基于PLC技術(shù)的自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化控制技術(shù)普遍應(yīng)用于礦業(yè)等領(lǐng)域。在近些年產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型壓力的影響下，使用自動(dòng)化生產(chǎn)線是企業(yè)生產(chǎn)的必然趨勢。制造業(yè)總提高生產(chǎn)效率是企業(yè)發(fā)展的核心競爭力。自動(dòng)化生產(chǎn)線由送料加工輸送與分揀等單元組成，各單元有控制工作的PLC，信號(hào)經(jīng)PLC處理后發(fā)出執(zhí)行原件動(dòng)作指令，用PPI通信協(xié)議完成各單元通信，設(shè)計(jì)完成PLC控制的軟硬件自動(dòng)化生產(chǎn)線。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù) ??自動(dòng)化生產(chǎn)線 ?控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)??工業(yè)生產(chǎn)

Design of Automatic Production Line Control System Based on PLC Technology

WANG Wenkui

Abstract： With the development of modern industrial technology， automatic control technology is widely used in mining and other fields. Under the pressure of industrial transformation in recent years， the use of automatic production lines to reduce labor costs is an inevitable trend of enterprise production. Improving the production efficiency of manufacturing industry is the core competitiveness of enterprise development. The automatic production line is composed of feeding， processing， conveying and sorting units. Each unit has a PLC to control the work. After the signal is processed by the PLC， it sends out the action instruction to execute the original. Taking the conveying unit as the main station， the communication of each unit is completed with PPI communication protocol， and the software and hardware automatic production line controlled by PLC is designed.

Key words：PLC technology; Automatic production line; Control system design;Industrial production

中華人民共和國成立后，我國制造業(yè)迅速發(fā)展，由于微電子技術(shù)、控制技術(shù)飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用為機(jī)械制造領(lǐng)域帶來新技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展促進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)化技術(shù)影響了其他諸多領(lǐng)域。當(dāng)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科技進(jìn)步有重大聯(lián)系，自動(dòng)化控制技術(shù)取得良好經(jīng)濟(jì)效益。自動(dòng)化生產(chǎn)線要求機(jī)械加工裝置自動(dòng)完成對(duì)產(chǎn)品加工，人們通過自動(dòng)化生產(chǎn)線完成產(chǎn)品檢測，采用液壓系統(tǒng)等將各部分動(dòng)作聯(lián)系。自動(dòng)化生產(chǎn)線要求提高產(chǎn)品質(zhì)量效率，保證操作人員安全，系統(tǒng)應(yīng)用增加加工件參數(shù)設(shè)收集管理，生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。自動(dòng)化生產(chǎn)線是基于計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)等綜合技術(shù)，按照生產(chǎn)需要對(duì)構(gòu)造集成實(shí)現(xiàn)設(shè)備最優(yōu)化。

1 PLC控制技術(shù)

科技的迅速發(fā)展為人們帶來了便利，人們也對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求與日俱增。許多企業(yè)需要在材料分揀方面進(jìn)行加工作業(yè)，傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的人工作業(yè)局限性制約了企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)發(fā)展模式改造非常迫切^[1]。隨著自動(dòng)化水平的提高，企業(yè)開始使用自動(dòng)化設(shè)備代替人力?，F(xiàn)代科技的更新推動(dòng)了PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC在復(fù)雜作業(yè)中占據(jù)核心地位，目前PLC運(yùn)用于運(yùn)動(dòng)控制等方向。

1969年美國首次研發(fā)用于汽車自動(dòng)化加工生產(chǎn)線的PLC，最初PLC為小規(guī)模集成電路，僅能在生產(chǎn)線部分系統(tǒng)代替繼電器。目前，PLC的CPU多采用32位微型計(jì)算機(jī)處理器，PLC中具有不同編程語言包括語句高級(jí)語言，PLC可完成復(fù)雜的系統(tǒng)控制功能^[2]，其發(fā)展方向是進(jìn)行多種處理器系統(tǒng)者使用PLC，用于單機(jī)控制小型PLC，充分發(fā)揮質(zhì)優(yōu)價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，方便在電器柜中安裝，為后期維護(hù)工作提供方便。大型PPLC具有很好的存儲(chǔ)處理能力，可完成復(fù)雜的控制系統(tǒng)控制要求。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括軟硬件部分，需要分析生產(chǎn)機(jī)械工藝流程，了解生產(chǎn)機(jī)械生產(chǎn)工藝，對(duì)各工位動(dòng)作分析，作為PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要步驟。

PLC在當(dāng)前科技中非常成熟，主要組成基本組件包括電源模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)等，根據(jù)不同型號(hào)可自由搭配不同擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)功能。PLC將輸入端子信號(hào)掃描將輸入狀態(tài)存放至寄存器，CPU逐條進(jìn)行運(yùn)行完成語句。存儲(chǔ)器用于PLC程序，按存儲(chǔ)類型分為存放用戶編寫程序與存放系統(tǒng)程序^[3]。存放運(yùn)算數(shù)據(jù)可進(jìn)行讀寫操作，為具有掉電保護(hù)功能需配備電池防止用戶程序丟失。I/O模塊用于接收外部信號(hào)，如常見伺服電機(jī)編碼器等信號(hào)，輸出模塊用于接收CPU處理信號(hào)。

2?自動(dòng)化控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)化生產(chǎn)線基于流水線發(fā)展，要求機(jī)械加工裝置完成預(yù)定工藝過程，要求裝卸工件等自動(dòng)進(jìn)行^[4]。自動(dòng)工作機(jī)械電氣一體化系統(tǒng)為自動(dòng)生產(chǎn)線，通常包括送料裝配與分揀等單元，將供料單元料倉工件送往加工單元物料臺(tái)，完成裝配后成品送往分揀單元分揀輸出。本文設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)以西門子S7-200?PLC為核心，對(duì)送料加工輸送等單元進(jìn)行控制。模塊化組態(tài)靈活，硬件開發(fā)周期短。

自動(dòng)線控制系統(tǒng)以輸送單元PLC為控制核心，包括電氣接口、通信接口等，各單元檢查機(jī)構(gòu)將檢測信號(hào)傳送給單元PLC，輸送單元PLC將信息傳遞給觸摸屏顯示。自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)模擬企業(yè)工件加工生產(chǎn)線流程，模型包括運(yùn)輸加工等基本單元。供料單元機(jī)械部分包括工件裝料管等，控制部分包括PLC等^[5]。供料單元控制系統(tǒng)采用PLC型號(hào)為三菱FX2N-32MR型，地址范圍為X0-X17，PLC上電后確認(rèn)系統(tǒng)準(zhǔn)備完成。供料單元運(yùn)行過程供料控制，供料不斷循環(huán)進(jìn)行，收到停止指令系統(tǒng)回到初始狀態(tài)停止。缺料報(bào)警推出運(yùn)行狀態(tài)后需加入足夠工件重新啟動(dòng)系統(tǒng)。子程序工作狀態(tài)包括運(yùn)行/停止?fàn)顟B(tài)等，設(shè)計(jì)保證掃描周期調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示。

輸送單元機(jī)械結(jié)構(gòu)包括拖鏈裝置等部分，控制器由PLC模塊等部件組成，輸送單元所需I/O點(diǎn)包括指示燈模塊信號(hào)等，選用三菱FX1N-48MT型PLC。輸送單元控制過程包括機(jī)械手到工作單元物流臺(tái)取件定位控制;系統(tǒng)程序包括復(fù)位過程、處理急停等階段。復(fù)位子程序檢查機(jī)械手是否在原點(diǎn)位置。系統(tǒng)運(yùn)行中掃描周期調(diào)用急停處理子程序，急停復(fù)位后機(jī)械手未運(yùn)行輸送繼續(xù)，機(jī)械手運(yùn)回到原點(diǎn)輸送繼續(xù)。加工單元由直流減速電機(jī)、加工電機(jī)及不同電磁閥門等部件組成。傳感器在氣動(dòng)控制回路中安裝，通過雙閉環(huán)控制系統(tǒng)將工件按不同性質(zhì)選擇轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)運(yùn)行中通過光電傳感器檢測，讓電磁離合器吸合，加工刀具工作完成后電機(jī)停止。分類倉儲(chǔ)單元機(jī)械部分包括傳帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、接線端口等。控制部分包括平PLC模塊等，采用三菱FX2N-32MR型PLC，單元工作是分揀控制，系統(tǒng)運(yùn)行中復(fù)位高速計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，工件屬性可根據(jù)傳感器動(dòng)作判斷，各部件協(xié)作完成分揀工作。

3?基于PLC的自動(dòng)化生產(chǎn)線軟硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)硬件包括傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)等。PLC結(jié)構(gòu)工作原理相同，主要包括主機(jī)電源、擴(kuò)展器接口等。PLC具有抗干擾能力強(qiáng)，使用方便，功能性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。編程采用繼電器控制線路為基礎(chǔ)的梯形圖原因，傳感器是生產(chǎn)線中的檢測元件，按規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)導(dǎo)出。生產(chǎn)線中執(zhí)行部件包括伺服驅(qū)動(dòng)等，主要控制工件速度運(yùn)動(dòng)方向等。通信系統(tǒng)將工件各單元連接形成整體，提高設(shè)備控制能力，實(shí)現(xiàn)分散控制工作要求。

自動(dòng)線控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括輸送單元模塊、加工與分揀單元模塊等。觸摸屏模塊包括上位機(jī)與觸摸屏。輸送單元是自動(dòng)線重要的工作單元。PLC為各單元通信站，選用西門子S7-200-226 DC/DC型PLC。輸入信號(hào)包括開關(guān)等主令信號(hào)，輸出信號(hào)包括電磁鐵控制信號(hào)、驅(qū)動(dòng)方向信號(hào)等。供料單元是自動(dòng)化生產(chǎn)線起始單元，輸出信號(hào)包括2個(gè)電磁鐵。供料單元PLC選用S7-200-224CN。加工單元包括加工工件移動(dòng)到加工區(qū)域沖壓氣缸正下方，把加工工件重新送回物料臺(tái)。加工單元PLC選用S7-200-224AC/DC/RLY。分揀單元是自動(dòng)線最末端，輸入信號(hào)包括傳感器6點(diǎn)主令信號(hào)急停，輸出信號(hào)包括3個(gè)磁鐵。PLC選用S7-200-224XP。

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，包括各單元PLC控制通信模塊、觸摸屏組態(tài)模塊可方便開發(fā)各種現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)處理，各單元PLC控制模塊包括系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最后給出控制系統(tǒng)輸出量。觸摸屏組態(tài)模塊各單元控制模塊按采樣周期對(duì)單元狀態(tài)采樣，對(duì)單元工作過程自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)觸摸屏與各單元控制模塊數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)用組態(tài)軟件完成設(shè)計(jì)，具體包括創(chuàng)建工程、畫面制作。單元控制模塊包括供料加工與分揀單元控制程序。輸送單元是系統(tǒng)組織者，實(shí)現(xiàn)工作站工藝任務(wù)，包括機(jī)械手裝置抓取，系統(tǒng)中途停車復(fù)位到原點(diǎn)操作;裝配單元控制程序功能包括完成落料、指示燈控制。供料單元控制程序完成供料控制功能;分揀單元控制程序功能完成對(duì)高速計(jì)數(shù)器控制。數(shù)據(jù)通信模塊程序處理觸摸屏主令信號(hào)，產(chǎn)生系統(tǒng)控制信號(hào)。

PLC自動(dòng)化生產(chǎn)線制作完成后需要進(jìn)行機(jī)械設(shè)備安裝與調(diào)試。對(duì)設(shè)備零部件檢查后對(duì)零部件進(jìn)行分類，各加工工位分別組裝，保證機(jī)構(gòu)安裝安全。根據(jù)一體機(jī)生產(chǎn)工藝特點(diǎn)按照合理工序?qū)⒎珠_組裝部分組裝，各工位傳送機(jī)構(gòu)要安裝松緊合適，符合零部件組裝誤差。電氣控制系統(tǒng)中的電氣部分包括開關(guān)電源、伺服馬達(dá)電氣元件等安裝在固定導(dǎo)軌，電氣元件安裝注意避免頻繁安裝，電器控制柜內(nèi)環(huán)境濕度不得過高^[6]。

PLC系統(tǒng)主電路采用380V工業(yè)交流電源，PLC接線系統(tǒng)接線注意PLC主機(jī)接地，遠(yuǎn)離易產(chǎn)生噪聲電氣部分;電線通過壓線端子將系統(tǒng)用到電氣設(shè)備連接，布線注意不能將電流直接連接到直流輸入端子。PLC運(yùn)行模擬器中模擬，將程序輸入到生產(chǎn)設(shè)備，根據(jù)一體機(jī)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況反映控制系統(tǒng)編程，發(fā)現(xiàn)程序問題及時(shí)修改。KV5000?PLC控制系統(tǒng)程序調(diào)試將編寫程序輸送到控制器，對(duì)PLC通電根據(jù)功能指示燈狀態(tài)判斷系統(tǒng)運(yùn)行，對(duì)檢測機(jī)進(jìn)行電氣部分連接，通過開關(guān)按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

4?結(jié)語

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，自動(dòng)化生產(chǎn)線大量使用，要求各種機(jī)械加工裝置自動(dòng)完成預(yù)定工序，要求自動(dòng)化設(shè)備裝卸工件，包裝計(jì)數(shù)等方面根據(jù)設(shè)計(jì)程序自動(dòng)完成。自動(dòng)化生產(chǎn)線是機(jī)電一體化設(shè)備，綜合應(yīng)用軟件控制技術(shù)，傳動(dòng)接口技術(shù)等。PLC具有精度高、復(fù)雜邏輯運(yùn)算能力等特點(diǎn)，自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)應(yīng)用PLC具有穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用PLC控制生產(chǎn)過程結(jié)構(gòu)簡單，更換軟件可調(diào)整工作步驟，PLC自帶通信協(xié)議組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線聯(lián)機(jī)工作。通過對(duì)生產(chǎn)線各單元工作流程分析滿足工業(yè)需求。

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中圖分類號(hào)：p45.1 3DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2112-5640-9959作者簡介：王文魁（1973—），男，本科，副教授，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化。