基于PLC的飛機零部件自動清洗生產線控制系統的設計

（中聯西北工程設計研究院有限公司，陜西 710077）

0 引言

隨著自動檢測、PLC以及工業控制網絡等技術的快速發展, 工業生產中飛機零部件自動清洗的程度需求越來越高, 工藝復雜程度也越來越高，將工業控制以太網用于自動化生產線的應用需求日益增多[1]。PLC技術與網絡技術的有機結合可以滿足系統的可靠性、安全性、實時性與可視化需要, 而設計分散控制、集中管理的生產線網絡控制系統是企業提高產品質量及經濟效益的必然選擇[2]。為響應節能增效的理念，本設計將多種不同零部件的多種不同工藝盡量的整合在同一條生產線上，通過PLC全自動控制和人為操作有效結合，使其滿足在多種工件及多種工藝下的配合應用。

1 控制要求及設備配置

1.1 控制要求

需實現以下控制要求：1）實現從上件位至下件位的全自動化流水線運行；2）實現槽液溫度的PID控制；3）各儲液槽設有低液位控制及報警，提醒操作人員及時補液；4）冷水清洗槽設置有自動補水功能；5）根據工藝要求可任意調節清洗時間及滴液時間；6）同一時間只能打開一個槽液槽蓋，待機時所有槽蓋均應處于關閉狀態；7）特殊槽液設有自動過濾功能；8）清洗過程中槽液產生的廢氣可自動凈化處理；9）實現全線組態模擬監控功能。

1.2 設備配置

該清洗線由生產線體框架、槽體及槽蓋、行車及吊具、自控及報警系統、過濾系統、廢氣凈化系統、加熱系統等組成。根據飛機零部件的不同工藝要求，本生產線設置了16個工位，依次為上件位、除油、調節、溫水、冷水1、鋼酸洗、二聯水洗、鈦酸洗、鋼鈍化、冷水2、鈦陽極化、中和、鈦鈍化、冷水3、烘干、下件位，如圖1所示，共有13個清洗槽位，1個烘干槽位，1個上件位、1個下件位，行車負責將零部件準確的運輸到指定槽位后進行升降使飛機零部件能夠全部浸透槽液。整個生產線上可根據情況靈活調度，能夠同時進行多個飛機零部件在不同工藝條件下的清洗工作，大大提高了清洗速度及工作效率。

2 控制系統組成

根據以上控制要求及PLC的性能等因素，本設計選用西門子S7-226CPU、EM223數字量輸入輸出模塊、EM221數字量輸入模塊、EM231模擬量輸入模塊及CP243以太網模塊等部件構成整個系統的控制中樞。系統主要硬件包括PLC、報警裝置、溫控裝置、變頻調速裝置、電磁控制閥裝置、各種信號檢測裝置、用于監控的操作界面計算機等組成[3]。整個控制系統的硬件結構框圖如圖2所示。

圖1 清洗線槽位布置簡圖

圖2 系統硬件結構框圖

3 硬件功能設計

3.1 PLC電氣接口設計

根據系統要求、控制功能及分析執行部件特性等因素考慮，將PLC節點按各自性能分區集中設置，以便于后期維護及程序編制。PLC的自由口通訊功能，為PLC與溫度模塊進行通訊提供了方便[4]。設計整個系統PLC電氣外部接口圖如圖3所示。圖中SB101～SB125為25個手動操作按鈕，用于手動情況下對設備的操作及手動/自動的切換；SQ101～SQ128為28個行程開關，用于檢測行車、槽蓋等設備的運行到位情況；WK101～WK104為4個溫控模塊的反饋信號，用于高溫預警及系統報警；SY101～SY106為6個低液位傳感器，用于監控槽液并提醒補充槽液；QF101～QF124為24個設備故障報警反饋信號，經過PLC處理輸出最終反饋在聲光報警裝置上；SH101～SH108為8個光電安全檢測傳感器，為設備安全運行提供保障措施；KA101～KA107接Q0.0～Q0.6用于控制行車運行及調速，以實現行車加減速及啟停功能；KA108～KA126接Q0.7～Q3.1用于控制槽蓋電機的啟停及正反轉，以實現槽蓋的打開和關閉；KA127～KA141接Q3.2～Q4.7用于溫控設備、風機及過濾器等的啟停控制；KA142～KA146接Q5.0～Q5.5用于驅動聲光報警裝置的運行，以提示整個生產線運行狀態是否正常；YV201～YV210接Q5.6～Q6.7用于控制各攪拌電磁閥和補水電磁閥的動作。

圖3 PLC外部接線圖

3.2 溫控裝置電氣接口設計

根據工藝要求有些特殊槽液需要在特定高溫下才能夠更好的達到清洗及烘干效果，特設計了溫控控制裝置，通過溫度PID控制使需要控溫的槽液溫度達到±0.5℃的精度；由于烘干槽加熱的介質為空氣，且空氣溫度隨氣流流通變化較大，特增加固態繼電器進行精確控制。具體溫控裝置電氣接線如圖4所示。RT101～RT104為4個溫度傳感器，用于采集槽液的實時溫度；WK101～WK104為4個溫度模塊，用于溫度PID控制，使槽液穩定在設定的溫度內。

3.3 以太網通訊接口設計

為提高整個清洗生產線數據傳輸及向上級工作站的數據傳輸，特增設了以太網模塊、交換機等通訊設備，實時的將清洗生產線的數據進行上傳，并且可接受上級工作站發來的數據，使整個生產線的工作達到高效穩步運行。

圖4 溫控裝置電氣接線圖

4 軟件設計

4.1 PLC軟件程序設計

整個系統全自動運行過程是順序動作，只有當前一個動作全部完成后，下一個動作才能進行。由于此全自動清洗生產線工藝復雜、工件種類多，而且不同工件采用的不同處理工藝，導致PLC程序比較復雜，其包含主程序、485通訊子程序、以太網通訊子程序、溫度轉換子程序、人機時間設定子程序、自動子程序、手動子程序等程序組成。幾種全自動清洗工藝流程如圖5所示。

4.2 監控界面組態程序設計

為了提高整個系統操作及可視化監控程度，設計了比較完整的組態監控界面對飛機零部件自動清洗生產線進行全線集中監控，并設計了集中遠程操作功能及零部件清洗處理時間的設定，可根據不同工藝任意改變各槽液的處理時間。組態界面如圖6～圖10所示。

圖6用于實時監測整個零部件全自動清洗生產線中各設備的運行狀態及所處位置，可使操作人員能夠直觀的監控整個生產線的運行，大大減少了現場巡視工作。

圖7用于設定零部件在各槽液中所需要停留的時間，即零部件對應某種溶液所需要的清洗時間，此時間可根據不同工藝要求人為任意調整，滿足了不同零部件在同種溶液中不同時間的設置要求，由于此時間設置比較關鍵不能隨意更改，特為此時間設定增加了密碼保護功能，只有特定人員才能執行此操作對槽液清洗時間進行更改。

圖8用于對零部件清洗過程進行實時記錄，以便于后期進行質量追溯。其有效記錄了每個或批次零部件進出各槽液中的具體時間，并計算出停留時間，同時對特殊槽液實時溫度也進行有效監視。

圖6 清洗線工藝監控界面

圖7 槽液清洗時間的設定界面

圖8 報表界面

圖9用于系統故障報警提示及記錄，能夠準確的顯示出故障所發生的時間及位置，同時系統聲光報警裝置也會發出報警并將整個零部件清洗生產線停止，以便排查完故障將系統復位后才能繼續工作。

圖10可直觀用曲線顯示出特殊槽液溫度變化情況，從而能直觀的反應出溫度控制模塊的控制情況，并由溫度曲線結合清洗效果可對清洗處理溫度進行進一步的修正，使其達到最佳清洗效果。

5 結束語

本飛機零部件自動化清洗生產線已在陜西閻良某飛機零部件制造企業正式運行，整個系統的運行效果及工作效率良好，得到企業的好評。由于采用PLC技術及各種調速控溫技術相結合，使整個控制系統性能穩定、運行安全可靠、操作簡單。實現了多種工藝的嵌套式程序設計，同時可進行多個飛機零部件的清洗，使整個生產工作效率提高了6～8倍，也減少了操作人員的投入數量，并且操作人員可以在集控室進行監控操作，從而防止了操作人員與有害、有腐蝕等物質的接觸，從而極大地改善了操作人員的勞動安全環境。

圖9 報警界面

圖10 監測曲線界面