基于S7-1200直動式限位開關裝配生產線仿真設計方案*

陳欣歡，常 輝

（安徽職業技術學院 機電工程學院，安徽 合肥230011）

科技的不斷創新，為企業生產提供了新的生產力。現有的直動式限位開關裝配小型生產線，由于實際生產效率不高，工作不穩定，生產線數據無法進行實時共享和實現動態監控，因此需要對該設備進行改良。為完善系統性能進行該生產線自動化控制系統開發，實現生產線的信息化實施，借助數字化虛擬仿真環境對該設備進行數字化虛擬仿真調試，并驗證方案。

1 系統搭建

直動式限位開關裝配生產線由6個工作站組成：主件供料站、次品分揀站、旋轉工作站、方向調整站、產品組裝站以及產品分揀站。每個站主要包括：電機、限位開關、急停按鈕、自動按鈕、手動按鈕、自動/手動旋鈕等，通過西門子S7-1200PLC聯入到工業物聯網智能網關IOT2040并將數據上傳到云端，該生產線的系統搭建如圖1所示。

圖1 直動式限位開關裝配生產線系統搭建示意圖

2 數據連接與應用

2.1 PLC與WinCC之間的數據連接與應用

為能夠實時監控PLC運行狀態，利用WinCC監控畫面實現對主件供料站運行狀況的實時監控：當前運行模式、氣爪運行方向及松緊狀態、電機運行方向及使能狀態，同時向用戶提供操作平臺讓用戶可以對流程進行簡單地修改。

2.2 PLC與MCD之間的數據連接與應用

使用MCD與PLC建立信號映射實現生產線設備數字化，將設備調試值作為輸入變量鏈接入MCD的執行器，以控制MCD仿真，同時將MCD中的輸出變量反饋至PLC中。

2.3 PLC與IOT之間的數據連接與應用

利用智能網關IOT2040實現本地生產線與工業云平臺的對接，完成對指定數據的收集。使用5口交換機將PLC、智能網關、用戶電腦連接，配合已經搭建完成的云服務器，通過MQTT協議進行設備間的數據傳輸。

3 控制系統分析與設計

3.1 功能分析與設計

3.1.1 系統總體功能

該生產線整體運行功能為：首先，主料件從倉庫出料，由氣爪搬運到高度檢測處，通過傳感器進行判斷是否為合格品。在將不合格品剔除后，合格品隨后進入旋轉工作站通過判斷其位置狀態并進行方向調整，使得最終主料件的方向處于符合組裝所需的狀態；然后，在產品組裝站將兩部分輔料件依次裝配到主料件上，完成產品的組裝；最后，進入產品分揀站，通過顏色傳感器檢測將不同的產品分別分揀到相對應的物料滑槽中。

（1）數字化虛擬仿真調試

通過虛擬仿真設計與調試程序，打開設備模型和機電概念設計（參考模型如圖2），用MCD來定義各種傳感器、執行器、運動副和仿真序列，使得模型具備設備的基本功能，使用信號適配器建立IO信號，完成MCD與PLC的信號映射（如圖3），再通過PLC程序控制信號，根據MCD運動時序和仿真結果，完成PLC控制系統實施方案的設計、程序的設計，實現數字化虛擬仿真調試任務。

圖2 參考模型

圖3 信號映射

（2）物聯網智能網關

通過以太網將PLC信號輸入到智能網關并上傳到云端，如圖4所示，從而可以監控到設備運行時間、單個物料生產時間、自動模式運行時間、設備停止次數、設備停止時間、故障次數、故障代碼并通過云端發送維護報文。

圖4 上傳網關數據

3.1.2 系統網絡拓撲結構

該生產線的6個工作站的PLC通過工業以太網進行交互，網絡拓撲圖如圖5所示。通過智能物聯網關將生產線運行相關數據上傳到云端，并利用WinCC對系統運行進行組態和監控。

圖5 系統網絡拓撲結構圖

3.2 設備選型

根據生產工藝的要求，對各個模塊進行了設備選型。該生產線設備選型見表1所示。

表1 生產線設備選型一覽表

3.3 緊急停車及安全聯鎖設計

3.3.1 系統安全分析

（1）模式切換保護

如果生產線需要切換模式時，只有在拍下急停按鈕后才可進行模式切換/選擇。

（2）設備故障保護

生產線在運行過程中發生故障時報警，會自動斷開運行模式。

（3）限位保護

在生產線傳送帶的前后兩端設有限位開關，當電機觸碰到限位時，立即停止向當前方向運行。

（4）緊急停止

當發生突發情況時，按下急停按鈕，系統立刻停止運動并保持在當前狀態。

（5）短路保護

當設備發生短路或過載時，空氣開關會自動跳閘，防止發生意外事故。

（6）設備維護

系統由工業物聯網上傳到云端并實時監控系統當前的運行狀態，當發生故障時，云端服務器會根據數據分析自動反饋維護建議，系統根據維護建議進行設備維護。

（7）虛擬調試

程序編寫完成時，可以使用虛擬仿真調試程序，可以防止程序出錯引發意外事故。

3.3.2 緊急停車程序設計

當設備發生緊急狀況時拍下急停按鈕，立即停止機器，防止傷害或者損失擴大。緊急停車程序如圖6所示。

圖6 緊急停車程序

3.3.3 安全聯鎖程序設計

安全聯鎖是達到預先設置條件時采取的自動操作，在生產過程中的事故狀態下實現自動停車，以減少或避免事故發生，如圖7所示。

圖7 安全聯鎖程序

4 人機界面及功能設計

4.1 生產狀態查看界面

在主界面，點擊生產狀態查看、設備故障管理、生產數據報表等菜單，可以進行相關數據的查看，還可以進行系統設置及設備I/O設置，如圖8所示。

圖8 主界面

4.2 生產狀態查看及系統設置界面

在生產狀態查看界面，可以查看A/B物料數量、校正數量、停止計數、停機時間。在系統設置界面，點擊回零、單步自動、單步運行、停止模式按鈕，可以強制進入對應的運行模式。

5 結束語

本設計采用PLC控制裝配生產線，對主料件進行高度檢測、次品分揀、方向調整、產品組裝及產品分揀等一系列步驟，通過S7-1200PLC聯入到工業物聯網智能網關IOT2040，將數據上傳到云端，應用計算機對系統進行設置和數據管理，從而實現一體化工作，提高生產效率，工作穩定，通過仿真實驗證明，集成化的直動式限位開關裝配生產線在實際工程中具有一定的工程價值。