基于PLC的柔性制造教學系統(tǒng)設計

段 莉，朱亞紅，周福斌

(重慶科創(chuàng)職業(yè)學院機電工程學院，重慶 永川 402160)

目前，高職院校為體驗生產(chǎn)線而研制的模擬加工生產(chǎn)線開放性教學系統(tǒng)多為基于三菱FX2N系列的柔性制造教學系統(tǒng).系統(tǒng)采用了氣動技術及計算機控制技術、模擬離散制造業(yè)工藝流程［1］.模塊單元包括:上料檢測站、安裝搬運站、原料加工站、工件安裝站、原料安裝搬運站、皮帶傳送站、無桿缸傳送站、分類入庫站.模塊間通過現(xiàn)場總線通訊(見圖1)，可大大縮短設計、加工、安裝及調(diào)試周期.通過柔性制造教學系統(tǒng)，教師可以根據(jù)學生的實際情況從設計、裝配、編程、故障排除等方面設計教學任務.學生可以通過FMS實訓將所學到的專業(yè)知識進行充分綜合應用，使技能得到充分訓練.該系統(tǒng)既可以將各站之間聯(lián)網(wǎng)控制，充分體現(xiàn)柔性的靈活性，也可以單站運行.本文所設計的方案為加工站單站運行方案.

圖1 裝配圖

1 加工站設計

加工站為典型生產(chǎn)線的第三站，實現(xiàn)工件鉆孔和測孔的功能.它主要包括以下幾個部分:四工位的旋轉(zhuǎn)工作臺、鋁型材臺面、檢測系統(tǒng)、電氣掛板、氣動二聯(lián)件和按鈕盒等.

1.1 硬件描述

本站裝配圖如圖2所示.

圖2 加工站裝配圖

鋁型材臺面各部分的名稱與功能:

(1)四工位的旋轉(zhuǎn)工作臺

1)由一直流電機控制，在每90°的位置設有接近塊，與安裝在鋁板上的電容式接近開關配合從而檢測每個90°位置.

2)第一工位下裝有一個光電開關，用于檢測第一工位有無工件.

3)第二工位用于夾緊工件并進行鉆孔，鉆孔時進給運動由氣缸完成，旋轉(zhuǎn)運動由另一電機完成.

4)第三工位用于加工后孔深的檢測，由測孔氣缸完成.

5)第四工位用于向后站搬運成品大工件.

(2)I/O 接口板:用于連接臺面電器元件和PLC 端口

(3)電磁閥組:用于控制桌面氣動元件

加工站接線端子排包括4 個部分:PLC 輸入接線端、PLC 輸出接線端、0 V 接線端子排和24 V接線端子排.

加工站的PLC 的I/O 接線采用單層接線端子排連接，端子排集中連接本工作單元所有電磁閥、傳感器等器件的電氣連接線、PLC 的I/O 端口及直流電源.

1.2 控制要求

上電后復位，回轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)使瞄準某90°位置，復位完畢后開始燈閃，按開始按鈕開始工作;等工件，直到一號位有工件時，工作臺轉(zhuǎn)90°，使第二工位有工件，則先夾緊工件，然后鉆孔;鉆孔完鉆頭回，夾緊裝置放松，工作臺再轉(zhuǎn)90°，使第三工位有工件，進行測孔工作;測孔完畢后測孔氣缸回，工作臺再轉(zhuǎn)90°，完成一個循環(huán);返回.

1.3 I/O 分配

(1)控制面板I/O 分配對照表:控制面板共有8 個操作按鈕，從左向右依次是:開始、復位、特殊、手動/自動、單/聯(lián)、停止、上電、急停.其中開始、復位、特殊、停止、上電5 個按鈕上安裝了操作指示燈.控制面板按鈕如圖3所示.

圖3 控制面板

(2)工作區(qū)I/O 分配表:加工站工作區(qū)I/O分配表如表1所示.

表1 工作區(qū)I/O 分配表

2 編程設計

2.1 任務分析加工控制流程圖

根據(jù)控制要求可知，本系統(tǒng)動作為順序控制流程結構.所謂順序控制流程，就是將復雜的控制過程分解為若干個工序(工步)，分清各個工序的動作細節(jié)(成立的條件、轉(zhuǎn)移條件、轉(zhuǎn)移目標)，將每個工序定義一個狀態(tài)器(稱為輔助繼電器，用M 表示)，再將各個工序按控制順序要求聯(lián)系起來，構成順序控制流程圖.加工站流程圖如圖4所示.

圖4 加工控制流程

2.2 控制系統(tǒng)程序設計

對于順序控制，編程方法很多，梯形圖(LAD)是與電器電路相呼應的圖形語言.它沿用了繼電器、觸頭、串并聯(lián)等術語和類似的圖形符號，還增加了一些功能性的指令.梯形圖是融邏輯操作、控制于一體，面向?qū)ο?、實時、圖形化的編程語言.梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列，最左邊的豎線稱為起始母線(也稱左母線)，然后按一定的控制要求和規(guī)則連接各個節(jié)點，最后以繼電器線圈(或再接右母線)結束，稱為一個邏輯行或一個“梯級”.通常一個梯形圖中有若干邏輯行(梯級)，形似梯子.梯形圖信號流向清楚、簡單、直觀.梯形圖(LAD)在PLC 中應用非常普遍，通常各廠家、各型號PLC 都把它作為第一用戶語言.

基于FX2N 的加工站梯形圖如圖5所示.

圖5 加工站參考程序

3 系統(tǒng)的運行和測試

本控制系統(tǒng)連接硬件設備主要是操作按鈕、傳感器、位置開關、氣閥等輸出控制設備以及PC機的連接.在測試中通過人為改變輸入狀態(tài)并通過操作臺指示、PC 機監(jiān)測相應的狀態(tài)變化是否符合設計功能要求，從而確定其正確性.

(1)通過手動控制上電、復位燈、開始燈、急停等按鈕測試控制面板的基本控制功能.經(jīng)測試，8 個站的控制面板所有按鈕都能正常工作.

(2)手動操作各個站的氣動閥門，測試各站各功能器件的功能.經(jīng)調(diào)試，各功能器件都能正常工作.

(3)根據(jù)設定的控制要求，調(diào)試加工站的功能，測試是否能夠正常運行.經(jīng)單站調(diào)試，該站都能獨立完成相應的控制功能.

4 結語

本課題研究為柔性制造教學系統(tǒng)的設計和開發(fā)提供了新的指導思想，為實現(xiàn)實用性、典型性和基于工作過程導向的高職柔性制造系統(tǒng)課程教學提供了行之有效的設計方案.

由于技術能力等方面的因素影響，本課題研究的基于PLC 的柔性制造教學系統(tǒng)，在功能上基本達到了課程實驗中對學生的教學要求，但還有需要改進的地方:一是在教學實驗系統(tǒng)運行的時候，單站和PLC 通過串口相連，此時計算機串口被占用，如果要進行各站之間的切換，則必須重新接線，下載PLC 程序，然后再運行相應單站的PLC 程序;二是進行該設備開發(fā)后，需盡快編寫與本設備配套的教材，制作與該設備配套的PPT 課件，使之能盡快應用于教學中.

［1］曹著明.柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的研究與實踐［J］.職業(yè)，2012(2):117 -118.

［2］魏鵬霄.生產(chǎn)過程自動化［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1983.

［3］Printschow G，Spur G，Weck M.柔性制造系統(tǒng)的控制技術［M］.上海:上?？茖W技術文獻出版社，1994:154 -168.

［4］吳啟迪.柔性制造自動化的原理與實踐［M］.北京:清華大學出版社，1997:58 -66.

［5］蘇州瑞思機電科技有限公司.自動化生產(chǎn)教學系統(tǒng)［R］.蘇州:蘇州瑞思機電科技有限公司，2009.

［6］Lewis R W.Programming industrial control systems using IEC［J］.The Institution of Electrical Engineers，2004，165(23):132 -147.