工件分揀生產(chǎn)線控制系統(tǒng)分析與設(shè)計＊

龐黨鋒，王利強，馬前帥

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學，天津 300222）

隨著經(jīng)濟和科技的快速發(fā)展，人們對生活中產(chǎn)品質(zhì)量功能要求逐漸提高，導(dǎo)致產(chǎn)品的更新速度越來越快，這對制造業(yè)生產(chǎn)線的自動化程度要求日趨提高。制造業(yè)經(jīng)歷了從繼電控制技術(shù)生產(chǎn)線到PLC控制技術(shù)，再到PCC控制技術(shù)。產(chǎn)品功能的多樣化對生產(chǎn)線的柔性提出了更高的要求，因此對生產(chǎn)線柔性要求和控制策略更換的要求也不斷提高。

本文給出的工件分揀柔性生產(chǎn)線主要包括中控室控制器、加工單元、傳感器單元、伺服控制器、變頻器和立體倉庫，對各主要單元的組成和控制方案進行了分析和設(shè)計。課題設(shè)計的工件柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)以可編程計算機控制器和POWERLINK總線為基礎(chǔ)，主要研究了工件分揀柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計理論，對柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)進行最優(yōu)控制設(shè)計，對柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的組成和單元模塊進行設(shè)計及實現(xiàn)[1]。

1 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計

圖1所示為柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)柔性生產(chǎn)線的總體要求，基于PCC和POWERLINK網(wǎng)絡(luò)的柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要由計算機、貝加萊X20 PCC、加工單元、傳感器單元、機械手伺服控制器、輸送帶變頻器和立體倉庫控制器構(gòu)成。

圖1 柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)主要由主站和從站構(gòu)成，主站主要由計算機和主控制器X20 PCC組成，主站計算機作為上位機，可以對主控制器進行編程，同時也可以從主站讀取從站上傳的數(shù)據(jù)，主站對總線的數(shù)據(jù)通信進行控制，從站從現(xiàn)場收集各種參數(shù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到主站，ERP企業(yè)信息管理系統(tǒng)同時集合在主站的計算機系統(tǒng)中。控制系統(tǒng)主要有兩種總線，即工業(yè)以太網(wǎng)和POWERLINK總線，主站的計算機和主站控制器之間通過工業(yè)以太網(wǎng)連接[2-3]。

2 生產(chǎn)線調(diào)度模型

一般來講，一個完整的柔性生產(chǎn)線主要由3部分組成：分別是加工制造系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和物流配送系統(tǒng)，系統(tǒng)的復(fù)雜度較高，調(diào)度室控制系統(tǒng)接收中控室發(fā)送的工藝要求信息和生產(chǎn)計劃，系統(tǒng)安排加工順序，以滿足產(chǎn)品需求，提升生產(chǎn)效率。生產(chǎn)線調(diào)度問題是系統(tǒng)高效、正常運行的重要因素，調(diào)度的優(yōu)化程度直接影響到生產(chǎn)的工藝和生產(chǎn)的效率。影響柔性生產(chǎn)線調(diào)度的因素比較多，所以建立調(diào)度模型有利于生產(chǎn)線控制決策的分析。調(diào)度主要有以下4個方面的影響因素：①生產(chǎn)的原計劃。企業(yè)的管理層給生產(chǎn)一線規(guī)定一周期的生產(chǎn)任務(wù)量。②工件加工工藝。加工工藝要求決定了生產(chǎn)操作間的順序，同時對生產(chǎn)設(shè)備的參數(shù)和類型有了一定的約束，工藝文件也提供了生產(chǎn)時間參考，生產(chǎn)計劃和工藝構(gòu)成了生產(chǎn)任務(wù)。③生產(chǎn)資源。生產(chǎn)資源包含柔性生產(chǎn)線上的設(shè)備類型和數(shù)量、人力資源、原材料和其他輔助的生產(chǎn)資源，進行生產(chǎn)調(diào)度建模時，需要對資源模型進行簡化，一般設(shè)備資源是主要考慮因素，其他資源默認可以充足提供。④調(diào)度目標。生產(chǎn)調(diào)度目標會隨著實際生產(chǎn)情況和訂單的改變而改變。圖2所示為柔性生產(chǎn)調(diào)度組成圖。

圖2 柔性生產(chǎn)調(diào)度組成圖

較為單一的柔性生產(chǎn)線可以通過人為安排調(diào)度實現(xiàn)生產(chǎn)加工，這個過程僅限于加工工件數(shù)量少和工件種類單一的情況，如果生產(chǎn)的工件數(shù)較多，就需要計算機建模來解決調(diào)度問題。

3 控制程序流程

柔性生產(chǎn)線控制程序運行前，控制程序應(yīng)處于初始狀態(tài)，系統(tǒng)啟動后，運行指示燈點亮，工件倉儲提示是否允許推料，供料機推出工件后，系統(tǒng)啟動帶式傳送機。在傳送機傳輸過程中，傳感器單元對工件進行檢測和分類，根據(jù)檢測的信號，搬運機械手將工件輸送到指定的位置。機械手在運輸過程中允許指示燈指示，通過立體倉庫將合格工件存放到倉庫中[4]。如果傳感器檢測到工件屬于未加工完全的，則控制器控制搬運機械手將未完成的工件輸送到待加工庫，同時聲光報警器提示。若檢測到工件為廢品工件，則工件由機械手將其存放到指定的次品存儲庫位，同時設(shè)定指示燈提示[4]。

在設(shè)計控制程序時還應(yīng)注意下列事項：當程序中有急停時，應(yīng)盡量把急停指令放在程序的前面。另外，因為硬件設(shè)備的差異，調(diào)試程序時，如果出現(xiàn)機械手不能夠準確到位的情況，可以適當修改程序中的參數(shù)或更改硬件位置。當控制系統(tǒng)停機后，在倉庫存儲機器和機械手完成最后一個工件的搬運后，將整個控制系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

4 通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

POWERLINK是以以太網(wǎng)為介質(zhì)的開源實時通信總線，是一項主要用于工業(yè)控制及數(shù)據(jù)傳輸中的新技術(shù)。POWERLINK通信總線將標準的以太網(wǎng)作為物理層，其標準是IEEE802.3，所以在基于POWERLINK通信網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)中，所有掛在總線上的主站和從站設(shè)備通信數(shù)據(jù)都運行在以太網(wǎng)上，因為物理層為開放的以太網(wǎng)，所以其兼容性具有一定的優(yōu)越性[5]。

POWERLINK技術(shù)在運動控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，比如伺服運動的控制，用于各種機器系統(tǒng)（包裝機、紡織機、印刷機、機器人等）。過程控制主要應(yīng)用在DCS系統(tǒng)和工廠自動化中。POWERLINK物理層采用普通以太網(wǎng)的物理層，因此可以使用工廠現(xiàn)有的以太網(wǎng)布線，從機器設(shè)備的基本單元到整臺設(shè)備、生產(chǎn)線，再到辦公室，都可以使用以太網(wǎng)，從而實現(xiàn)一條以太網(wǎng)貫穿整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

5 運行測試分析

工件辨識主要是通過安裝在輸送帶上的傳感器的組合對物料的組合狀態(tài)進行檢測，工件由始端運行到末端的過程，傳感器組合完成工件的識別。系統(tǒng)具有啟動、停止兩個按鈕：“啟動”按鈕按下后，控制器發(fā)送控制命令，啟動變頻器拖動傳送帶的電機將工件從左端輸送到右端，檢測結(jié)束后，數(shù)碼管可以顯示檢測到的工件類型。工件分揀測試主要程序如圖3所示。

圖3 工件分揀測試主要程序圖

在測試平臺通過對6種圓柱體和內(nèi)芯進行測試，工件檢測和辨識單元對工件辨識的準確率在90%以上。

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)采用B&R ACOPOC系列伺服驅(qū)動器，PCC與伺服驅(qū)動器之間、驅(qū)動器與電機之間采用POWERLINK總線進行控制信息的傳遞，工業(yè)以太網(wǎng)保證了數(shù)據(jù)的實時性。機械手伺服控制測試系統(tǒng)主要由主令單元、電源單元、PCC主機、伺服驅(qū)動、伺服電機和POWERLINK總線構(gòu)成，控制系統(tǒng)電源采用直流24 V開關(guān)電源，所有的模塊固定在35 mm導(dǎo)軌上。伺服驅(qū)動配置在AS中完成，在Physical View中打開POWERLINK interface，添加POWERLINK通訊卡和編碼器，這時可以設(shè)定供電模式。如果選擇AC供電，則需考慮電機的額定工作電壓、額定工作電流、最大工作電流及工作頻率設(shè)定等。

6 結(jié)束語

本文主要通過測試平臺對柔性生產(chǎn)系統(tǒng)工件辨識和分揀系統(tǒng)、機械手伺服控制系統(tǒng)和POWERLINK網(wǎng)絡(luò)進行試驗測試，通過試驗運行狀態(tài)和測試數(shù)據(jù)分析，同時對POWERLINK的伺服通信進行測試，從中可以看出，基于POWERLINK和PCC的柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)具有較高的可靠性。

［1］肖維蓉，齊蓉.裝備自動化工程設(shè)計與實踐［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2015.

［2］齊蓉，肖維蓉.可編程控制器技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］李全利.PLC運動控制技術(shù)應(yīng)用設(shè)計與實踐［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［4］禹隆鋒.柔性生產(chǎn)線教學設(shè)備的研究及教學開發(fā)［D］.廣州：華南理工大學，2014.

［5］李鵬.基于PLC的生產(chǎn)線自動配料系統(tǒng)設(shè)計［D］.保定：河北大學，2013.