智能車間輸送帶多流程控制設(shè)計(jì)

王冉，孟磊，劉佳

（1.西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710032；2.西安科技大學(xué)，陜西西安，710054）

面對人工和材料成本上升、管理難度增大和科技的高速發(fā)展，打造智能車間實(shí)現(xiàn)這能管理成為企業(yè)未來發(fā)展的趨勢，在鑄造、噴涂、印制等行業(yè)，對產(chǎn)品的質(zhì)量、成本及信息化管理提出了更高的要求[1]，本文從智能車間裝配過程設(shè)計(jì)出發(fā)，重點(diǎn)研究基于PLC1200的觸摸屏顯示技術(shù)、多輸送帶多流程控制設(shè)計(jì)。目前傳統(tǒng)制造業(yè)工廠存在產(chǎn)品數(shù)量多人力不能滿足需求，急需引入自動(dòng)化設(shè)備以解決大批量生產(chǎn)導(dǎo)致的人力不足問題[2]，本文所研究的智能車間輸送帶多流程控制系統(tǒng)操作簡單、邏輯實(shí)現(xiàn)可靠，在提高工作效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和安全控制，

所取得的研究方法和創(chuàng)新可應(yīng)用于智能車間、物流管理以及未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[3]的控制提供了重要研究依據(jù)。

1 智能車間工作流程設(shè)計(jì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G技術(shù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測、機(jī)器視覺等新技術(shù)的飛速發(fā)展，制造企業(yè)迅速反應(yīng)根據(jù)環(huán)境變化結(jié)合自身特點(diǎn)[3]，將新技術(shù)應(yīng)用到車間的生產(chǎn)和管理，為企業(yè)的發(fā)展提供新方向。智能車間集合諸多先進(jìn)技術(shù)，通信技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、人工智能技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等具有實(shí)際的研究價(jià)值[4]，本項(xiàng)目選取其中的裝配工序，結(jié)合車間生產(chǎn)環(huán)境及工藝要求，以智能化、數(shù)字化為目標(biāo)建立智能車間裝配站，項(xiàng)目設(shè)計(jì)模擬智能車間裝配流程模塊布局如圖1所示，設(shè)計(jì)2條輸送帶的配件運(yùn)輸裝置，在裝配區(qū)完成電機(jī)外殼、轉(zhuǎn)子、端蓋的裝配，進(jìn)入半成品區(qū)進(jìn)行顏色、瑕疵等檢測，檢測合格的成品由輸送帶3運(yùn)送至倉庫，以備企業(yè)供貨，顯示及控制設(shè)計(jì)觸摸屏界面，可完成啟動(dòng)、停止、保護(hù)控制，檢測可由相機(jī)完成，實(shí)現(xiàn)顏色、角度、形狀的檢測、分類。

1.1 智能車間裝配流程設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的裝配工藝是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的關(guān)鍵流程，分散的零件裝配成成型的產(chǎn)品[5]，智能車間使用機(jī)器人代替人工，機(jī)器人、自動(dòng)化輸送帶、智能檢測相互配合完成裝配流程。如圖1所示，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)由1號(hào)（左上）傳送帶運(yùn)輸電機(jī)外殼、端蓋部件并在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)工作，2號(hào)（左下）傳送帶運(yùn)輸電機(jī)轉(zhuǎn)子并在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)工作，3號(hào)（右）傳送帶運(yùn)輸裝配完成的電機(jī)并在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)工作，同時(shí)加裝傳感器已達(dá)到精準(zhǔn)檢測。項(xiàng)目采用西門子1200PLC進(jìn)行電機(jī)控制的設(shè)計(jì)，采用觸摸屏用于顯示及控制，配合ABB機(jī)器人及傳感器完成裝配流程的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

圖1 模擬智能車間裝配流程模塊布局

機(jī)器人裝配是智能車間自動(dòng)化控制的核心流程[6]，在電機(jī)裝配環(huán)節(jié)采用平口手爪完成電機(jī)外殼、電機(jī)轉(zhuǎn)子、端蓋的裝配，將裝配好的部件搬運(yùn)至半成品檢測區(qū)，在這個(gè)過程中輸送帶不進(jìn)行部件的運(yùn)輸，即可設(shè)計(jì)分時(shí)間段運(yùn)行的控制功能，3條傳送帶分時(shí)間段工作在節(jié)約成本的同時(shí)，增加工作流程的有序性。

1.2 多流程控制時(shí)間段分析

智能車間工作流程管理設(shè)計(jì)[7]，設(shè)計(jì)不同流程不同時(shí)間段可增加設(shè)備的利用率提高工作效率，本項(xiàng)目中在輸送帶工作過程中，3條輸送帶分時(shí)間段運(yùn)送部件，PLC控制3臺(tái)電機(jī)在不同的時(shí)間段運(yùn)行，本項(xiàng)目設(shè)定電機(jī)啟動(dòng)按鈕按下，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)設(shè)定時(shí)間在一個(gè)裝配周期的“1-4s，8-11s”運(yùn)行，第二臺(tái)電動(dòng)機(jī)設(shè)定時(shí)間在一個(gè)裝配周期的“0-3s，6-9s，11-14s”運(yùn)行，第三臺(tái)電動(dòng)機(jī)設(shè)定時(shí)間在一個(gè)裝配周期的“0-5s，6-8s，9-11s，12-14s”運(yùn)行，其控制運(yùn)行時(shí)間段如圖2所示。

圖2 多流程控制時(shí)間段

1.3 I/O分配表

裝配站多輸送帶多流程控制I/O分配表如表1所示，輸入地址包括啟動(dòng)按鈕I0.0、停止按鈕I0.1、過載保護(hù)I0.2，輸出地址包括電動(dòng)機(jī)1Q0.0、電動(dòng)機(jī)2Q0.1、電動(dòng)機(jī)3Q0.2。設(shè)置啟動(dòng)、停止按鈕同時(shí)設(shè)置觸摸屏啟動(dòng)、停止功能，可增設(shè)急停按鈕，輸出電動(dòng)機(jī)1控制1號(hào)輸送帶的運(yùn)行，輸出電動(dòng)機(jī)2控制2號(hào)輸送帶的運(yùn)行，輸出電動(dòng)機(jī)3控制3號(hào)輸送帶的運(yùn)行，增設(shè)傳感器提高部件檢測的準(zhǔn)確性。

表1 I/O分配表

1.4 硬件接線圖

裝配站多輸送帶多流程控制硬件接線圖如圖3所示，先進(jìn)行硬件的布局，再進(jìn)行觸摸屏、PLC、電動(dòng)機(jī)等硬件的電源接線后，根據(jù)I/O分配表，進(jìn)行硬件電路連接，包括輸入啟動(dòng)按鈕、停止按鈕等連接到PLC的輸入端，輸出電動(dòng)機(jī)1（1號(hào)輸送帶）連接PLC輸出Q0.0，輸出電動(dòng)機(jī)2（2號(hào)輸送帶）連接PLC輸出Q0.1，輸出電動(dòng)機(jī)3（3號(hào)輸送帶）連接PLC輸出Q0.2，傳感器等其他部件根據(jù)邏輯控制分別接PLC的輸入和輸出。

圖3 多輸送帶多流程控制硬件接線圖

2 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目觸摸屏顯示及控制接線如圖4多輸送帶多流程控制觸摸屏界面所示，設(shè)置啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、過載保護(hù)，輸出采用扇葉形象地展示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并顯示運(yùn)行時(shí)間。

圖4 多輸送帶多流程控制觸摸屏界面

多輸送帶多流程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

(1)系統(tǒng)采用觸摸屏進(jìn)行輸送帶的運(yùn)行監(jiān)控[8]；(2)采用ABB機(jī)器人實(shí)現(xiàn)電機(jī)的裝配流程；(3)采用多傳感器結(jié)合輸送帶的時(shí)間段運(yùn)行保證部件的輸送到位；(4)利用視覺模塊完成電機(jī)裝配成品的相關(guān)信息檢測[9]；(5)以實(shí)際案例引入PLC及ABB機(jī)器人的相關(guān)控制；(6)系統(tǒng)具有一定的可擴(kuò)展性，可增設(shè)輸入、輸出設(shè)備。

3 程序設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用西門子PLC1200為核心控制，基于博途V15軟件進(jìn)行梯形圖編程，主要包括多輸送帶的不同時(shí)間段的控制程序、觸摸屏顯示程序，采用ABB機(jī)器人進(jìn)行電機(jī)裝配程序編寫，包括機(jī)器人抓取、搬運(yùn)、視覺檢測等。

如圖5所示，設(shè)計(jì)啟動(dòng)按鈕I0.0以及觸摸屏啟動(dòng)M100.0啟動(dòng)定時(shí)器Timer15，分時(shí)間段控制3臺(tái)電機(jī)運(yùn)行。

圖5 多輸送帶多流程控制啟動(dòng)定時(shí)器

根據(jù)圖2多流程控制時(shí)間段中第一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間，可以得出第一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行控制時(shí)間如圖6所示。

圖6 多輸送帶多流程控制第一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行

根據(jù)圖2多流程控制時(shí)間段中第二臺(tái)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間，可以得出第二臺(tái)電機(jī)運(yùn)行控制時(shí)間如圖7所示。

圖7 多輸送帶多流程控制第二臺(tái)電機(jī)運(yùn)行

根據(jù)圖2多流程控制時(shí)間段中第三臺(tái)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間，可以得出第三臺(tái)電機(jī)運(yùn)行控制時(shí)間如圖8所示。

圖8 多輸送帶多流程控制第三臺(tái)電機(jī)運(yùn)行

4 項(xiàng)目優(yōu)化

該項(xiàng)目目前已實(shí)現(xiàn)輸送帶分時(shí)間段控制，可實(shí)現(xiàn)裝配后電機(jī)的形狀、顏色檢測并記錄數(shù)據(jù)，后期可繼續(xù)完善該項(xiàng)目將顯示結(jié)果顯示現(xiàn)在觸摸屏，并根據(jù)不同的顏色進(jìn)行電機(jī)的分揀工作。項(xiàng)目擴(kuò)展可實(shí)現(xiàn)智能車間異常報(bào)警，設(shè)置不同工作站的運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)故障報(bào)警并及時(shí)顯示，提高車間的管理以及故障事件的應(yīng)急處理響應(yīng)[10]。

5 總結(jié)及展望

本文提出的輸送帶多流程分時(shí)間段控制理論，為智能制造車間柔性自動(dòng)化生產(chǎn)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在裝配站設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行的過程中，滿足學(xué)生實(shí)訓(xùn)需求的同時(shí)能夠聯(lián)系實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生編程能力的同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思維，提升學(xué)生操作技能的同時(shí)使學(xué)生感受崗位需求[11]。智能制造是我國制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，現(xiàn)代化的裝備代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工、機(jī)器與人協(xié)同工作已成現(xiàn)實(shí)，未來車間管理系統(tǒng)將不斷引進(jìn)高端設(shè)備和智能系統(tǒng)，車間的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，潮濕、粉塵、毒害氣體、高溫高壓等因素均不同程度影響車間的管理及生產(chǎn)，因此引入智能化的設(shè)備、綜合有序的管理[12]，使企業(yè)在節(jié)省成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保，提升市場競爭力，在產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量上同步提升，科技的飛速發(fā)展將更好地應(yīng)用在生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。