基于S7-1200直動(dòng)式限位開關(guān)裝配生產(chǎn)線仿真設(shè)計(jì)方案*

陳欣歡，常 輝

（安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 合肥230011）

科技的不斷創(chuàng)新，為企業(yè)生產(chǎn)提供了新的生產(chǎn)力。現(xiàn)有的直動(dòng)式限位開關(guān)裝配小型生產(chǎn)線，由于實(shí)際生產(chǎn)效率不高，工作不穩(wěn)定，生產(chǎn)線數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)共享和實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，因此需要對(duì)該設(shè)備進(jìn)行改良。為完善系統(tǒng)性能進(jìn)行該生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的信息化實(shí)施，借助數(shù)字化虛擬仿真環(huán)境對(duì)該設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化虛擬仿真調(diào)試，并驗(yàn)證方案。

1 系統(tǒng)搭建

直動(dòng)式限位開關(guān)裝配生產(chǎn)線由6個(gè)工作站組成：主件供料站、次品分揀站、旋轉(zhuǎn)工作站、方向調(diào)整站、產(chǎn)品組裝站以及產(chǎn)品分揀站。每個(gè)站主要包括：電機(jī)、限位開關(guān)、急停按鈕、自動(dòng)按鈕、手動(dòng)按鈕、自動(dòng)/手動(dòng)旋鈕等，通過西門子S7-1200PLC聯(lián)入到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)IOT2040并將數(shù)據(jù)上傳到云端，該生產(chǎn)線的系統(tǒng)搭建如圖1所示。

圖1 直動(dòng)式限位開關(guān)裝配生產(chǎn)線系統(tǒng)搭建示意圖

2 數(shù)據(jù)連接與應(yīng)用

2.1 PLC與WinCC之間的數(shù)據(jù)連接與應(yīng)用

為能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控PLC運(yùn)行狀態(tài)，利用WinCC監(jiān)控畫面實(shí)現(xiàn)對(duì)主件供料站運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控：當(dāng)前運(yùn)行模式、氣爪運(yùn)行方向及松緊狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行方向及使能狀態(tài)，同時(shí)向用戶提供操作平臺(tái)讓用戶可以對(duì)流程進(jìn)行簡(jiǎn)單地修改。

2.2 PLC與MCD之間的數(shù)據(jù)連接與應(yīng)用

使用MCD與PLC建立信號(hào)映射實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)字化，將設(shè)備調(diào)試值作為輸入變量鏈接入MCD的執(zhí)行器，以控制MCD仿真，同時(shí)將MCD中的輸出變量反饋至PLC中。

2.3 PLC與IOT之間的數(shù)據(jù)連接與應(yīng)用

利用智能網(wǎng)關(guān)IOT2040實(shí)現(xiàn)本地生產(chǎn)線與工業(yè)云平臺(tái)的對(duì)接，完成對(duì)指定數(shù)據(jù)的收集。使用5口交換機(jī)將PLC、智能網(wǎng)關(guān)、用戶電腦連接，配合已經(jīng)搭建完成的云服務(wù)器，通過MQTT協(xié)議進(jìn)行設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。

3 控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

3.1 功能分析與設(shè)計(jì)

3.1.1 系統(tǒng)總體功能

該生產(chǎn)線整體運(yùn)行功能為：首先，主料件從倉(cāng)庫(kù)出料，由氣爪搬運(yùn)到高度檢測(cè)處，通過傳感器進(jìn)行判斷是否為合格品。在將不合格品剔除后，合格品隨后進(jìn)入旋轉(zhuǎn)工作站通過判斷其位置狀態(tài)并進(jìn)行方向調(diào)整，使得最終主料件的方向處于符合組裝所需的狀態(tài)；然后，在產(chǎn)品組裝站將兩部分輔料件依次裝配到主料件上，完成產(chǎn)品的組裝；最后，進(jìn)入產(chǎn)品分揀站，通過顏色傳感器檢測(cè)將不同的產(chǎn)品分別分揀到相對(duì)應(yīng)的物料滑槽中。

（1）數(shù)字化虛擬仿真調(diào)試

通過虛擬仿真設(shè)計(jì)與調(diào)試程序，打開設(shè)備模型和機(jī)電概念設(shè)計(jì)（參考模型如圖2），用MCD來(lái)定義各種傳感器、執(zhí)行器、運(yùn)動(dòng)副和仿真序列，使得模型具備設(shè)備的基本功能，使用信號(hào)適配器建立IO信號(hào)，完成MCD與PLC的信號(hào)映射（如圖3），再通過PLC程序控制信號(hào)，根據(jù)MCD運(yùn)動(dòng)時(shí)序和仿真結(jié)果，完成PLC控制系統(tǒng)實(shí)施方案的設(shè)計(jì)、程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化虛擬仿真調(diào)試任務(wù)。

圖2 參考模型

圖3 信號(hào)映射

（2）物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)

通過以太網(wǎng)將PLC信號(hào)輸入到智能網(wǎng)關(guān)并上傳到云端，如圖4所示，從而可以監(jiān)控到設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、單個(gè)物料生產(chǎn)時(shí)間、自動(dòng)模式運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備停止次數(shù)、設(shè)備停止時(shí)間、故障次數(shù)、故障代碼并通過云端發(fā)送維護(hù)報(bào)文。

圖4 上傳網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)

3.1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該生產(chǎn)線的6個(gè)工作站的PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行交互，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖5所示。通過智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)將生產(chǎn)線運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到云端，并利用WinCC對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行組態(tài)和監(jiān)控。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3.2 設(shè)備選型

根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了設(shè)備選型。該生產(chǎn)線設(shè)備選型見表1所示。

表1 生產(chǎn)線設(shè)備選型一覽表

3.3 緊急停車及安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

3.3.1 系統(tǒng)安全分析

（1）模式切換保護(hù)

如果生產(chǎn)線需要切換模式時(shí)，只有在拍下急停按鈕后才可進(jìn)行模式切換/選擇。

（2）設(shè)備故障保護(hù)

生產(chǎn)線在運(yùn)行過程中發(fā)生故障時(shí)報(bào)警，會(huì)自動(dòng)斷開運(yùn)行模式。

（3）限位保護(hù)

在生產(chǎn)線傳送帶的前后兩端設(shè)有限位開關(guān)，當(dāng)電機(jī)觸碰到限位時(shí)，立即停止向當(dāng)前方向運(yùn)行。

（4）緊急停止

當(dāng)發(fā)生突發(fā)情況時(shí)，按下急停按鈕，系統(tǒng)立刻停止運(yùn)動(dòng)并保持在當(dāng)前狀態(tài)。

（5）短路保護(hù)

當(dāng)設(shè)備發(fā)生短路或過載時(shí)，空氣開關(guān)會(huì)自動(dòng)跳閘，防止發(fā)生意外事故。

（6）設(shè)備維護(hù)

系統(tǒng)由工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)上傳到云端并實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，云端服務(wù)器會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)分析自動(dòng)反饋維護(hù)建議，系統(tǒng)根據(jù)維護(hù)建議進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。

（7）虛擬調(diào)試

程序編寫完成時(shí)，可以使用虛擬仿真調(diào)試程序，可以防止程序出錯(cuò)引發(fā)意外事故。

3.3.2 緊急停車程序設(shè)計(jì)

當(dāng)設(shè)備發(fā)生緊急狀況時(shí)拍下急停按鈕，立即停止機(jī)器，防止傷害或者損失擴(kuò)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(lián)鎖程序設(shè)計(jì)

安全聯(lián)鎖是達(dá)到預(yù)先設(shè)置條件時(shí)采取的自動(dòng)操作，在生產(chǎn)過程中的事故狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車，以減少或避免事故發(fā)生，如圖7所示。

圖7 安全聯(lián)鎖程序

4 人機(jī)界面及功能設(shè)計(jì)

4.1 生產(chǎn)狀態(tài)查看界面

在主界面，點(diǎn)擊生產(chǎn)狀態(tài)查看、設(shè)備故障管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表等菜單，可以進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的查看，還可以進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置及設(shè)備I/O設(shè)置，如圖8所示。

圖8 主界面

4.2 生產(chǎn)狀態(tài)查看及系統(tǒng)設(shè)置界面

在生產(chǎn)狀態(tài)查看界面，可以查看A/B物料數(shù)量、校正數(shù)量、停止計(jì)數(shù)、停機(jī)時(shí)間。在系統(tǒng)設(shè)置界面，點(diǎn)擊回零、單步自動(dòng)、單步運(yùn)行、停止模式按鈕，可以強(qiáng)制進(jìn)入對(duì)應(yīng)的運(yùn)行模式。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用PLC控制裝配生產(chǎn)線，對(duì)主料件進(jìn)行高度檢測(cè)、次品分揀、方向調(diào)整、產(chǎn)品組裝及產(chǎn)品分揀等一系列步驟，通過S7-1200PLC聯(lián)入到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)IOT2040，將數(shù)據(jù)上傳到云端，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和數(shù)據(jù)管理，從而實(shí)現(xiàn)一體化工作，提高生產(chǎn)效率，工作穩(wěn)定，通過仿真實(shí)驗(yàn)證明，集成化的直動(dòng)式限位開關(guān)裝配生產(chǎn)線在實(shí)際工程中具有一定的工程價(jià)值。