基于PLC的自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備設(shè)計

曾一新，李有兵，林 勇

（廣州城建職業(yè)學(xué)院，廣州 510925）

0 引言

隨著中國制造2025的提出，企業(yè)處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，提出對現(xiàn)有的單一生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行自動化升級改造的需求，急需一批掌握自動化生產(chǎn)線控制技術(shù)的機(jī)電人才。因此，機(jī)電從業(yè)人員學(xué)習(xí)與掌握PLC控制技術(shù)、變頻器控制技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、氣動技術(shù)、通信技術(shù)等相關(guān)知識和技術(shù)是解決的首要任務(wù)。

國內(nèi)外對自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)做了大量研究。楊順吉等[1]基于PLC實(shí)現(xiàn)了化纖箱封箱、捆綁、稱重、噴碼、碼垛自動化生產(chǎn)線的自動化包裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。郭蘭芳等[2]基于PLC對口罩生產(chǎn)線進(jìn)行升級改造，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)能、效率及良品率的提升。張博等[3]基于PLC以太網(wǎng)通信的自動化生產(chǎn)線的實(shí)現(xiàn)。陳俊豪等[4]基于PLC實(shí)現(xiàn)螺栓連接件的自動化生產(chǎn)，對工廠的生產(chǎn)線自動化，對工廠的自動化生產(chǎn)線和教學(xué)都有一定的借鑒作用。廖斌等[5]提出一種基于PLC與組態(tài)軟件的水泥生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，提高系統(tǒng)自動化程度，提升了生產(chǎn)效率。陳寨群等[8]利用PLC強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手搬運(yùn)系統(tǒng)單元、貨物自動識別緩沖系統(tǒng)單元、堆垛系統(tǒng)單元和自動化倉庫系統(tǒng)單元進(jìn)行連接組成一個完整的生產(chǎn)線培訓(xùn)控制系統(tǒng)模型。上述文獻(xiàn)雖然涉及到了機(jī)電人員需要學(xué)習(xí)和掌握的相關(guān)技術(shù)，但是要么有的比較復(fù)雜，要么涉及到的技術(shù)點(diǎn)不全面，因而對于機(jī)電從業(yè)人員的學(xué)習(xí)和實(shí)踐存在一定難度。本文將利用S7-1200 PLC構(gòu)成簡單的網(wǎng)絡(luò)，綜合應(yīng)用PLC控制技術(shù)、變頻器控制技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、氣動技術(shù)、通信技術(shù)等相關(guān)知識點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了工件的供料、輸送檢測、篩選、翻轉(zhuǎn)及分揀的功能[9]，功能相對簡單，利于機(jī)電從業(yè)人員和學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)踐。

1 自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備的設(shè)計原理

1.1 自動化生產(chǎn)線的功能

自動化生產(chǎn)線是產(chǎn)品生產(chǎn)過程所經(jīng)過的路線，即按照生產(chǎn)流程，經(jīng)過加工、運(yùn)送、裝配、檢驗(yàn)等一系列生產(chǎn)活動所構(gòu)成的路線，實(shí)現(xiàn)自動生產(chǎn)，它將機(jī)械、電氣控制、傳感檢測、液壓氣動、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)綜合應(yīng)用，通過一些輔助設(shè)備按工藝過程將各種機(jī)械加工裝置有序連接，并控制液壓、氣壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)，最終完成預(yù)定的生產(chǎn)加工任務(wù)。該自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了工件的供料、輸送檢測、篩選推料、機(jī)械手翻轉(zhuǎn)、分揀的控制功能。

1.2 自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)

自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備主要由供料單元、輸送檢測單元、篩選推料單元、機(jī)械手翻轉(zhuǎn)單元、分揀單元組成。其中，供料單元、輸送檢測單元、篩選推料單元、分揀單元由主站PLC控制，機(jī)械手翻轉(zhuǎn)單元由從站PLC控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備的控制要求

自動化生產(chǎn)線設(shè)備的控制主要有原點(diǎn)回歸、手動模式、自動模式和安全保護(hù)。原點(diǎn)回歸要求：緊急停機(jī)、故障停機(jī)或設(shè)備檢修調(diào)整后，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能不處于工作原點(diǎn)，系統(tǒng)上電后需進(jìn)行原點(diǎn)回歸操作，各機(jī)構(gòu)回到原點(diǎn)位置。手動操作模式要求：選擇“手動操作”工作模式，可在觸摸屏上分別對各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動進(jìn)行控制。自動操作模式要求：選擇“自動操作”工作模式，從站會自動檢測各執(zhí)行機(jī)構(gòu)原點(diǎn)位置，如果不在原點(diǎn)，則會自動回原點(diǎn)?？刂埔缶唧w如下幾點(diǎn)所示。

（1）按啟動按鈕，系統(tǒng)檢測供料裝置、篩選推料氣缸、龍門機(jī)械手各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原點(diǎn)位置。原點(diǎn)位置滿足執(zhí)行步驟（2），不滿足，人機(jī)界面錯誤指示區(qū)會顯示“各機(jī)構(gòu)請回原點(diǎn)”，并報警等待3秒后自動停機(jī)。

（2）供料裝置有物料執(zhí)行步驟（3），若無料，人機(jī)界面錯誤指示區(qū)會顯示“請放入工件”，同時兩層信號指示燈的紅色、綠色指示燈會閃爍，并等待10 s，期間若有工件放入則執(zhí)行步驟③，若等待時間到，系統(tǒng)自動停機(jī)。

（3）供料裝置推出工件，傳送帶高速傳送，檢測單元檢測工件的開口位置。非金屬工件經(jīng)篩選推料單元中心位置時推出輸送帶到不合格產(chǎn)品集料器1，金屬工件在經(jīng)過翻轉(zhuǎn)機(jī)械手處理后所有工件開口朝下，到達(dá)傳送帶尾部時經(jīng)分揀搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行分揀，黑色金屬工件放在集料器2，白色金屬工件放在集料器3。

（4）供料裝置內(nèi)只要有工件，則供料單元送料氣缸會送出下一個工件，否則會等待10 s，人機(jī)界面錯誤指示區(qū)會顯示“請放入工件”，同時兩層信號指示燈的紅色、綠色指示燈會閃爍。

（5）若沒有放入工件，等待時間到，系統(tǒng)自動停機(jī)。

（6）自動運(yùn)行過程中，兩層信號指示燈的綠燈亮。

（7）自動運(yùn)行過程中，按“停止”按鈕，自動化生產(chǎn)線在分揀完成當(dāng)前的工件后自動停機(jī)，兩層信號指示燈的紅燈亮。

安全保護(hù)的要求：變頻器因電機(jī)過載、過流、短路或輸入電壓過高等原因而保護(hù)停機(jī)時，人機(jī)界面錯誤指示區(qū)會顯示“變頻器故障”，并報警等待人工解除故障，自動生產(chǎn)線應(yīng)立即停止運(yùn)行。緊急或故障停機(jī)時，所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)立即停止工作，若此時翻轉(zhuǎn)機(jī)械手氣動手指或分揀機(jī)械手吸盤有工件，均不允許跌落。故障停機(jī)后，應(yīng)關(guān)閉電源后處理完故障方可重上電。緊急或故障停機(jī)兩層信號指示燈的紅燈閃爍，解除后紅燈轉(zhuǎn)為常亮狀態(tài)。翻轉(zhuǎn)機(jī)械手、分揀機(jī)械手在工作過程中不得與設(shè)備或輸送工件發(fā)生碰撞。

2 自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備的硬件設(shè)計

2.1 主從站輸入輸出設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)連接

自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備主站PLC的輸入按鈕或開關(guān)、傳感器，輸出主要有指示燈、氣缸電磁閥、變頻器。從站PLC的輸入主要有傳感器，輸出主要有氣缸電磁閥和直流電機(jī)。系統(tǒng)通過路由器，把編程電腦、KTP600觸摸屏、主站和從站PLC連接起來，實(shí)現(xiàn)PLC之間的以太網(wǎng)通信、觸摸屏與PLC的組態(tài)數(shù)據(jù)通信、PLC和觸摸屏的程序下載，系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)連接如圖2所示。

圖2 輸入輸出設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)連接

2.2 PLC主從站硬件組態(tài)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

主站PLC由CPU模塊CPU 1214C DC/DC/DC（訂貨號：6ES7 214-1AG40-0XB0）、信號模塊SM 1223 DI16/DO16（訂貨號：6ES7 214-1BL32-0XB0）組成，從站PLC由CPU模塊CPU 1212C DC/DC/DC（訂貨號：6ES7 214-1AE0-0XB0）組成。控制系統(tǒng)的觸摸屏采用5.7″的高亮度LCD TFT液晶顯示屏，分辨率為320×240，型號為KTP600 Basic PN（訂貨號：6AV6 647-0AB1-3AX0），該產(chǎn)品集成以太網(wǎng)接口。通過TIA Portal V15自動化集成軟件對控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，主從站PLC硬件組態(tài)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 主從站PLC硬件組態(tài)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.3 變頻器的接線及參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)選用西門子變頻器MM440，采用外部開關(guān)量控制，PLC的輸出與變頻器的數(shù)字輸入信號DIN1-DIN4連接，以控制變頻器的啟停命令和頻率給定信號，系統(tǒng)通過外部數(shù)字輸入端實(shí)現(xiàn)多段速控制，加速時間為0.5 s，減速時間為0.5 s，參數(shù)需設(shè)置如表1所示。

表1 MM440的參數(shù)設(shè)置

2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)置及接線

本系統(tǒng)設(shè)計選用的步進(jìn)電機(jī)是四相八線步進(jìn)電機(jī)，選用2H556型步進(jìn)驅(qū)動器。四相八線步進(jìn)電機(jī)接線方式分為并聯(lián)式接線。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器是與步進(jìn)電機(jī)及上位主控單元一起組成步進(jìn)控制系統(tǒng)，PLC與步進(jìn)電機(jī)的接線如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)接線圖

圖4中，PUL為脈沖信號，脈沖的數(shù)量、頻率和步進(jìn)電動機(jī)的位移、速度成比例；DIR為方向信號，它的高低電平?jīng)Q定電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；ENA為使能信號，本設(shè)備讓其懸空。從接線可以看出，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器接收控制器來的低電壓低功耗控制信號，為步進(jìn)電動機(jī)輸出兩相脈沖功率電源。

在2HS556驅(qū)動器的側(cè)面連接端子中間有一個8位DIP功能設(shè)定開關(guān)，可以用來設(shè)定驅(qū)動器的工作方式和工作參數(shù)。驅(qū)動器的細(xì)分設(shè)置為2 000，靜態(tài)電流是動態(tài)電流的一般，工作電流的平均值為3.5 A。

3 自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備的軟件設(shè)計

3.1 主站PLC的I/O分配表

自動化生產(chǎn)線設(shè)備主站PLC的輸入主要有啟動、停止、復(fù)位、急停按鈕，手自動模式轉(zhuǎn)換開關(guān)，步進(jìn)電機(jī)左右限位和原點(diǎn)檢測傳感器，工件的顏色、材質(zhì)、姿勢識別傳感器，氣缸的上下或前后限位等相關(guān)傳感。主站PLC的輸出主要有控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖和方向信號，氣缸的下升或下降，吸盤的排氣或吸氣，推料氣缸的送料和推料及縮回，信號指示燈，變頻器的多段速控制信號。主站輸入和輸出的I/O地址分配具體如表2所示。

表2 主站I/O分配表

3.2 從站PLC的I/O分配表

自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備從站PLC的輸入主要有機(jī)械手翻轉(zhuǎn)單元的上下限位和左右限位，輸出主要有氣爪的升降、夾緊或松開及正反轉(zhuǎn)控制，從站輸入和輸出的I/O地址分配具體如表3所示。

表3 從站I/O分配表

3.3 TCP以太網(wǎng)通信組態(tài)及實(shí)現(xiàn)

主站與從站PLC是通過工業(yè)以太網(wǎng)連接并進(jìn)行通信的，系統(tǒng)通過路由器或交換機(jī)用網(wǎng)絡(luò)雙絞線連接起來，組成工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。通過TIA Portal V15軟件在主、從站分別調(diào)用以太網(wǎng)通信功能模塊TSEND＿C和TRCV＿C進(jìn)行組態(tài)，通過設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，主站的組態(tài)結(jié)果如圖5所示，從站的組態(tài)結(jié)果類似。主站以太網(wǎng)通信功能模塊的組態(tài)結(jié)果所圖6所示，從站的組態(tài)結(jié)果類似。

圖5 主站TSEND＿C和從站TRCV＿C通信參數(shù)設(shè)置

圖6 主站TSEND＿C和TRCV＿C功能模塊的設(shè)置

3.4 軸工藝對象的組態(tài)及功能塊調(diào)用

在主站PLC中添加軸運(yùn)動控制工藝塊，并對工藝對象進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)軸工藝對象分為對基本參數(shù)組態(tài)和對擴(kuò)展參數(shù)組態(tài)。對軸的常規(guī)參數(shù)硬件接口的“選擇脈沖發(fā)生器”選擇為“Pulse＿1”,系統(tǒng)將自動分配它的輸出位置、脈沖輸出地址、方向輸出地址。分別對軸的擴(kuò)展參數(shù)的驅(qū)動器信號、機(jī)械參數(shù)、位置監(jiān)視，動態(tài)參數(shù)的加減速度和急停參數(shù)，回原點(diǎn)的常規(guī)原點(diǎn)信號設(shè)備和主動回原點(diǎn)的方式進(jìn)行設(shè)置。其中主動回原點(diǎn)的組態(tài)參數(shù)設(shè)置如圖7所示，回原點(diǎn)和決對移位運(yùn)動控制功能塊的參數(shù)設(shè)置如圖8所示。

圖7 主動回原點(diǎn)的組態(tài)參數(shù)設(shè)置

圖8 回原點(diǎn)和決對移位運(yùn)動控制功能塊的參數(shù)設(shè)置

3.5 系統(tǒng)程序的控制流程設(shè)計

通過對控制系統(tǒng)控制功能的分析，控制系統(tǒng)的流程主要分為3部分：主站公共程序、主站順序控制流程和從站控制流程。

3.5.1 主站公共程序流程

公共程序是本系統(tǒng)程序的公共部分，包括了模式選擇部分、急停及復(fù)位部分、指示燈及蜂鳴部分。流程圖如圖9～11所示。

圖9 系統(tǒng)模式選擇流程

圖10 系統(tǒng)急停及復(fù)位控制流程

3.5.2 主站順序控制流程

主站控制程序是控制供料單元、輸送及檢測及推料單元和分揀單元。其控制流程如圖12、圖13所示，并需要把程序流程圖轉(zhuǎn)換為PLC梯形圖程序。

圖12 主站程序流程圖一

圖13 主站程序流程圖二

圖11 系統(tǒng)指示燈及蜂鳴控制流程

3.5.3 從站控制程序流程

從站控制程序是控制機(jī)械翻轉(zhuǎn)手單元的，其流程圖如圖14所示，并需要把程序流程圖轉(zhuǎn)換為PLC梯形圖程序。

圖14 從站程序流程圖

3.6 觸摸屏的畫面設(shè)計

KTP 600觸摸屏的畫面設(shè)計是由TIA Portal V15軟件設(shè)計，觸摸屏組態(tài)畫面設(shè)計如圖15所示。

圖15 組態(tài)畫面

4 實(shí)訓(xùn)設(shè)備的實(shí)訓(xùn)效果

經(jīng)學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)，該自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備能夠?qū)嵤㏄LC控制、變頻器控制、組態(tài)、電機(jī)控制、傳感檢測、氣動、通信等針對知識和技能點(diǎn)的簡單實(shí)訓(xùn)，也可以進(jìn)行工件的供料控制、輸送檢測控制、供料輸送檢測篩選控制、機(jī)械手翻轉(zhuǎn)控制、分揀控制等局部單元實(shí)訓(xùn)，還可以進(jìn)行工件的供料、輸送檢測、篩選、翻轉(zhuǎn)、分揀的整體綜合控制實(shí)訓(xùn)。學(xué)生通過單一實(shí)訓(xùn)、局部單元實(shí)訓(xùn)、系統(tǒng)整體聯(lián)調(diào)實(shí)訓(xùn)，從簡單到復(fù)雜，由個體到單元，由單元到整體，循序漸進(jìn)，能夠掌握傳感器的調(diào)試，氣動回路的調(diào)試，PLC的邏輯和順序功能圖的編程，三相異步電機(jī)的變頻的控制，直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，步進(jìn)電機(jī)的回原點(diǎn)、絕對移位、相對移位控制，組態(tài)的應(yīng)用，TCP以太網(wǎng)的通信應(yīng)用等相關(guān)知識和技能。也能夠分析控制系統(tǒng)的控制任務(wù)要求，實(shí)現(xiàn)順序控制流程圖的設(shè)計，培養(yǎng)了學(xué)生程序設(shè)計思維的能力，提升了學(xué)生自主分析問題和解決問題的能力，能夠更好的滿足當(dāng)前企業(yè)對機(jī)電從業(yè)人員的技術(shù)技能需求。學(xué)生具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)和分析問題和解決問題的能力，新知識和技術(shù)可以得到拓展，以更好的適應(yīng)機(jī)電一體化設(shè)備的設(shè)計、安裝、調(diào)試等相關(guān)工作崗位，有更大的發(fā)展空間。

5 結(jié)束語

自動化生產(chǎn)線的自動化程度，代表了裝備制造行業(yè)科技的發(fā)展水平，隨著制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，企業(yè)需要更多的自動化生產(chǎn)線安裝、調(diào)試、維護(hù)和設(shè)計的專業(yè)技術(shù)人才。自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備將PLC控制、變頻器控制、組態(tài)、電機(jī)控制、傳感檢測、氣動、通信等技術(shù)進(jìn)行了整合，解決了當(dāng)前企業(yè)實(shí)際所用自動化生產(chǎn)線復(fù)雜學(xué)習(xí)難度大和實(shí)訓(xùn)內(nèi)容單一綜合性不強(qiáng)的問題，便于學(xué)生掌握自動化生產(chǎn)線相關(guān)技術(shù)的綜合應(yīng)用。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，自動化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備基本上能夠滿足學(xué)生的實(shí)訓(xùn)要求，能夠使學(xué)生掌握PLC控制技術(shù)、變頻器控制技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、氣動技術(shù)、通信技術(shù)等相關(guān)知識，提升職業(yè)技能水平。