自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)分析方法探討

山東理工職業(yè)學(xué)院 李 強(qiáng)

自動化生產(chǎn)線是在流水線基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在我國工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)生產(chǎn)線相比，采用自動化生產(chǎn)線能夠減少生產(chǎn)線員工數(shù)量、減輕工人勞動強(qiáng)度、提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，并且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)周期縮短，能給企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。自動化生產(chǎn)線的正常運行對于保證企業(yè)的可靠生產(chǎn)具有重要意義。企業(yè)需要大量自動化生產(chǎn)線調(diào)試、維修與管理甚至改造的人員，而自動化生產(chǎn)線具有綜合性和系統(tǒng)性的特點，隨著自動化生產(chǎn)線智能化水平的不斷提高，企業(yè)原有的設(shè)備維修人員面對復(fù)雜的自動化生產(chǎn)線，容易出現(xiàn)無從下手的情況。自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)是自動化生產(chǎn)線的核心，幫助一線技術(shù)人員掌握自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的分析方法具有重要意義。本文在研究了北京德普羅爾科技有限公司推出的一套以PLC為控制器的智能工廠自動化工程綜合實訓(xùn)平臺——IFAE平臺基礎(chǔ)上，提出了一種基于流的分析方法。實踐證明，采用流分析方法能夠幫助技術(shù)人員清晰地理解自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。

1 自動化生產(chǎn)線IFAE平臺

IFAE（智能工廠自動化工程綜合實訓(xùn)平臺）抽象自真實工業(yè)中的自動化生產(chǎn)線，能夠使學(xué)習(xí)者參與自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計、構(gòu)建和調(diào)試。它是通過采用一套能自動進(jìn)行供料、檢測、組裝、裝卸運輸?shù)臋C(jī)器設(shè)備，組成高度連續(xù)、完全自動化的生產(chǎn)線，來實現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)。

這套自動化生產(chǎn)線共有六個工作站，具體包括主件供料站、次品分揀站、旋轉(zhuǎn)工作站、方向調(diào)整站、產(chǎn)品組裝站、產(chǎn)品分揀站組成。該實訓(xùn)平臺共使用了六臺西門子S7-1200系列PLC。每個工作站均設(shè)置一臺PLC承擔(dān)控制任務(wù)，各工作站可自成一個獨立的系統(tǒng)，同時也可以通過由交換機(jī)構(gòu)成的以太網(wǎng)實現(xiàn)互連，構(gòu)成分布式的控制系統(tǒng)。

2 自動化生產(chǎn)線中的流分析

現(xiàn)代機(jī)電一體化系統(tǒng)都是在系統(tǒng)程序和微電子電路的有序信息流控制下，通過物質(zhì)與能量的有規(guī)則運動實現(xiàn)相應(yīng)功能。自動化生產(chǎn)線本身就“流”的特性，作為典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)中同樣存在著物料流、信息流與能量流。所謂的流分析法，就是通過研究自動化生產(chǎn)線中的物料流與信息流，使原本復(fù)雜的自動化生產(chǎn)線工作過程變得清晰。

2.1 自動化生產(chǎn)線中的物料流

廣義物料包括企業(yè)中生產(chǎn)經(jīng)營中用到的各種物資，而在研究自動化生產(chǎn)線時，物料主要是指用于產(chǎn)品生產(chǎn)的各種原材料與零部件，所謂的物料流就是圍繞產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)使各種物料在空間位置上的移動過程。對于制造企業(yè)，產(chǎn)品的生產(chǎn)活動都有一定的流程性，即要按照一定的生產(chǎn)工藝把原材料加工成產(chǎn)品。自動化生產(chǎn)線物料流需要關(guān)注的是從物料進(jìn)入自動化生產(chǎn)線到離開生產(chǎn)線所經(jīng)歷的過程。對于不同的生產(chǎn)線，物料流會有很大差異，但一般都是從物料供料開始到根據(jù)加工工藝加工或裝配工藝裝配的各環(huán)節(jié)，最后到產(chǎn)品的分揀和入庫。物料流分析的起點是產(chǎn)品的組成和工藝分析。IFAE平臺屬于自動化裝配生產(chǎn)線，通過對該生產(chǎn)線的產(chǎn)品分析，可以看到生產(chǎn)線所用物料主要包括產(chǎn)品主件、推桿和頂絲三部分。物流分析要根據(jù)不同物料的物流進(jìn)行分析，其中主件物料由主件供料站經(jīng)次品分揀站、旋轉(zhuǎn)工作站、方向調(diào)整站送到產(chǎn)品組裝站。產(chǎn)品組裝站再提供推桿和頂絲，與主件完成產(chǎn)品組裝，最后由產(chǎn)品分揀站進(jìn)行分揀。物料流分析的過程是不斷細(xì)化的過程，對于主件物料經(jīng)過的每個工作站都可以進(jìn)行詳細(xì)的物料流分析，例如對于主件供料站，物料是產(chǎn)品主件。產(chǎn)品主件物料放置在帶滾輪的斜坡滑道上后，物料滑動到滑道末端的物料平臺上。氣爪夾取物料，由傳送帶從供料站左側(cè)搬運到工作站右側(cè)。在第二站空閑情況下，物料被放置到下一站次品分揀站承載料平臺上。

2.2 自動化生產(chǎn)線中的信息流

現(xiàn)代機(jī)電一體化設(shè)備與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的本質(zhì)區(qū)別就是有信息流。在現(xiàn)代機(jī)電一體化系統(tǒng)中信息系統(tǒng)對于系統(tǒng)正確運行具有重要意義。現(xiàn)代制造企業(yè)的整個生產(chǎn)過程都伴隨著信息的采集、傳遞與加工處理。信息流涉及信息的讀取、識別、傳送、變換、處理和存儲等過程，是構(gòu)成任何機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法的基礎(chǔ)。自動化生產(chǎn)線控制的關(guān)鍵就是實現(xiàn)對生產(chǎn)信息流的控制。自動化生產(chǎn)線的信息流主要在檢測與傳感器裝置、人機(jī)界面設(shè)備和控制器等組成控制系統(tǒng)中“流動”。控制器根據(jù)從檢測裝置上獲取的檢測信息和來自于人機(jī)界面的指令信息進(jìn)行分析、變換、處理、決策，然后輸出控制信息并顯示相關(guān)信息。在自動化生產(chǎn)線中控制器是核心，一般采用PLC作為控制器。PLC是可編程控制器，主要通過完成入出的信息變換達(dá)到控制功能。在生產(chǎn)線上通常會安裝一定量的傳感器，在自動化生產(chǎn)線運行過程中，各種檢測信息會提供給PLC。PLC通過運行控制程序，向繼電器、電磁閥、指示燈等電器發(fā)出控制信息，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)線控制。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，自動化生產(chǎn)線上一般采用多個PLC組成控制網(wǎng)絡(luò)，每個PLC會根據(jù)分工去完成相應(yīng)的信息處理和控制功能。例如組裝好的產(chǎn)品到達(dá)IFAE平臺產(chǎn)品分揀站，工作站安裝的顏色識別傳感器會向PLC發(fā)出顏色檢測信息。根據(jù)產(chǎn)品分揀規(guī)則，PLC會記錄檢測結(jié)果，向氣動電磁閥發(fā)出命令，驅(qū)動氣爪把產(chǎn)品放置到不同滑道。

3 物料流和信息流在控制系統(tǒng)分析中的應(yīng)用

PLC使用方便、可靠性高、可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，能夠滿足自動化生產(chǎn)線的控制需要。IFAE平臺生產(chǎn)線由PLC控制實現(xiàn)，要了解其控制原理就需要深入控制現(xiàn)場，熟悉被控對象，全面詳細(xì)地了解被控對象的機(jī)械工作性能、基本結(jié)構(gòu)特點、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)過程。結(jié)合自動化生產(chǎn)線的特點，在IFAE平臺控制系統(tǒng)研究中，可以針對不同的工作站進(jìn)行物料流和信息流分析，不僅能夠清晰直觀地查看到物料移動情況，而且能夠看到物料流上每個點位所產(chǎn)生和接收的信息，以及相關(guān)執(zhí)行元件所接收的控制信息。

如圖1所示是IFAE平臺次品分揀站流分析圖。圖中用虛線箭頭表示物料流、實線箭頭表示信息流。根據(jù)物料在次品分揀站上的實際運行情況，可以進(jìn)行相應(yīng)的物料流分析。首先物料是產(chǎn)品主件，從圖1可以看到上一站來的物料被放置到承載物料平臺，然后經(jīng)過高度檢測位后，被搬運到到工作站右側(cè)位。之后部分物料被推入廢料倉，部分物料被推入下一站。對于每一個物料位，一般都會安裝有相應(yīng)的傳感器，可以向PLC提供物料信息。物料在不同位置的移動，離不開相應(yīng)的執(zhí)行裝置。這些執(zhí)行裝置本身一方面會接收PLC發(fā)出的控制信息，另一方面會向PLC提供相應(yīng)的動作、位置等檢測信息。例如物料平臺位安裝有搬運初始位和上料點有料檢測傳感器。通過這兩個傳感器PLC可以獲取搬運裝置是否處于初始位，物料平臺上是否放置物料的信息。PLC向同步帶驅(qū)動電機(jī)發(fā)出使能和方向控制指令到繼電器K1和K2，從而控制同步帶帶動物料移動到高度檢測位。高度檢測位同時向PLC提供高度檢測點是否有料和物料高度信息。根據(jù)以上分析，就可以在物料流基礎(chǔ)上繪制出相應(yīng)的信息流。此外，還可以在圖中添加標(biāo)注指令信息、端口信息、顯示信息等以完善整個系統(tǒng)信息方便系統(tǒng)的后期實現(xiàn)。

圖1 次品分揀站中的流分析圖

根據(jù)自動化生產(chǎn)線各工作站流分析圖，能夠方便地確定PLC控制系統(tǒng)的點數(shù)和主要的I/O分配，并且據(jù)此能方便地繪制出系統(tǒng)程序功能圖。利用程序控制功能圖，既可以幫助用戶理解PLC程序，又可以幫助用戶修改PLC程序，為自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計、改造與維修提供條件。

結(jié)束語：自動化生產(chǎn)線本身就具有“流”的特征，存在物料流和信息流。因此根據(jù)控制要求和生產(chǎn)工藝，通過對自動化生產(chǎn)線采用物料流和信息流分析，可以幫助用戶能更清晰地認(rèn)識自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)，從而能實現(xiàn)對自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)更好地使用和維護(hù)。