基于PLC通信的模塊化生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)

廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳寨群

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景及發(fā)展

近幾年，隨著PLC制造工藝水平的不斷提高和CPU技術(shù)的發(fā)展使其穩(wěn)定性和性?xún)r(jià)比有了進(jìn)一步的提高，產(chǎn)品的類(lèi)型和擴(kuò)展功能也更加豐富。在硬件性能迅速發(fā)展的同時(shí)軟件方面也加快了更新速度，尤其是在網(wǎng)絡(luò)通信方面得到了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了各種不同的網(wǎng)絡(luò)連接方式，并且加強(qiáng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的兼容性。

生產(chǎn)線(xiàn)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)現(xiàn)代化的生產(chǎn)線(xiàn)控制設(shè)備是生產(chǎn)線(xiàn)控制現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，首先是要采用快速、高效、自動(dòng)化的生產(chǎn)線(xiàn)控制設(shè)備。(2)計(jì)算機(jī)管理可以對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理與優(yōu)化。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)與其他系統(tǒng)實(shí)時(shí)聯(lián)機(jī)，發(fā)送和接收信息，使生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)于生產(chǎn)制造、銷(xiāo)售等系統(tǒng)有機(jī)地聯(lián)系，可以提高生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的效益。(3)系統(tǒng)化與集成化生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：點(diǎn)多、線(xiàn)長(zhǎng)、面寬、規(guī)模大。生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)是把生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，看成一個(gè)整體，從系統(tǒng)化、集成化的概念出發(fā)去設(shè)計(jì)、分析、研究和改進(jìn)生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)，不追求系統(tǒng)內(nèi)個(gè)別部分的高效和優(yōu)化，而是力求整體系統(tǒng)的優(yōu)化和高效。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的

由于現(xiàn)代生產(chǎn)制造業(yè)的快速發(fā)展和信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，目前的生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)都采用了不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)提高生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的效率和效益。在生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)中，貨料的裝配、搬運(yùn)、運(yùn)輸必須協(xié)調(diào)完成，否則會(huì)出現(xiàn)貨料堆積和貨料不夠搬運(yùn)的現(xiàn)象。為了使貨料快速、準(zhǔn)確、安全入庫(kù)，我們必須把各個(gè)系統(tǒng)連接起來(lái)，組成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

應(yīng)用松下FP∑系列PLC聯(lián)網(wǎng)通信功能和PC－LINK網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，可以把16臺(tái)PLC通過(guò)鏈接單元連接起來(lái)組成PC-LINK網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使之組成多點(diǎn)結(jié)構(gòu)（1:N）的PLC網(wǎng)絡(luò)，即組成一種平等式總線(xiàn)型結(jié)構(gòu)的工業(yè)局域網(wǎng)。系統(tǒng)采用這種結(jié)構(gòu)可以提高可靠性，強(qiáng)化系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性及便于系統(tǒng)的維修和技術(shù)更新。通過(guò)模塊化的生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)模型來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)生活中生產(chǎn)線(xiàn)控制生產(chǎn)的全部過(guò)程，其原理不僅具有一致性，更可以在技術(shù)上采用實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)尚未采用的理論和技術(shù)。

1.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 FPΣ系列PLC的硬件鏈接圖示

生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)主要由管理層、控制層和執(zhí)行層三大部分組成。其中管理層是一個(gè)計(jì)算機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)控制管理軟件系統(tǒng)，是生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的中樞。它主要完成以下工作：接收上級(jí)系統(tǒng)的指令（如月、日生產(chǎn)計(jì)劃）并將此計(jì)劃下發(fā)；調(diào)度運(yùn)輸作業(yè)；管理立體倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存；統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)運(yùn)行情況；生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)信息處理。執(zhí)行層一般包括：自動(dòng)存儲(chǔ)/提取系統(tǒng)；輸送車(chē)輛；各種緩沖站。根據(jù)管理層、控制層和執(zhí)行層的不同分工，生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)層次的要求是不同的。對(duì)管理層要求具有較高的智能；對(duì)控制層要求具有較高的實(shí)時(shí)性；對(duì)執(zhí)行層則要求較高的可靠性。

設(shè)計(jì)舉例：立體倉(cāng)庫(kù)的管理控制：庫(kù)存管理，根據(jù)立體倉(cāng)庫(kù)原庫(kù)存情況和來(lái)自底層的出/入庫(kù)完成信息，管理立體倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存信息。(1)入庫(kù)管理：決定各種入庫(kù)申請(qǐng)的響應(yīng)順序，根據(jù)控制層發(fā)來(lái)的入庫(kù)申請(qǐng)或入庫(kù)條形碼信息為待入庫(kù)物料分配貨位，形成入庫(kù)任務(wù)。(2)出庫(kù)管理：根據(jù)緩沖站（加工緩沖站和工位緩沖站）發(fā)來(lái)的需料申請(qǐng)，結(jié)合當(dāng)前庫(kù)存情況，形成出庫(kù)任務(wù)。也可根據(jù)日滾動(dòng)生產(chǎn)計(jì)劃確定初始發(fā)料或?yàn)榇稳丈a(chǎn)的出庫(kù)安排形成出庫(kù)任務(wù)。(3)出/入庫(kù)協(xié)調(diào)：對(duì)出庫(kù)任務(wù)與入庫(kù)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化組合，把滿(mǎn)足條件的出庫(kù)任務(wù)和入庫(kù)任務(wù)組合成出/入庫(kù)聯(lián)合作業(yè)任務(wù)。根據(jù)運(yùn)輸任務(wù)的緊急程度和調(diào)度原則，決定運(yùn)輸任務(wù)的優(yōu)先級(jí)別（從眾多的物料需求申請(qǐng)中決定響應(yīng)順序），根據(jù)當(dāng)前運(yùn)輸任務(wù)的執(zhí)行情況形成運(yùn)輸命令和最佳運(yùn)輸路線(xiàn)。

生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控：(1)生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)狀態(tài)信息的采集：接收控制層發(fā)回的狀態(tài)報(bào)告，運(yùn)輸命令的完成，取消和修改報(bào)告。(2)生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)：對(duì)控制層發(fā)回的報(bào)告進(jìn)行分類(lèi)整理，在屏幕上用圖形顯示各個(gè)緩沖站的狀態(tài)，立庫(kù)狀態(tài)和設(shè)備運(yùn)輸狀況等。(3)異常情況的處理：檢查判別生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)狀態(tài)中的不正常信息，根據(jù)不同情況提出處理方案。(4)人機(jī)交互：提供管理人員查詢(xún)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，直接干預(yù)系統(tǒng)運(yùn)行。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為使生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)行，要求生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)具有以下功能：(1)氣動(dòng)機(jī)械手上升，下降限位控制。(2)氣動(dòng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)限位控制。(3)底盤(pán)機(jī)械旋轉(zhuǎn)角度的控制。(4)根據(jù)貨料顏色進(jìn)行識(shí)別控制。(5)貨物轉(zhuǎn)向系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)角度的控制。(6)巷道起重機(jī)精確存取貨物控制。(7)實(shí)現(xiàn)每臺(tái)PLC之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。(8)彩色監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話(huà)，實(shí)時(shí)顯示等功能。(9)輸送帶變頻調(diào)速控制。(10)檢測(cè)功能，檢測(cè)的正確與否，是生產(chǎn)線(xiàn)正常工作的保證。

PC-LINK網(wǎng)絡(luò)組成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可以不占用PLC的I/O口單元，只是占用內(nèi)部繼電器和數(shù)據(jù)寄存器，并且未使用的鏈接繼電器和鏈接寄存器仍可以作為內(nèi)部繼電器和寄存器使用。這樣就減少了在選擇PLC時(shí)對(duì)于I/O口的估計(jì)，提高所選擇PLC的性?xún)r(jià)比。實(shí)際選擇的PLC中也能夠減少I(mǎi)/O口單元的使用數(shù)量從而降低了PLC的價(jià)格，進(jìn)而降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的使用成本，提高了系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比。網(wǎng)絡(luò)采用總線(xiàn)型結(jié)構(gòu)，令牌傳遞信息的通信方式保證了信息的可靠傳遞，并且能夠方便的增加PLC的連接數(shù)量，有利于生產(chǎn)線(xiàn)的升級(jí)改造。此外，在出現(xiàn)故障時(shí)也易于及時(shí)檢修，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的使用效率。

根據(jù)上述的分析，結(jié)合實(shí)際情況，本系統(tǒng)應(yīng)采用的是由松下PLC構(gòu)成的分散式PC-LINK網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（如圖1所示）。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)單元使用工具口（RS232C）能夠與觸摸屏或計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。此外，我們還可選擇帶有RS232C和RS485接口的通信卡實(shí)現(xiàn)通信功能。全方位通訊功能意味著不僅能實(shí)現(xiàn)1：N通訊，而且通過(guò)PC-LINK網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)PLC最多達(dá)16站的鏈接繼電器與鏈接寄存器的鏈接功能操作。

根據(jù)計(jì)算機(jī)所發(fā)出的命令來(lái)監(jiān)測(cè)，控制正在運(yùn)行的PLC，并且PLC能夠?qū)⑦\(yùn)行的信息返回給計(jì)算機(jī)，在兩者之間實(shí)現(xiàn)會(huì)話(huà)層。計(jì)算機(jī)發(fā)送指令給PLC，PLC響應(yīng)（發(fā)送響應(yīng)信息）接收到的命令。PLC響應(yīng)來(lái)自計(jì)算機(jī)的命令并自動(dòng)返回響應(yīng)信息，因此PLC可以不用編寫(xiě)通信程序。

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