基于PLC控制的柔性自動化生產線系統設計

［摘 要］隨著科技的發展，人類社會對產品的功能與質量要求越來越高，產品更新換代周期越來越短，復雜程度也隨之增加，傳統的大批量生產方式受到了挑戰，因此，研究柔性自動化生產線系統具有重要的現實意義。文章主要針對基于PLC 控制的柔性自動化生產線系統進行分析與設計，并利用計算機技術對生產過程進行集中監視、控制管理和分散控制。研究成果可大幅提高生產效率，降低成本，應對產品更新換代挑戰。

［關鍵詞］PLC ；柔性；自動化生產線；工業生產

［中圖分類號］TP278 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）03–0156–03

1 柔性自動化生產線系統總體設計

1.1 系統整體設計

柔性自動化生產線系統的整體設計要根據生產需求和工藝流程，設計合理的生產線架構，包括設備選型、布局和互聯互通。生產線架構應具備可擴展性、模塊化和易于維護的特點。

采用PLC 作為核心控制器，實現對生產過程的實時監控和調度。設計合理的控制邏輯，以滿足多種生產模式和生產策略的需求。同時，確保系統具備良好的穩定性和可靠性。根據生產過程的需求，選擇合適的傳感器和執行器，實現對生產過程中各種物理量的檢測和控制，如溫度、壓力、速度、位置等。實現生產線系統中各設備、模塊之間的通信與數據交換，采用合適的通信協議和總線技術，如以太網、CAN、Profibus 等。實現與上位機、MES 系統等其他信息系統的集成，以滿足生產數據的實時采集、分析和決策需求。設計直觀、易操作的人機交互界面，提供生產過程的實時監控、設備狀態查詢、故障診斷和報警等功能。同時，確保操作人員能夠方便地對生產過程進行干預和調整。針對生產過程中可能出現的危險和故障，設計相應的安全防護措施，如緊急停車、過載保護、漏電保護等，確保生產過程的安全性和穩定性。根據設備功率、運行速度和控制要求，設計合適的電氣系統，包括電源、配電、電氣保護等方面，確保電氣系統的可靠性和節能性。開發符合生產需求的軟件系統，包括生產過程控制、設備狀態監控、數據采集與分析等功能，軟件系統應具備良好的用戶體驗和易用性。對設計好的柔性自動化生產線系統進行調試和優化，確保系統能夠滿足生產要求，提高生產效率和降低成本。

通過以上設計，可以實現一個具備高度柔性、可擴展性和可靠性的自動化生產線系統。該系統能夠適應多種生產場景和產品需求，提高生產效率，降低生產成本，為我國制造業的發展提供有力支持。

1.2 供料單元設計

在柔性自動化生產線系統中，供料單元設計應滿足生產過程中物料的高效、穩定、安全、精確和自動化需求，實現物料準時、適量、有序地供給，以確保生產線的穩定運行。

供料單元應具備物料識別和檢測功能，以確保正確供給所需的物料，這可以通過采用條碼識別、RFID 技術、光學識別等技術實現。同時，設置光電開關、傳感器等裝置進行實時監測，確保物料供應的穩定性。根據生產工藝和物料特性，選擇合適的供料方式，常見的供料方式包括料斗、皮帶輸送、滾筒輸送、鏈式輸送等。在設計時，應考慮物料的輸送速度、輸送距離、傾斜角度等因素，以滿足生產節拍的要求。供料單元應設置物料緩存區，用于平衡生產線物料需求與供給之間的矛盾。在緩存區，可以采用自動化倉儲設備如立體倉庫、料倉等，實現物料的臨時存儲和管理。此外，設計物料調節裝置，如電磁閥、氣缸等，以實現物料流量的調節，確保生產線運行的穩定性。供料單元的控制系統是整個生產線運行的核心，通常采用可編程邏輯控制器（PLC）或工業控制計算機來實現供料單元的自動化控制。設計供料單元時應充分考慮安全性，避免物料在輸送過程中發生意外事故，可以采取的措施包括設置防護欄、地坑防護、電氣安全保護等。同時，設計易于維護的結構，便于日常檢修和保養。

1.3 裝配單元設計

柔性自動化生產線系統的裝配單元主要負責將各加工單元加工好的零部件進行組裝、調試和檢驗，形成完整的產品。

裝配單元的設計應滿足生產線高度靈活、可重構和智能化的要求，實現多種產品型號、批量和生產過程的快速切換。設計時需注重裝配效率、精度、穩定性和安全性。根據產品結構和裝配要求，制訂合理的裝配工藝路線，考慮裝配順序、工位設置、設備選型等因素，確保裝配過程的高效和順暢。選擇合適的裝配設備，如自動化裝配線、機器人、精密測量儀器等。設備布局要合理，確保生產線流程順暢，減少物料運輸和人員操作的時空距離。裝配單元的控制系統負責對各設備進行協同控制，實現自動化裝配。裝配單元應設置檢測設備，對裝配質量進行在線監測。通過測量、檢測和試驗等手段，確保產品質量符合要求。設計質量追溯系統，實現產品裝配過程的全程監控和數據采集。裝配單元設計時應充分考慮安全性，確保操作人員和設備的安全，可以采取的措施包括設置防護欄、地坑防護、電氣安全保護等。同時，設計易于維護的結構，便于日常檢修和保養。裝配單元應具備信息化功能，實現數據的實時采集、傳輸和分析。通過傳感器、監控設備等采集裝配過程中的關鍵數據，如裝配進度、設備狀態、故障報警等，并與其他單元共享數據。此外，設計數據看板，方便生產管理人員實時了解裝配單元的運行狀態，為生產決策提供依據。

1.4 暫存單元設計

柔性自動化生產線系統總體設計中的暫存單元，主要功能是在生產過程中暫時存放和整理物料，以滿足生產線高效、靈活運轉的需求。根據生產過程的需求和物料特性，選擇合適的暫存單元類型，如料架、料斗、輸送帶等。合理估算生產過程中物料的暫存需求，確保暫存單元具備足夠的容量，以免物料擁堵或等待時間過長。根據生產線布局和工藝流程，選擇合適的暫存位置，以便物料的快速流轉和操作人員的便捷操作。針對暫存單元，設計相應的控制系統，實現物料的自動進出、排序和搬運等功能，確保生產線的高效運行。在暫存單元中安裝傳感器和監測設備，實時監測物料的狀態和設備運行情況，便于及時調整生產策略。將暫存單元與生產線其他部分連接，實現數據的實時采集和傳輸，以便于生產過程的監控和分析。針對暫存單元可能產生的安全隱患，設計相應的安全防護措施，確保生產過程的安全穩定。暫存單元設計應考慮設備的維護和升級需求，確保生產線在長期運行過程中的穩定性和可靠性。

2 PLC控制系統設計

2.1 步進電機控制設計

PLC 控制系統設計中，步進電機控制設計是一個重要的應用領域。步進電機具有控制方式簡單、定位精度高、無累積定位誤差等優點，因此在工業生產中被廣泛應用。

一個基于PLC 的步進電機控制設計方案為：PLC步進電機控制系統主要由PLC、步進電機驅動器、步進電機、傳感器（如編碼器）及相關輸入/ 輸出接口組成。根據控制要求，選擇合適的PLC 型號、步進電機驅動器和步進電機。此外，還需選擇合適的傳感器（如編碼器）以實現位置和速度的檢測。編寫PLC程序，實現步進電機的控制，程序中需包括脈沖分配、速度控制、定位控制等功能。根據實際應用需求，設計合適的輸入/ 輸出接口，如開關、按鈕、顯示器等。設計電氣圖紙，包括PLC、驅動器、電機及傳感器等設備的接線和電路保護。對控制系統進行調試，確保各功能正常運行，并根據實際運行情況，對控制系統進行優化，以提高其性能和穩定性。

2.2 條碼掃描槍控制設計

在PLC 控制系統設計中，條碼掃描槍控制設計是一個常見的應用場景。條碼掃描槍作為一種數據采集設備，可用于讀取商品、物料等上的條碼信息，將數據傳輸至PLC，從而實現自動化識別和控制。PLC條碼掃描槍控制系統主要由PLC、條碼掃描槍、通訊接口模塊（如RS232或RS485）、傳感器及相關輸入/輸出接口組成。

根據實際應用場景和需求，明確條碼掃描槍的控制要求，設置條碼掃描槍的觸發方式，如手動觸發或自動觸發。數據傳輸上，選擇合適的通訊接口（如RS232或RS485），實現條碼數據與PLC 之間的傳輸。數據處理上，PLC 對接收到的條碼數據進行處理，如解碼、校驗、存儲等。輸出控制上，根據條碼數據實現PLC 對外部設備的控制，如驅動電機、執行器等。根據控制要求，選擇合適的PLC 型號、條碼掃描槍、通訊接口模塊等。此外，還需選擇合適的傳感器以實現條碼掃描槍的觸發。PLC 程序設計上，編寫PLC程序，實現條碼掃描槍的觸發、數據接收、數據處理和輸出控制等功能。輸入/ 輸出接口設計上，根據實際應用需求，設計合適的輸入/ 輸出接口，如觸發開關、顯示器等。電氣設計上，設計電氣圖紙，包括PLC、條碼掃描槍、通訊接口模塊等設備的接線和電路保護。系統調試與優化調試上，對控制系統進行調試，確保各功能正常運行，優化根據實際運行情況，對控制系統進行優化，以提高性能和穩定性。

2.3 雙作用氣缸控制設計

進行雙作用氣缸控制設計時，先明確雙作用氣缸的驅動方式、工作原理和動作順序等要求。雙作用氣缸通常具有兩個方向的運動，分別為伸出和縮回。在設計時，要確保氣缸在兩個方向上的運動都能得到有效控制。根據控制要求選擇PLC 型號，選擇具有足夠I/O 點數和功能的PLC。在選擇PLC 時，還要考慮其性能、可靠性、擴展性和性價比等因素。根據控制任務，確定所需的輸入設備和輸出設備，輸入設備包括按鈕、傳感器、開關等，輸出設備包括接觸器、電磁閥、指示燈等。編制梯形圖和語句表，實現對雙作用氣缸的控制。控制程序應包括氣缸的初始化、動作順序、保護措施等功能。根據控制程序和設備清單，設計PLC 控制柜圖紙和接線圖，接線圖應清晰、簡潔，易于理解和操作。

2.4 擺動機械手控制設計

設計擺動機械手時，要明確擺動機械手的驅動方式、工作原理和動作順序等要求。擺動機械手通常具有1 個或多個關節，可以實現一定范圍內的擺動運動。在設計時，要確保機械手在各個關節上的運動都能得到有效控制。根據控制要求選擇PLC 型號，選擇具有足夠I/O 點數和功能的PLC。在選擇PLC 時，還要考慮其性能、可靠性、擴展性和性價比等因素。根據控制任務，確定所需的輸入/ 輸出設備，輸入設備包括按鈕、傳感器、開關等，輸出設備包括接觸器、電磁閥、指示燈等。編制梯形圖和語句表，實現對擺動機械手的控制，控制程序應包括機械手的初始化、動作順序、保護措施等功能。根據控制程序和設備清單，設計PLC 控制柜圖紙和接線圖，接線圖應清晰、簡潔，易于理解和操作。

3 結束語

基于PLC 控制的柔性自動化生產線系統在促進產業升級方面具有重要意義。未來，隨著科技的不斷發展，PLC 控制技術將更加成熟，其在柔性自動化生產線領域的應用也將越來越廣泛。

參考文獻

[1] 華燁，李長峰，華海娣. 六氟化硫封閉式組合電器的運行維護[J]. 中國電力教育，2012，24（5）：114-115.

[2] 馬飛越，劉威峰，李奇超. 超聲波局部放電檢測在GIS自由顆粒缺陷檢測中的應用[J]. 寧夏電力，2016（10）：28.