曾一新,李有兵,林 勇
(廣州城建職業(yè)學(xué)院,廣州 510925)
隨著中國(guó)制造2025的提出,企業(yè)處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期,提出對(duì)現(xiàn)有的單一生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造的需求,急需一批掌握自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)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(cè)技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、通信技術(shù)等相關(guān)知識(shí)和技術(shù)是解決的首要任務(wù)。
國(guó)內(nèi)外對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)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(chēng)重、噴碼、碼垛自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)。郭蘭芳等[2]基于PLC對(duì)口罩生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行升級(jí)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(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)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(dòng)化生產(chǎn),對(duì)工廠(chǎng)的生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化,對(duì)工廠(chǎng)的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)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(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,提高系統(tǒng)自動(dòng)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(dòng)識(shí)別緩沖系統(tǒng)單元、堆垛系統(tǒng)單元和自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)單元進(jìn)行連接組成一個(gè)完整的生產(chǎn)線(xiàn)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(duì)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(jiǎn)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(cè)技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、通信技術(shù)等相關(guān)知識(shí)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了工件的供料、輸送檢測(cè)、篩選、翻轉(zhuǎn)及分揀的功能[9],功能相對(duì)簡(jiǎn)單,利于機(jī)電從業(yè)人員和學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)踐。
自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)是產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程所經(jīng)過(guò)的路線(xiàn),即按照生產(chǎn)流程,經(jīng)過(guò)加工、運(yùn)送、裝配、檢驗(yàn)等一系列生產(chǎn)活動(dòng)所構(gòu)成的路線(xiàn),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn),它將機(jī)械、電氣控制、傳感檢測(cè)、液壓氣動(dòng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)綜合應(yīng)用,通過(guò)一些輔助設(shè)備按工藝過(guò)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(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了工件的供料、輸送檢測(cè)、篩選推料、機(jī)械手翻轉(zhuǎn)、分揀的控制功能。
自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備主要由供料單元、輸送檢測(cè)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(cè)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)
自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備的控制主要有原點(diǎn)回歸、手動(dòng)模式、自動(dòng)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(dòng)操作模式要求:選擇“手動(dòng)操作”工作模式,可在觸摸屏上分別對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。自動(dòng)操作模式要求:選擇“自動(dòng)操作”工作模式,從站會(huì)自動(dòng)檢測(cè)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)原點(diǎn)位置,如果不在原點(diǎn),則會(huì)自動(dòng)回原點(diǎn)。控制要求具體如下幾點(diǎn)所示。
(1)按啟動(dòng)按鈕,系統(tǒng)檢測(cè)供料裝置、篩選推料氣缸、龍門(mén)機(jī)械手各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原點(diǎn)位置。原點(diǎn)位置滿(mǎn)足執(zhí)行步驟(2),不滿(mǎn)足,人機(jī)界面錯(cuò)誤指示區(qū)會(huì)顯示“各機(jī)構(gòu)請(qǐng)回原點(diǎn)”,并報(bào)警等待3秒后自動(dòng)停機(jī)。
(2)供料裝置有物料執(zhí)行步驟(3),若無(wú)料,人機(jī)界面錯(cuò)誤指示區(qū)會(huì)顯示“請(qǐng)放入工件”,同時(shí)兩層信號(hào)指示燈的紅色、綠色指示燈會(huì)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(shí)間到,系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)。
(3)供料裝置推出工件,傳送帶高速傳送,檢測(cè)單元檢測(cè)工件的開(kāi)口位置。非金屬工件經(jīng)篩選推料單元中心位置時(shí)推出輸送帶到不合格產(chǎn)品集料器1,金屬工件在經(jīng)過(guò)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手處理后所有工件開(kāi)口朝下,到達(dá)傳送帶尾部時(shí)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(huì)送出下一個(gè)工件,否則會(huì)等待10 s,人機(jī)界面錯(cuò)誤指示區(qū)會(huì)顯示“請(qǐng)放入工件”,同時(shí)兩層信號(hào)指示燈的紅色、綠色指示燈會(huì)閃爍。
(5)若沒(méi)有放入工件,等待時(shí)間到,系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)。
(6)自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中,兩層信號(hào)指示燈的綠燈亮。
(7)自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中,按“停止”按鈕,自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)在分揀完成當(dāng)前的工件后自動(dòng)停機(jī),兩層信號(hào)指示燈的紅燈亮。
安全保護(hù)的要求:變頻器因電機(jī)過(guò)載、過(guò)流、短路或輸入電壓過(guò)高等原因而保護(hù)停機(jī)時(shí),人機(jī)界面錯(cuò)誤指示區(qū)會(huì)顯示“變頻器故障”,并報(bào)警等待人工解除故障,自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)應(yīng)立即停止運(yùn)行。緊急或故障停機(jī)時(shí),所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)立即停止工作,若此時(shí)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手氣動(dòng)手指或分揀機(jī)械手吸盤(pán)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(hào)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(guò)程中不得與設(shè)備或輸送工件發(fā)生碰撞。
自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備主站PLC的輸入按鈕或開(kāi)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(guò)路由器,把編程電腦、KTP600觸摸屏、主站和從站PLC連接起來(lái),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
主站PLC由CPU模塊CPU 1214C DC/DC/DC(訂貨號(hào):6ES7 214-1AG40-0XB0)、信號(hào)模塊SM 1223 DI16/DO16(訂貨號(hào):6ES7 214-1BL32-0XB0)組成,從站PLC由CPU模塊CPU 1212C DC/DC/DC(訂貨號(hào):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(hào)為KTP600 Basic PN(訂貨號(hào):6AV6 647-0AB1-3AX0),該產(chǎn)品集成以太網(wǎng)接口。通過(guò)TIA Portal V15自動(dòng)化集成軟件對(duì)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
系統(tǒng)選用西門(mén)子變頻器MM440,采用外部開(kāi)關(guān)量控制,PLC的輸出與變頻器的數(shù)字輸入信號(hào)DIN1-DIN4連接,以控制變頻器的啟停命令和頻率給定信號(hào),系統(tǒng)通過(guò)外部數(shù)字輸入端實(shí)現(xiàn)多段速控制,加速時(shí)間為0.5 s,減速時(shí)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
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的步進(jìn)電機(jī)是四相八線(xiàn)步進(jìn)電機(jī),選用2H556型步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。四相八線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)接線(xiàn)方式分為并聯(lián)式接線(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(xiàn)如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)接線(xiàn)圖
圖4中,PUL為脈沖信號(hào),脈沖的數(shù)量、頻率和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位移、速度成比例;DIR為方向信號(hào),它的高低電平?jīng)Q定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向;ENA為使能信號(hào),本設(shè)備讓其懸空。從接線(xiàn)可以看出,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收控制器來(lái)的低電壓低功耗控制信號(hào),為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出兩相脈沖功率電源。
在2HS556驅(qū)動(dòng)器的側(cè)面連接端子中間有一個(gè)8位DIP功能設(shè)定開(kāi)關(guān),可以用來(lái)設(shè)定驅(qū)動(dòng)器的工作方式和工作參數(shù)。驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分設(shè)置為2 000,靜態(tài)電流是動(dòng)態(tài)電流的一般,工作電流的平均值為3.5 A。
自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備主站PLC的輸入主要有啟動(dòng)、停止、復(fù)位、急停按鈕,手自動(dòng)模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),步進(jìn)電機(jī)左右限位和原點(diǎn)檢測(cè)傳感器,工件的顏色、材質(zhì)、姿勢(shì)識(shí)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(hào),氣缸的下升或下降,吸盤(pán)的排氣或吸氣,推料氣缸的送料和推料及縮回,信號(hào)指示燈,變頻器的多段速控制信號(hào)。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
自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)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(kāi)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
主站與從站PLC是通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接并進(jìn)行通信的,系統(tǒng)通過(guò)路由器或交換機(jī)用網(wǎng)絡(luò)雙絞線(xiàn)連接起來(lái),組成工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)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(guò)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(lèi)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(lèi)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
在主站PLC中添加軸運(yùn)動(dòng)控制工藝塊,并對(duì)工藝對(duì)象進(jìn)行組態(tài),組態(tài)軸工藝對(duì)象分為對(duì)基本參數(shù)組態(tài)和對(duì)擴(kuò)展參數(shù)組態(tài)。對(duì)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(dòng)分配它的輸出位置、脈沖輸出地址、方向輸出地址。分別對(duì)軸的擴(kuò)展參數(shù)的驅(qū)動(dòng)器信號(hào)、機(jī)械參數(shù)、位置監(jiān)視,動(dòng)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(hào)設(shè)備和主動(dòng)回原點(diǎn)的方式進(jìn)行設(shè)置。其中主動(dòng)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(duì)移位運(yùn)動(dòng)控制功能塊的參數(shù)設(shè)置如圖8所示。

圖7 主動(dòng)回原點(diǎn)的組態(tài)參數(shù)設(shè)置

圖8 回原點(diǎn)和決對(duì)移位運(yùn)動(dòng)控制功能塊的參數(shù)設(shè)置
通過(guò)對(duì)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(cè)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
KTP 600觸摸屏的畫(huà)面設(shè)計(jì)是由TIA Portal V15軟件設(shè)計(jì),觸摸屏組態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)如圖15所示。

圖15 組態(tài)畫(huà)面
經(jīng)學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn),該自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)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(cè)、氣動(dòng)、通信等針對(duì)知識(shí)和技能點(diǎn)的簡(jiǎn)單實(shí)訓(xùn),也可以進(jìn)行工件的供料控制、輸送檢測(cè)控制、供料輸送檢測(cè)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(cè)、篩選、翻轉(zhuǎn)、分揀的整體綜合控制實(shí)訓(xùn)。學(xué)生通過(guò)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(jiǎn)單到復(fù)雜,由個(gè)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(dòng)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(duì)移位、相對(duì)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(shí)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(jì),培養(yǎng)了學(xué)生程序設(shè)計(jì)思維的能力,提升了學(xué)生自主分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,能夠更好的滿(mǎn)足當(dāng)前企業(yè)對(duì)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(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,新知識(shí)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(jì)、安裝、調(diào)試等相關(guān)工作崗位,有更大的發(fā)展空間。
自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)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(jí),企業(yè)需要更多的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)安裝、調(diào)試、維護(hù)和設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才。自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)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(cè)、氣動(dòng)、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(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)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(wèn)題,便于學(xué)生掌握自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)相關(guān)技術(shù)的綜合應(yīng)用。經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐,自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備基本上能夠滿(mǎn)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(cè)技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、通信技術(shù)等相關(guān)知識(shí),提升職業(yè)技能水平。