企業(yè)的環(huán)境，使得企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高了公司利潤(rùn)，增加員工福利。智能制造生產(chǎn)線已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造、食品加工等行業(yè)中，因此企業(yè)對(duì)智能制造生產(chǎn)的研發(fā)與維護(hù)人才的需求也不斷的在增加。在生產(chǎn)制造企業(yè)中，不會(huì)有機(jī)會(huì)讓新手來(lái)調(diào)試或者設(shè)計(jì)智能制造生產(chǎn)設(shè)備，這就對(duì)各應(yīng)用型高校的人才輸入提出了更高的要求。智能制造生產(chǎn)線是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的系統(tǒng)，不僅需要扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且更重要的是要實(shí)踐，在實(shí)踐過(guò)程中可以檢驗(yàn)并鞏固理論知識(shí)，也可以發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)新能力。本文設(shè)計(jì)了一條以旋轉(zhuǎn)筆筒生產(chǎn)為工藝的教學(xué)型智能制造產(chǎn)線，構(gòu)建了一個(gè)集工業(yè)機(jī)器人、AGV、3D打印、雕刻、數(shù)控銑床、數(shù)控車(chē)床、自動(dòng)裝配、自動(dòng)打包為一體的智能制造生產(chǎn)線，來(lái)滿足教學(xué)實(shí)踐。

1? 總體結(jié)構(gòu)

當(dāng)前智能制造生產(chǎn)線應(yīng)有的行業(yè)十分廣泛，我們選取了一些常用的典型應(yīng)用模塊來(lái)創(chuàng)新的組合成了一套智能制造系統(tǒng)。目前制造制造生產(chǎn)線主要還是應(yīng)用在機(jī)械加工、組裝、包裝等方面，并結(jié)合了當(dāng)前比較熱門(mén)的激光雕刻、3D打印技術(shù)，其主要組成部分如圖1所示。

2? 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的互聯(lián)互通，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的高速、準(zhǔn)確傳輸與分析，實(shí)時(shí)監(jiān)控自動(dòng)線的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)需要發(fā)出指令來(lái)協(xié)調(diào)或改善產(chǎn)線的運(yùn)行，使其運(yùn)行效率更高，產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

PLC控制技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制的網(wǎng)絡(luò)化及智能化。隨著PLC技術(shù)應(yīng)用的普及的深入，PLC已經(jīng)成為自動(dòng)化應(yīng)用中的核心技術(shù)之一。由各種傳感器來(lái)完成生產(chǎn)過(guò)程中的執(zhí)行元件的監(jiān)控，完成物理信息的提取形成控制系統(tǒng)中的信號(hào)。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是智能制造方向最熱門(mén)的技術(shù)，工業(yè)機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)主要依托于其本身內(nèi)部的控制系統(tǒng)以及傳感器系統(tǒng)，按照設(shè)定的程序，自動(dòng)進(jìn)行工作狀態(tài)的判斷與決策。機(jī)器人一般留有的外部通訊方式有I/O通訊以及網(wǎng)絡(luò)通訊，本套系統(tǒng)選擇與機(jī)器人進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊。MES系統(tǒng)以及在各種不同類型的生產(chǎn)線上得到了普遍的使用，其主要功能是進(jìn)行制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫(kù)存管理、質(zhì)量管理、人力資源管理、生產(chǎn)過(guò)程分析、底層數(shù)據(jù)集成分析等。

2.2 教學(xué)型PLC選型

目前在國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)院校，其實(shí)驗(yàn)室配置的PLC主要來(lái)自兩大品牌，西門(mén)子以及三菱系列。西門(mén)子一直主張使用模塊化編程，每個(gè)子程序負(fù)責(zé)一個(gè)功能，需要的時(shí)候再通過(guò)主程序調(diào)用，便于前期調(diào)試及后期查找故障。所以大多數(shù)高校都選用了西門(mén)子PLC作為其教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。因此我們選用西門(mén)子S7-1200系列控制器應(yīng)用于本套智能制造生產(chǎn)線，該系列PLC無(wú)論是小型設(shè)備還是對(duì)速度和準(zhǔn)確性要求較高的復(fù)雜設(shè)備裝置，都能適用。

2.3 PLC控制網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)的倉(cāng)儲(chǔ)模塊、生產(chǎn)控制模塊、視覺(jué)檢測(cè)模塊均由PLC作為控制核心，每個(gè)模塊中的PLC負(fù)責(zé)收集各類傳感器、按鈕等信號(hào)，控制電磁閥、電機(jī)等裝置動(dòng)作，搭配西門(mén)子觸摸屏，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的便利性，控制系統(tǒng)狀態(tài)直觀性。多個(gè)PLC之間，通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)采用TCP/IP或MODBUS TCP協(xié)議進(jìn)行通信。PLC控制網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖3所示。

倉(cāng)儲(chǔ)模塊由立體倉(cāng)庫(kù)搭配AGV小車(chē)組成，其中，立體倉(cāng)庫(kù)中的堆垛機(jī)由PLC控制伺服電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)可以保證堆垛的精準(zhǔn)度和速度，AGV小車(chē)與PLC進(jìn)行無(wú)線連接，向PLC實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前位置等狀態(tài)，便于操作者控制。

生產(chǎn)控制模塊由3D打印機(jī)、數(shù)控車(chē)床、激光雕刻機(jī)、數(shù)控銑床以及機(jī)器人組成，各臺(tái)加工設(shè)備距離較遠(yuǎn)，所以需將機(jī)器人安裝在行走軸上，行走軸同樣為伺服電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)，保證機(jī)器人每次到達(dá)加工設(shè)備前的位置準(zhǔn)確。機(jī)器人搭配工具快換裝置，適配每種加工設(shè)備的工件夾取。運(yùn)行時(shí)，PLC控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人移動(dòng)至指定位置，同時(shí)向?qū)?yīng)加工設(shè)備發(fā)送信號(hào)，機(jī)器人將工件放入加工區(qū)域，設(shè)備自動(dòng)完成加工。

當(dāng)工件完成自動(dòng)加工、裝配等工序后，機(jī)器人將工件搬運(yùn)至視覺(jué)檢測(cè)區(qū)，PLC向工業(yè)相機(jī)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，工業(yè)相機(jī)對(duì)工件拍照、識(shí)別檢測(cè)，并將結(jié)果反饋給PLC，PLC根據(jù)反饋結(jié)果決定工件去向，合格品進(jìn)入打包工序。打包結(jié)束的產(chǎn)品以及不合格品均由AGV小車(chē)取走，分類入庫(kù)。

2.4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一般將電氣設(shè)備二次控制回路叫做電氣控制系統(tǒng)，因?yàn)橄到y(tǒng)中不同的設(shè)備有不同的控制回路，并且高壓電氣設(shè)備與低壓電氣設(shè)備需分別控制。具體地來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)中使用單相、三相交流電和直流電的設(shè)備，最終都由PLC進(jìn)行通斷控制，而接觸器、繼電器則作為通斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)。另外，伺服控制器、變頻器作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)備，既需交流電作為動(dòng)力源，又需直流電作為信號(hào)傳輸，在電氣控制設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮電磁干擾、過(guò)載過(guò)流保護(hù)等情況。

2.5 氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)技術(shù)是利用空氣的可壓縮性，將壓縮空氣作為傳遞動(dòng)力的介質(zhì)，并通過(guò)氣缸、換向閥、電磁閥等元件構(gòu)成控制回路，使氣動(dòng)元件按照所需邏輯要求工作。

系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，3D打印機(jī)、數(shù)控車(chē)床、激光雕刻機(jī)、數(shù)控銑床需要自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)，以及自動(dòng)夾緊加工件;機(jī)器人夾爪需要加緊、松開(kāi);另外，自動(dòng)打包機(jī)中需要對(duì)打包物體進(jìn)行固定、對(duì)膠帶進(jìn)行切割;以上動(dòng)作均由氣缸完成，控制氣缸的電磁閥由系統(tǒng)中PLC控制。從安全角度考慮，選用三位五通中封型電磁閥。

2.6 MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MES系統(tǒng)，意為制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行管理系統(tǒng)，旨在為企業(yè)提供制造數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)管理、庫(kù)存管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、工具工裝管理、生產(chǎn)過(guò)程控制、數(shù)據(jù)分析等管理功能。本系統(tǒng)主要為教學(xué)作用，使用MES系統(tǒng)對(duì)整套設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控管理，更貼近實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)，使學(xué)生能直觀感受到智能化生產(chǎn)線的高效性、即時(shí)性。

系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，由操作人員通過(guò)MES系統(tǒng)下發(fā)生產(chǎn)訂單，工控機(jī)與各模塊PLC進(jìn)行通訊，收集各模塊設(shè)備狀態(tài)信息，判斷是否可運(yùn)行，若不可運(yùn)行，會(huì)將故障信息反饋給操作者;若可運(yùn)行，則由PLC按邏輯設(shè)定控制各設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)。

3? 培訓(xùn)項(xiàng)目

本系統(tǒng)在教學(xué)中可實(shí)現(xiàn)多種科目、多種設(shè)備的培訓(xùn)，包含：工業(yè)機(jī)器人編程操作，PLC程序設(shè)計(jì)，電氣控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，氣動(dòng)控制系統(tǒng)氣路設(shè)計(jì)，數(shù)控機(jī)床編程，工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通訊，MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)，AGV小車(chē)設(shè)計(jì)等。

4? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)智能制造需求性的分析研究，提出教學(xué)型智能制造產(chǎn)線控制系統(tǒng)的思路，分析了智能制造生產(chǎn)線的多種優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一條以旋轉(zhuǎn)筆筒生產(chǎn)為工藝的教學(xué)型智能制造產(chǎn)線，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人、PLC、AGV等設(shè)備，詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程及系統(tǒng)運(yùn)行方式。該教學(xué)設(shè)備在功能和結(jié)構(gòu)方面與實(shí)際工業(yè)中的智能生產(chǎn)線十分接近，能有效提高學(xué)生的實(shí)際設(shè)計(jì)、操作、解決故障等能力，便于學(xué)生在走入工作崗位后，更快的融入工作，并能根據(jù)實(shí)際環(huán)境，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)提出建設(shè)性改造意見(jiàn)，為企業(yè)發(fā)展提供更好的動(dòng)力。

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