基于PLC的自動化生產線實訓設備設計

曾一新，李有兵，林 勇

（廣州城建職業學院，廣州 510925）

0 引言

隨著中國制造2025的提出，企業處于產業轉型升級的關鍵時期，提出對現有的單一生產設備進行自動化升級改造的需求，急需一批掌握自動化生產線控制技術的機電人才。因此，機電從業人員學習與掌握PLC控制技術、變頻器控制技術、組態技術、電機控制技術、傳感檢測技術、氣動技術、通信技術等相關知識和技術是解決的首要任務。

國內外對自動化生產線控制系統做了大量研究。楊順吉等[1]基于PLC實現了化纖箱封箱、捆綁、稱重、噴碼、碼垛自動化生產線的自動化包裝生產線控制系統。郭蘭芳等[2]基于PLC對口罩生產線進行升級改造，實現了產能、效率及良品率的提升。張博等[3]基于PLC以太網通信的自動化生產線的實現。陳俊豪等[4]基于PLC實現螺栓連接件的自動化生產，對工廠的生產線自動化，對工廠的自動化生產線和教學都有一定的借鑒作用。廖斌等[5]提出一種基于PLC與組態軟件的水泥生產線控制系統的設計方案，提高系統自動化程度，提升了生產效率。陳寨群等[8]利用PLC強大的網絡通訊功能實現機械手搬運系統單元、貨物自動識別緩沖系統單元、堆垛系統單元和自動化倉庫系統單元進行連接組成一個完整的生產線培訓控制系統模型。上述文獻雖然涉及到了機電人員需要學習和掌握的相關技術，但是要么有的比較復雜，要么涉及到的技術點不全面，因而對于機電從業人員的學習和實踐存在一定難度。本文將利用S7-1200 PLC構成簡單的網絡，綜合應用PLC控制技術、變頻器控制技術、組態技術、電機控制技術、傳感檢測技術、氣動技術、通信技術等相關知識點，實現了工件的供料、輸送檢測、篩選、翻轉及分揀的功能[9]，功能相對簡單，利于機電從業人員和學生的學習和實踐。

1 自動化生產線實訓設備的設計原理

1.1 自動化生產線的功能

自動化生產線是產品生產過程所經過的路線，即按照生產流程，經過加工、運送、裝配、檢驗等一系列生產活動所構成的路線，實現自動生產，它將機械、電氣控制、傳感檢測、液壓氣動、計算機網絡等技術綜合應用，通過一些輔助設備按工藝過程將各種機械加工裝置有序連接，并控制液壓、氣壓系統及電氣系統，最終完成預定的生產加工任務。該自動化生產線實訓設備實現了工件的供料、輸送檢測、篩選推料、機械手翻轉、分揀的控制功能。

1.2 自動化生產線實訓設備的結構

自動化生產線實訓設備主要由供料單元、輸送檢測單元、篩選推料單元、機械手翻轉單元、分揀單元組成。其中，供料單元、輸送檢測單元、篩選推料單元、分揀單元由主站PLC控制，機械手翻轉單元由從站PLC控制，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

1.3 自動化生產線實訓設備的控制要求

自動化生產線設備的控制主要有原點回歸、手動模式、自動模式和安全保護。原點回歸要求：緊急停機、故障停機或設備檢修調整后，各執行機構可能不處于工作原點，系統上電后需進行原點回歸操作，各機構回到原點位置。手動操作模式要求：選擇“手動操作”工作模式，可在觸摸屏上分別對各執行機構的運動進行控制。自動操作模式要求：選擇“自動操作”工作模式，從站會自動檢測各執行機構原點位置，如果不在原點，則會自動回原點?？刂埔缶唧w如下幾點所示。

（1）按啟動按鈕，系統檢測供料裝置、篩選推料氣缸、龍門機械手各執行機構的原點位置。原點位置滿足執行步驟（2），不滿足，人機界面錯誤指示區會顯示“各機構請回原點”，并報警等待3秒后自動停機。

（2）供料裝置有物料執行步驟（3），若無料，人機界面錯誤指示區會顯示“請放入工件”，同時兩層信號指示燈的紅色、綠色指示燈會閃爍，并等待10 s，期間若有工件放入則執行步驟③，若等待時間到，系統自動停機。

（3）供料裝置推出工件，傳送帶高速傳送，檢測單元檢測工件的開口位置。非金屬工件經篩選推料單元中心位置時推出輸送帶到不合格產品集料器1，金屬工件在經過翻轉機械手處理后所有工件開口朝下，到達傳送帶尾部時經分揀搬運機械手進行分揀，黑色金屬工件放在集料器2，白色金屬工件放在集料器3。

（4）供料裝置內只要有工件，則供料單元送料氣缸會送出下一個工件，否則會等待10 s，人機界面錯誤指示區會顯示“請放入工件”，同時兩層信號指示燈的紅色、綠色指示燈會閃爍。

（5）若沒有放入工件，等待時間到，系統自動停機。

（6）自動運行過程中，兩層信號指示燈的綠燈亮。

（7）自動運行過程中，按“停止”按鈕，自動化生產線在分揀完成當前的工件后自動停機，兩層信號指示燈的紅燈亮。

安全保護的要求：變頻器因電機過載、過流、短路或輸入電壓過高等原因而保護停機時，人機界面錯誤指示區會顯示“變頻器故障”，并報警等待人工解除故障，自動生產線應立即停止運行。緊急或故障停機時，所有執行機構立即停止工作，若此時翻轉機械手氣動手指或分揀機械手吸盤有工件，均不允許跌落。故障停機后，應關閉電源后處理完故障方可重上電。緊急或故障停機兩層信號指示燈的紅燈閃爍，解除后紅燈轉為常亮狀態。翻轉機械手、分揀機械手在工作過程中不得與設備或輸送工件發生碰撞。

2 自動化生產線實訓設備的硬件設計

2.1 主從站輸入輸出設備及網絡連接

自動化生產線實訓設備主站PLC的輸入按鈕或開關、傳感器，輸出主要有指示燈、氣缸電磁閥、變頻器。從站PLC的輸入主要有傳感器，輸出主要有氣缸電磁閥和直流電機。系統通過路由器，把編程電腦、KTP600觸摸屏、主站和從站PLC連接起來，實現PLC之間的以太網通信、觸摸屏與PLC的組態數據通信、PLC和觸摸屏的程序下載，系統的輸入輸出設備及網絡連接如圖2所示。

圖2 輸入輸出設備及網絡連接

2.2 PLC主從站硬件組態及網絡拓撲

主站PLC由CPU模塊CPU 1214C DC/DC/DC（訂貨號：6ES7 214-1AG40-0XB0）、信號模塊SM 1223 DI16/DO16（訂貨號：6ES7 214-1BL32-0XB0）組成，從站PLC由CPU模塊CPU 1212C DC/DC/DC（訂貨號：6ES7 214-1AE0-0XB0）組成?？刂葡到y的觸摸屏采用5.7″的高亮度LCD TFT液晶顯示屏，分辨率為320×240，型號為KTP600 Basic PN（訂貨號：6AV6 647-0AB1-3AX0），該產品集成以太網接口。通過TIA Portal V15自動化集成軟件對控制系統進行組態，主從站PLC硬件組態及網絡拓撲如圖3所示。

圖3 主從站PLC硬件組態及網絡拓撲圖

2.3 變頻器的接線及參數設置

系統選用西門子變頻器MM440，采用外部開關量控制，PLC的輸出與變頻器的數字輸入信號DIN1-DIN4連接，以控制變頻器的啟停命令和頻率給定信號，系統通過外部數字輸入端實現多段速控制，加速時間為0.5 s，減速時間為0.5 s，參數需設置如表1所示。

表1 MM440的參數設置

2.4 步進電機驅動器的設置及接線

本系統設計選用的步進電機是四相八線步進電機，選用2H556型步進驅動器。四相八線步進電機接線方式分為并聯式接線。步進電機驅動器是與步進電機及上位主控單元一起組成步進控制系統，PLC與步進電機的接線如圖4所示。

圖4 步進電機接線圖

圖4中，PUL為脈沖信號，脈沖的數量、頻率和步進電動機的位移、速度成比例；DIR為方向信號，它的高低電平決定電動機的旋轉方向；ENA為使能信號，本設備讓其懸空。從接線可以看出，步進電動機驅動器接收控制器來的低電壓低功耗控制信號，為步進電動機輸出兩相脈沖功率電源。

在2HS556驅動器的側面連接端子中間有一個8位DIP功能設定開關，可以用來設定驅動器的工作方式和工作參數。驅動器的細分設置為2 000，靜態電流是動態電流的一般，工作電流的平均值為3.5 A。

3 自動化生產線實訓設備的軟件設計

3.1 主站PLC的I/O分配表

自動化生產線設備主站PLC的輸入主要有啟動、停止、復位、急停按鈕，手自動模式轉換開關，步進電機左右限位和原點檢測傳感器，工件的顏色、材質、姿勢識別傳感器，氣缸的上下或前后限位等相關傳感。主站PLC的輸出主要有控制步進電機的脈沖和方向信號，氣缸的下升或下降，吸盤的排氣或吸氣，推料氣缸的送料和推料及縮回，信號指示燈，變頻器的多段速控制信號。主站輸入和輸出的I/O地址分配具體如表2所示。

表2 主站I/O分配表

3.2 從站PLC的I/O分配表

自動化生產線實訓設備從站PLC的輸入主要有機械手翻轉單元的上下限位和左右限位，輸出主要有氣爪的升降、夾緊或松開及正反轉控制，從站輸入和輸出的I/O地址分配具體如表3所示。

表3 從站I/O分配表

3.3 TCP以太網通信組態及實現

主站與從站PLC是通過工業以太網連接并進行通信的，系統通過路由器或交換機用網絡雙絞線連接起來，組成工業以太網網絡。通過TIA Portal V15軟件在主、從站分別調用以太網通信功能模塊TSEND＿C和TRCV＿C進行組態，通過設置相應的參數，主站的組態結果如圖5所示，從站的組態結果類似。主站以太網通信功能模塊的組態結果所圖6所示，從站的組態結果類似。

圖5 主站TSEND＿C和從站TRCV＿C通信參數設置

圖6 主站TSEND＿C和TRCV＿C功能模塊的設置

3.4 軸工藝對象的組態及功能塊調用

在主站PLC中添加軸運動控制工藝塊，并對工藝對象進行組態，組態軸工藝對象分為對基本參數組態和對擴展參數組態。對軸的常規參數硬件接口的“選擇脈沖發生器”選擇為“Pulse＿1”,系統將自動分配它的輸出位置、脈沖輸出地址、方向輸出地址。分別對軸的擴展參數的驅動器信號、機械參數、位置監視，動態參數的加減速度和急停參數，回原點的常規原點信號設備和主動回原點的方式進行設置。其中主動回原點的組態參數設置如圖7所示，回原點和決對移位運動控制功能塊的參數設置如圖8所示。

圖7 主動回原點的組態參數設置

圖8 回原點和決對移位運動控制功能塊的參數設置

3.5 系統程序的控制流程設計

通過對控制系統控制功能的分析，控制系統的流程主要分為3部分：主站公共程序、主站順序控制流程和從站控制流程。

3.5.1 主站公共程序流程

公共程序是本系統程序的公共部分，包括了模式選擇部分、急停及復位部分、指示燈及蜂鳴部分。流程圖如圖9～11所示。

圖9 系統模式選擇流程

圖10 系統急停及復位控制流程

3.5.2 主站順序控制流程

主站控制程序是控制供料單元、輸送及檢測及推料單元和分揀單元。其控制流程如圖12、圖13所示，并需要把程序流程圖轉換為PLC梯形圖程序。

圖12 主站程序流程圖一

圖13 主站程序流程圖二

圖11 系統指示燈及蜂鳴控制流程

3.5.3 從站控制程序流程

從站控制程序是控制機械翻轉手單元的，其流程圖如圖14所示，并需要把程序流程圖轉換為PLC梯形圖程序。

圖14 從站程序流程圖

3.6 觸摸屏的畫面設計

KTP 600觸摸屏的畫面設計是由TIA Portal V15軟件設計，觸摸屏組態畫面設計如圖15所示。

圖15 組態畫面

4 實訓設備的實訓效果

經學生學習和實訓，該自動化生產線實訓設備能夠實施PLC控制、變頻器控制、組態、電機控制、傳感檢測、氣動、通信等針對知識和技能點的簡單實訓，也可以進行工件的供料控制、輸送檢測控制、供料輸送檢測篩選控制、機械手翻轉控制、分揀控制等局部單元實訓，還可以進行工件的供料、輸送檢測、篩選、翻轉、分揀的整體綜合控制實訓。學生通過單一實訓、局部單元實訓、系統整體聯調實訓，從簡單到復雜，由個體到單元，由單元到整體，循序漸進，能夠掌握傳感器的調試，氣動回路的調試，PLC的邏輯和順序功能圖的編程，三相異步電機的變頻的控制，直流電機的正反轉控制，步進電機的回原點、絕對移位、相對移位控制，組態的應用，TCP以太網的通信應用等相關知識和技能。也能夠分析控制系統的控制任務要求，實現順序控制流程圖的設計，培養了學生程序設計思維的能力，提升了學生自主分析問題和解決問題的能力，能夠更好的滿足當前企業對機電從業人員的技術技能需求。學生具備一定的技術基礎和分析問題和解決問題的能力，新知識和技術可以得到拓展，以更好的適應機電一體化設備的設計、安裝、調試等相關工作崗位，有更大的發展空間。

5 結束語

自動化生產線的自動化程度，代表了裝備制造行業科技的發展水平，隨著制造業的轉型升級，企業需要更多的自動化生產線安裝、調試、維護和設計的專業技術人才。自動化生產線實訓設備將PLC控制、變頻器控制、組態、電機控制、傳感檢測、氣動、通信等技術進行了整合，解決了當前企業實際所用自動化生產線復雜學習難度大和實訓內容單一綜合性不強的問題，便于學生掌握自動化生產線相關技術的綜合應用。經過教學實踐，自動化生產線實訓設備基本上能夠滿足學生的實訓要求，能夠使學生掌握PLC控制技術、變頻器控制技術、組態技術、電機控制技術、傳感檢測技術、氣動技術、通信技術等相關知識，提升職業技能水平。