自動化生產線中PLC技術應用研究

吳燕峰

（閩江師范高等專科學校，福建 福州 350003）

0 引言

在工業化進程的過程中，加強科學技術的應用，不斷提高生產線自動化程度，能夠助力生產力的提升。PLC技術在自動化控制方面得到了推廣，并在各生產線的各個工序的機器系統中得到了廣泛的應用，能夠為自動化程序開發提供便利，同時確保系統可靠運行，成為實現現代化生產的重要標志。因此，應加強自動化生產線中PLC技術的應用研究，從而提升工業生產技術水平。

1 PLC系統結構及應用特點

1.1 系統結構

從本質上來講，PLC技術將微處理器當成基礎，通過集成計算機、網絡等各種技術提供自動化控制服務。作為可編程控制器，PLC能夠依靠存儲器進行編程，并按照程序對接口傳遞的數據進行篩選、處理和分析，生成相應控制站指令，通過接口輸出至外接設備，達到驅動控制目標。在控制功能實現過程中，需要完成PLC系統設計，包含CPU、輸入/輸出模塊、編程設備、電源模塊等部分［1］。其中，CPU為核心部分，由微處理器和存儲器構成。輸入/輸出模塊則為現場分布的接口，能夠用于連接設備。編程設備為關鍵控制設備，可以通過編程完成數據處理和生成控制指令，對PLC控制過程進行監控。電源模塊為部件提供交流電或直流電，能夠完成交變轉換。

1.2 應用特點

應用PLC技術實現各種控制功能，則建立的PLC系統需要與生產線較好契合，維持流水線的安全、高效運行。PLC具有通用性特點，能夠根據不同生產線作業運行方式對不同的模塊進行組合，確保滿足不同技術要求。與此同時，PLC具有較強應用性，本身技術發展相對成熟，市面上的各種PLC產品能為多元化、開放式的通信協議提供支持，同時可以提供包含標準模塊的編程庫，可以為控制單元開發提供便利。再者，PLC技術帶有一定靈活性，可以通過軟件工程實現核心功能，經過簡單編程即可實現自動化作業流程控制，達到簡化生產流程和輕松實現各種控制功能的效果［2］。

2 自動化生產線的PLC技術應用

2.1 供料控制技術

在生產線中，供料單元需要將生產材料運至物料臺上，為基本的執行單元，以確保物料能夠達到后續各單元。應用PLC技術設計進料模塊，需要實現氣缸活塞驅動控制，以便通過活塞將物料從料倉中推至料缸中，滑動至指定工位，隨著輸送帶到達下個點位，方便機械手動作。在供料單元完成送料動作后，推料氣缸將自動抽出，恢復到原本位置，進行下一次循環作業。為滿足流水線作業要求，需要利用PLC的I/O點進行單元網絡控制，設置一個主令信號輸出點，可以通過串行方式與輸送站PLC按鈕連接［3］。在單元發送信號后，借助PLC對緩沖器中存儲信號進行提取，然后利用NET程序發送信號，可以實現站點啟停和復位控制。單元讀取信息后，可以反饋至中控系統中，對整個生產線各物料輸送點的單元動作進行協調。

2.2 加工控制技術

待加工的物料或工件傳遞至加工區后，需要通過加工機構處理。應用PLC技術實現自動控制，形成的控制單元包含PLC模塊、接線端口、機加機構、啟停按鈕等。在物料臺上的光電開關在指定點位檢測到待加工物后，會向PLC單元發送信號，生成加工信號，驅動加工機構動作。通過兩個輸入點，啟停按鈕可以向加工單元輸入信號，啟動或停止單元運作，確保在緊急狀態下可以停止機構動作，避免出現安全事故或導致待測物受損。產生的信號反饋至生產線的中控系統，經過分析和處理后將向各控制單元發送信號，將整個流水線作業停下。在正常工況下，機械加工機構完成加工動作后，將待測物放回物料臺，并向中控系統反饋信號，確保流水線持續作業。

2.3 裝配控制技術

應用PLC技術設計裝配單元，包含機械手、回轉物料臺、啟動系統等部分，通常采用傳感器進行工件位置、姿態等信息檢測，并通過電磁閥實現執行元器件的啟停控制。由于裝配機械手需要完成抓取、旋轉、移動等多種動作，因此要求選用的控制器包含多個輸入點和輸出點，能夠滿足各種器件的外接需求。通過編程方式，可以對各種動作流程進行編寫，并通過主程序進行不同子程序調用，確保裝配單元能夠完成不同的裝配動作，滿足不同產品裝配需求。在裝配單元設計過程中，不同設備組裝對壓力、位移等各項參數提出了不同要求，應用PLC技術完成不同參數設置，能夠實現系統動作的精確控制，保證取得理想的裝配控制效果。

2.4 分揀控制技術

分揀單元通常位于生產線末端，需要對物品進行分揀。在控制結構設計上，包含傳動機構、轉向驅動機構、電磁閥、接線端、PLC模塊等多個部分，通過光電傳感器進行物品定位后，將信號傳遞至PLC控制模塊，根據系統存儲的信息發送轉向控制指令，在設定個數物品通過后，將改變傳動機構的運行方向，通過左、右兩側將物品傳送至不同分揀區。轉向驅動機構根據控制指令，將通過電磁閥對氣缸動作進行控制，確保可以完成轉向操作。利用PLC模塊下載系統程序，獲得電機旋轉角度等固定參數，可以根據上位機信號進行定長觸發，實現傳動機構的驅動控制，完成回零、正向觸發、反向觸發等操作。通過I/O端口，中控系統可以獲得正向到達輸出、反向到達輸出等信號，根據預設程序進行分析，實現單元動作啟停控制。

3 PLC技術在罐頭生產線的應用實踐

3.1 項目概況

某罐頭生產線引進了灌裝機實現產品灌裝生產，達到提高產線產能目標。作為大型生產線系統，罐頭生產線在自動化改造過程中需要分割成多個獨立工作站，并通過輸送線系統關聯互鎖實現連續運行，避免因單個小設備故障引發整條線停機。但在產線改造過程中發現，在上游投料環節存在罐頭蓋上料系統故障率高的問題，造成下游設備長時間等待來料或者無法跟上過快上料速度，引發物料損失和工序混亂情況。罐頭蓋上料系統投產效率達20個/s，一旦出現問題將引發嚴重物料損失，并導致部分食材因長時間接觸空氣出現不符合食品安全規定的問題，無法滿足前后工序銜接要求。為進一步提高產線自動化水平，設立罐頭蓋移栽寄存工作站項目，應用PLC技術完成封蓋機械手開發，用于實現罐頭自動封蓋作業，打通實現全自動生產的“最后一個環節”。

3.2 設計思路

按照工作站設計要求，需要實現封蓋機械手自動控制，使機械手在工作臺上進行水平和升降運動，移動至預定位置，然后通過旋轉運動使蓋子與下方罐頭筒體的中軸對正。在精準定位的基礎上，下降至作業位置完成封蓋操作。通過建立三維模型對機械手運動軌跡進行分析，PLC的順序功能圖如圖1所示，機械手每次進行循環作業，都需要完成左移、旋轉、下降、封蓋、上升、右移的運動過程，從而完成罐頭蓋移載。按照連續軌跡動作，需要對機械手在工作站內的運動空間進行插補分析，確定可以達到軌跡精度要求。與此同時，確認機械手在沿著軌跡運動的過程中，完成靜止、加速、減速和靜止狀態轉換，避免帶來大的過程沖擊和振動。而想要實現封蓋過程控制，需要合理設計PLC控制單元，確保能夠對機械手的不同維度的伺服運動進行控制。具體來講，就是在PLC系統的CPU中實現軌跡規劃計算，將結果傳遞給運動控制模塊后，利用PVT（金字塔視覺深度學習）插補算法實現伺服電機聯動控制。

3.3 硬件設計

在系統硬件設計上，需選用“三菱”Q系列模塊式PLC，配置有高性能CPU模塊、5槽基板、數字輸入/輸出模塊、電源模塊和通信模塊等，能夠提供RS485通道和RS232通道。其中，輸入/輸出設備及PLC的I/O分配見表1。通過基板實現各模塊的插接，能夠依靠內部總線實現模塊間的通信連接。利用數字輸入/輸出模塊進行旋鈕開關、工作站指示燈等各種元器件的連接，并通過RS232通道與上位機通信，可以避免設備間連線過多，達到提高系統通信穩定性和可靠性的目標。在工作站需要設置PLC主站，通過CC_link方式與上、下工序工作站的PLC從站通信，確保各工序能夠順利銜接。現場PLC控制模塊可以連接各限位開關、伺服放大器等，向多軸定位模塊輸出信號，實現平移、升降和旋轉電機驅動器的伺服控制。系統伺服電機選用HC-SFS152型號，自帶增量編碼器，并配備“三菱”MR-J2S-200B型伺服放大器。通過RS485通道，系統可以與觸摸屏連接，輸入設置參數，通過運算后向各驅動裝置輸出控制信號。

表1 輸入/輸出設備及I/O分配表

3.4 軟件設計

在系統功能實現過程中，可知在機械手運行軌跡數量有限的情況下，可以利用編號查表方式確定各插補點關節位置，并獲得對應的速度信息［4］。通過將信息傳遞至位控模塊中存儲，系統可以根據設定程序進行信息調取，輸入到現場PLC控制模塊中實現機械手運動控制。因此在系統軟件設計上，需要完成初始化功能、軌跡規劃、數據通信、手動操作、自動操作等程序開發。在系統上電后，將進入初始化程序，PLC能夠通過循環掃描方式在各運行周期完成自檢、I/O更新、復位等操作，并啟動數據通信功能，實時獲取上位機傳遞的信息，根據控制指令完成機械手軌跡規劃。通過手動操作方式，可以對機械手運行軌跡進行調整，并在現場通過按鈕實現設備啟停控制。啟動自動控制，可以在完成固定程序調用后實現機械手運動的自動控制。采用模塊化設計方式，將各獨立程序段編制成模塊，通過分層嵌套形式滿足模塊順序調用需求，能夠加快程序執行速度。系統上位機采用Labview軟件提供人機界面，可以通過與PLC通信模塊通信實現參數設置、運動過程監控等操作。進入系統主界面后，可以點擊進入伺服操作、動畫顯示、開關指示燈等各種界面，直觀查看機械手運行狀態和系統運行參數，并通過點擊單軸實現尋零等電動操作。通過對系統各程序模塊進行反復調試，最終可以順利實現軟件功能。

3.5 應用分析

應用設計的移載設備輔助上料系統開展作業。如圖2所示，采用移載工作站能夠在滿足罐頭蓋基本投料要求的同時，保證罐頭上蓋自動封蓋工序順利完成，避免生產線因上、下工序不銜接出現等待停機問題，確保上、下游產能一致，使罐頭食材得到及時封閉，保證產品符合食品安全規定。在正常投料系統發生故障時，設備能夠通過ABB集團的6軸機器人完成罐頭蓋投料。發現設備內罐頭蓋不足，可以通過人工送料方式將罐頭蓋存儲到移載設備中。設備經過自動識別，可以將投料系統中的罐頭蓋移動至設備內部存儲，以滿足下次投放需求。通過現場測試驗證可知，在投料系統停機時，移載工作站可以在1 h內完成2萬多個罐頭蓋投放，約能減少5萬元的生產效益損失，因此可以帶來可觀的經濟效益。

圖 2 機械手現場圖

4 結束語

應用PLC技術實現自動化生產線建設，實際需要結合不同工位控制需求合理設計控制結構，確保取得理想的單元控制效果。在罐頭蓋移栽寄存工作站的自動化控制設計上，開發封蓋機械手還應加強運動軌跡分析，根據運動控制需求合理進行軟硬件設計，確保能夠順利實現自動封蓋作業。經過反復測試驗證，可知PLC技術應用在生產線自動運行控制方面，可以保證設備穩定工作，取得精確的控制效果，因此該技術具有較好的發展前景。