小型加工生產(chǎn)線自動監(jiān)控系統(tǒng)的研究

王衍皓，楊匯軍，陳翔麟

小型加工生產(chǎn)線自動監(jiān)控系統(tǒng)的研究

王衍皓，楊匯軍，陳翔麟

（遼寧工業(yè)大學 電氣工程學院，遼寧 錦州 121001）

分析了供料與加工的工藝過程，給出了核心的監(jiān)控方案。利用光電開關(guān)等傳感器實現(xiàn)信號采集，并利用輸送電機、電磁閥等實現(xiàn)送料及加工過程的控制。采用了RFID識別供料信息；利用TIA博途軟件進行軟件設(shè)計及組態(tài)界面。采用以太網(wǎng)實現(xiàn)CPU與觸摸屏通信，并利用WINCC設(shè)計了監(jiān)控畫面。最后對程序模擬調(diào)試及監(jiān)控運行畫面調(diào)試，驗證了設(shè)計程序的可靠性，實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)線的氣缸推料、氣爪搬運、高度檢測、鉆孔加工的過程。

自動化生產(chǎn)線；PLC；S7-1200；TIA

小型工藝生產(chǎn)線主要采用西門子1200系列產(chǎn)品作為軟件，結(jié)合機械手、傳送帶、傳感器、氣缸等硬件，形成一條完整的生產(chǎn)線系統(tǒng)，同時本系統(tǒng)采用軟件自動控制，更加方便快捷[1]。

本系統(tǒng)主要采用PLC控制，SFC語言進行編程處理，采用傳感器進行檢測，機械手控制，傳送帶輸送物料，同時完成WINCC監(jiān)控界面設(shè)計，PC機與PLC之間通信；該生產(chǎn)線由PLC控制，實現(xiàn)全自動生產(chǎn)線的目標，監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控生產(chǎn)線運行狀況，以確保系統(tǒng)的安全性與可靠性[2-4]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 工藝過程分析

本設(shè)計系統(tǒng)分為2部分(供料單元和加工單元)，工藝如圖1所示。工藝過程主要包括進料、推料、抓取、檢測、加工及棄料等環(huán)節(jié)。每個特定工位均設(shè)置相應(yīng)的傳感器或者限位開關(guān)，識別物料的狀態(tài)及位置，來驅(qū)動電磁閥和氣缸動作。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計圖

系統(tǒng)運行時，當檢測到有物料時，傳送帶將原料運送到色標傳感器處，并記錄物料顏色，根據(jù)之前記錄的顏色信息，氣爪將物料放置到不同的料倉中；通過觸摸屏上的下單按鍵選擇需要加工的配料類型，氣缸會推出相應(yīng)顏色的物料，然后電機帶動傳送帶，使物料向前移動；同時擺渡氣爪抓取物料，完成物料到圓盤傳送，并由RFID讀取芯片數(shù)據(jù)信息，氣爪返回平臺位置。

物料放入轉(zhuǎn)盤后，圓盤轉(zhuǎn)動到檢測模組位置，對物料高度進行測試，如果物料檢測合格，圓盤順時針移動一定角度到加工模組位置，定位氣缸伸出將物料固定，由升降電機A和鉆孔電機B啟動，完成對物料進行加工；如果不合格，進入清除廢料工序；如果下一站沒有物料堆積，則推料氣缸上側(cè)氣缸推出，將物料推到傳送帶上，RFID將物料測量結(jié)果寫入芯片，之后下方傳送帶開始工作，物料到推料氣缸處停止，推料氣缸下側(cè)氣缸推出，將物料推入下一站，完成后推料氣缸回到初始位置[5-6]。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

本設(shè)計主要由WINCC監(jiān)控畫面來模擬代替下位機完成工件自動加工過程的控制，采用自定義運動變量來模擬演示自動化供料、加工的過程，使用開關(guān)量代替控制推料、取料、檢測、加工、分揀中各執(zhí)行器件的相關(guān)動作。

圖2 原理示意圖

本設(shè)計中采用西門子的S7-1214C PLC作為控制器，實現(xiàn)小型加工生產(chǎn)線的供料與加工工序自動測控，實現(xiàn)上位機組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計，自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)可以分成以下幾個層次：控制層、通信層、執(zhí)行層、監(jiān)控層[7]。PC機采用博圖軟件進行系統(tǒng)組態(tài)，利用監(jiān)控畫面監(jiān)測生產(chǎn)線運行狀態(tài)；控制器采用西門子S7-1214C DC/DC/DC PLC，被控對象為小型生產(chǎn)線，由供料單元和加工單元組成，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 CPU選型

該生產(chǎn)線控制器采用西門子S7-1200系列，該控制器硬件組成具有高度靈活性，CPU模塊將微處理器、電源、數(shù)字量輸入輸出電路、模擬量輸入輸出電路、以太網(wǎng)接口、高速運動控制功能組合到一個緊湊的外殼中，系統(tǒng)擴展十分方便。

2.2 擴展模塊選型

根據(jù)需求，數(shù)字量輸入采用SM1221 6ES7 221-1BH32-0XB0，有8點和16點數(shù)字量輸入。輸出模塊采用SM1222 6ES7 222-1BH32-0XB0，具有16點數(shù)字量輸出。

本系統(tǒng)中需要用到RFID射頻識別系統(tǒng)，故需要進行通訊模塊擴展。采用RF120C通訊模塊(6GT2 002-0LA00)實現(xiàn)與西門子工業(yè)識別系統(tǒng)的通訊。S7-1200 CPU1214C通過RF120C通信模塊，連接RF260R(6GT2 821-6AC10)讀寫頭，在TIA Portal V14軟件環(huán)境下，使用SIMATIC Ident指令塊對數(shù)據(jù)載體進行讀寫操作。

由于PLC需要24 V電源供電，采用PM1207電源模塊把220 V轉(zhuǎn)換成PLC可接受的24 V電源。

2.3 觸摸屏選型

本設(shè)計中，生產(chǎn)線自動監(jiān)控過程需要實時顯示，采用觸摸屏實現(xiàn)監(jiān)控界面的顯示，適用于不太復(fù)雜的可視化應(yīng)用，集成接口支持以太網(wǎng)通信方式，因此選用西門子KTP700 basic觸摸屏。

2.4 RFID選型

(1)閱讀器選型

閱讀器通過集成的天線從發(fā)送應(yīng)答器讀取信息，然后發(fā)送到SIMATIC S7控制器。根據(jù)存儲的發(fā)送應(yīng)答器信息，SIMATIC S7控制器執(zhí)行不同的控制任務(wù)。本設(shè)計選用閱讀器型號為SIMATIC RF685R。

(2)發(fā)送應(yīng)答器選型

發(fā)送應(yīng)答器貼到工件夾具上。標簽的空間方向始終相同。按此部署，每次只需檢測1個發(fā)送應(yīng)答器(單標簽)。本方案中的發(fā)送應(yīng)答器是SIMATIC RF640T類型的發(fā)送應(yīng)答器。

3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

小型生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)物料的供料、檢測和加工的運行，為實現(xiàn)這一控制目標，將整個控制程序模塊化。主要模塊包括供料單元、機器手傳送物料、檢測物料高度、加工物料、推料、料倉無料報警。根據(jù)本設(shè)計要求，繪制出主程序流程圖，如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 加工單元流程設(shè)計

物料在加工站工作時首先判斷檢測模組上是否有物料堆積，無物料堆積時，物料被放入檢測工位，進行物料高度檢測，并判斷物料高度是否合格；如果不合格進入棄料工序；如物料高度合格，物料到下一工位進行鉆孔加工。加工完成后推到成品料倉[8]。

3.3 供料單元流程設(shè)計

根據(jù)要求設(shè)計氣爪搬運物料的流程如圖6所示，首先使每個氣缸歸回初始位置，然后當傳送帶末端光電傳感器檢測到有物料時，氣爪開始工作，氣爪夾緊物料后氣爪x軸方向氣缸啟動，然后y軸氣缸啟動使氣爪到達檢測工位上方，之后x軸氣缸啟動放下氣爪，到達工位后氣爪松開，完成工序后氣爪回到初始化狀態(tài)[9]。

3.4 設(shè)備組態(tài)

本設(shè)計核心選擇CPU 1214C DC/DC/DC，訂貨號是6ES7214-1AG40-0XB0，對PLC進行設(shè)備組態(tài)，添加1個擴展通信模塊RC120C、4個16DI的輸入擴展模塊SM1221和2個16DO輸出擴展模塊SM1222，將它們組態(tài)到1個導(dǎo)軌上；添加HMI觸摸屏，選擇添加觸摸屏型號，本設(shè)計采用SIMATIIC精簡系列面板中7寸顯示屏KTP700 Basic，訂貨號是6AV2 123-2GB03-0AX0。

生產(chǎn)線所需設(shè)備添加成功后，對該生產(chǎn)線設(shè)備進行組態(tài)處理[10]。

在添加完P(guān)LC、PC、HMI、RFID后，整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由以太網(wǎng)連接起來，網(wǎng)絡(luò)視圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)視圖

4 模擬調(diào)試過程

4.1 畫面布局

畫面設(shè)計部分包括總貌畫面、供料和推料畫面、檢測和加工畫面、抓取畫面。畫面上顯示該生產(chǎn)線所實現(xiàn)的功能以及具體實現(xiàn)過程。其中總貌畫面包括供料站運行狀態(tài)、機械手運行狀態(tài)、加工站的運行狀態(tài)、檢測站的工作狀態(tài)和系統(tǒng)的報警情況，控制部分包括自動運行按鈕和急停按鈕。

4.2 仿真調(diào)試

準備就緒后，開始觸摸屏仿真調(diào)試。首先在總貌畫面中按下自動運行按鈕，供料站運行狀態(tài)指示燈、機械手運行狀態(tài)指示燈、加工站運行狀態(tài)指示燈和檢測站工作狀態(tài)指示燈亮綠燈，系統(tǒng)沒有故障報警燈不亮燈，傳送帶電機開關(guān)按下電機開始工作，系統(tǒng)啟動生產(chǎn)線自動有序地運行，運行狀態(tài)如圖6所示。

圖6 總貌畫面

在供料和氣爪搬運畫面中對供料和搬運功能進行仿真調(diào)試，檢測下殼上料點有料時，且物料傳送到顏色檢測位時，會選擇顯示顏色信息，物料繼續(xù)傳送，至傳送帶末端抓取點時，提升機氣爪運行向下抓取物料，進行一系列運送動作送至前后料倉中，當供料站前后側(cè)料倉物料不充足的時候，報警燈亮紅燈。物料充足時，當下端傳感器檢測到料倉下端有料后，推料氣缸工作，推料計數(shù)加1。仿真調(diào)試過程如圖7所示。

圖7 供料倉畫面

檢測工位有料時，檢測物料高度是否合格，如果合格轉(zhuǎn)盤電機轉(zhuǎn)動2 s使物料到加工工位，加工電機和鉆孔電機同時工作向下鉆孔加工，直到電磁鐵吸合鉆孔電機停止工作，加工電機上升同時轉(zhuǎn)盤電機轉(zhuǎn)動2 s使物料移動到圓盤下料工位；如不合格紅燈亮起，轉(zhuǎn)盤電機轉(zhuǎn)動4 s使物料直接到下盤工位進行棄料工序。仿真圖如圖8所示。

圖8 檢測和加工畫面

5 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計針對小型自動化生產(chǎn)線供料及加工站對象，參考工業(yè)自動化對該系統(tǒng)進行分析設(shè)計，并使用TIA完成該生產(chǎn)線程序、畫面的設(shè)計，使用HMI人機交換設(shè)備完成對該生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)計。實時監(jiān)控生產(chǎn)線運行狀況，及時修正問題，確保該生產(chǎn)線正常運行，提高生產(chǎn)線的安全性、可靠性、時效性。

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Study on Automatic Monitoring System of Small-scale Processing Line

WANG Yan-hao, YANG Hui-jun , CHEN Xiang-lin

（School of Electrical Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

The feeding and processing process is analyzed in this design, the core monitoring scheme is also given. In this paper, the signal acquisition is realized by using photoelectric switch and other sensors, and the control of feeding and processing process is realized by using conveying motor and solenoid valve. RFID is used to identify the feed information, and the software design and configuration interface are carried out by using TIA software. The communication between CPU and touch screen is realized by Ethernet, and the monitoring screen is designed by WINCC. Finally, the program simulation debugging and monitoring running screen debugging verify the reliability of the design program, and also realizes the process of cylinder pushing, gas claw handling, height detection and drilling in automatic production line.

automated production line; PLC; S7-1200; TIA

TN911

A

1674-3261(2021)04-0257-04

10.15916/j.issn1674-3261.2021.04.010

2020-11-07

遼寧工業(yè)大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(2020052)

王衍皓(1999-)，男(滿族)，遼寧本溪人，本科生。

楊匯軍(1970-)，女，遼寧凌海人，副教授，碩士。

責任編校：孫 林