自動(dòng)化生產(chǎn)線中PLC技術(shù)應(yīng)用研究

吳燕峰

（閩江師范高等?？茖W(xué)校，福建 福州 350003）

0 引言

在工業(yè)化進(jìn)程的過(guò)程中，加強(qiáng)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，不斷提高生產(chǎn)線自動(dòng)化程度，能夠助力生產(chǎn)力的提升。PLC技術(shù)在自動(dòng)化控制方面得到了推廣，并在各生產(chǎn)線的各個(gè)工序的機(jī)器系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，能夠?yàn)樽詣?dòng)化程序開(kāi)發(fā)提供便利，同時(shí)確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行，成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要標(biāo)志。因此，應(yīng)加強(qiáng)自動(dòng)化生產(chǎn)線中PLC技術(shù)的應(yīng)用研究，從而提升工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平。

1 PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從本質(zhì)上來(lái)講，PLC技術(shù)將微處理器當(dāng)成基礎(chǔ)，通過(guò)集成計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等各種技術(shù)提供自動(dòng)化控制服務(wù)。作為可編程控制器，PLC能夠依靠存儲(chǔ)器進(jìn)行編程，并按照程序?qū)涌趥鬟f的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、處理和分析，生成相應(yīng)控制站指令，通過(guò)接口輸出至外接設(shè)備，達(dá)到驅(qū)動(dòng)控制目標(biāo)。在控制功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需要完成PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包含CPU、輸入/輸出模塊、編程設(shè)備、電源模塊等部分［1］。其中，CPU為核心部分，由微處理器和存儲(chǔ)器構(gòu)成。輸入/輸出模塊則為現(xiàn)場(chǎng)分布的接口，能夠用于連接設(shè)備。編程設(shè)備為關(guān)鍵控制設(shè)備，可以通過(guò)編程完成數(shù)據(jù)處理和生成控制指令，對(duì)PLC控制過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。電源模塊為部件提供交流電或直流電，能夠完成交變轉(zhuǎn)換。

1.2 應(yīng)用特點(diǎn)

應(yīng)用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種控制功能，則建立的PLC系統(tǒng)需要與生產(chǎn)線較好契合，維持流水線的安全、高效運(yùn)行。PLC具有通用性特點(diǎn)，能夠根據(jù)不同生產(chǎn)線作業(yè)運(yùn)行方式對(duì)不同的模塊進(jìn)行組合，確保滿足不同技術(shù)要求。與此同時(shí)，PLC具有較強(qiáng)應(yīng)用性，本身技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，市面上的各種PLC產(chǎn)品能為多元化、開(kāi)放式的通信協(xié)議提供支持，同時(shí)可以提供包含標(biāo)準(zhǔn)模塊的編程庫(kù)，可以為控制單元開(kāi)發(fā)提供便利。再者，PLC技術(shù)帶有一定靈活性，可以通過(guò)軟件工程實(shí)現(xiàn)核心功能，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單編程即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)流程控制，達(dá)到簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程和輕松實(shí)現(xiàn)各種控制功能的效果［2］。

2 自動(dòng)化生產(chǎn)線的PLC技術(shù)應(yīng)用

2.1 供料控制技術(shù)

在生產(chǎn)線中，供料單元需要將生產(chǎn)材料運(yùn)至物料臺(tái)上，為基本的執(zhí)行單元，以確保物料能夠達(dá)到后續(xù)各單元。應(yīng)用PLC技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)料模塊，需要實(shí)現(xiàn)氣缸活塞驅(qū)動(dòng)控制，以便通過(guò)活塞將物料從料倉(cāng)中推至料缸中，滑動(dòng)至指定工位，隨著輸送帶到達(dá)下個(gè)點(diǎn)位，方便機(jī)械手動(dòng)作。在供料單元完成送料動(dòng)作后，推料氣缸將自動(dòng)抽出，恢復(fù)到原本位置，進(jìn)行下一次循環(huán)作業(yè)。為滿足流水線作業(yè)要求，需要利用PLC的I/O點(diǎn)進(jìn)行單元網(wǎng)絡(luò)控制，設(shè)置一個(gè)主令信號(hào)輸出點(diǎn)，可以通過(guò)串行方式與輸送站PLC按鈕連接［3］。在單元發(fā)送信號(hào)后，借助PLC對(duì)緩沖器中存儲(chǔ)信號(hào)進(jìn)行提取，然后利用NET程序發(fā)送信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)啟停和復(fù)位控制。單元讀取信息后，可以反饋至中控系統(tǒng)中，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線各物料輸送點(diǎn)的單元?jiǎng)幼鬟M(jìn)行協(xié)調(diào)。

2.2 加工控制技術(shù)

待加工的物料或工件傳遞至加工區(qū)后，需要通過(guò)加工機(jī)構(gòu)處理。應(yīng)用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，形成的控制單元包含PLC模塊、接線端口、機(jī)加機(jī)構(gòu)、啟停按鈕等。在物料臺(tái)上的光電開(kāi)關(guān)在指定點(diǎn)位檢測(cè)到待加工物后，會(huì)向PLC單元發(fā)送信號(hào)，生成加工信號(hào)，驅(qū)動(dòng)加工機(jī)構(gòu)動(dòng)作。通過(guò)兩個(gè)輸入點(diǎn)，啟停按鈕可以向加工單元輸入信號(hào)，啟動(dòng)或停止單元運(yùn)作，確保在緊急狀態(tài)下可以停止機(jī)構(gòu)動(dòng)作，避免出現(xiàn)安全事故或?qū)е麓郎y(cè)物受損。產(chǎn)生的信號(hào)反饋至生產(chǎn)線的中控系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)分析和處理后將向各控制單元發(fā)送信號(hào)，將整個(gè)流水線作業(yè)停下。在正常工況下，機(jī)械加工機(jī)構(gòu)完成加工動(dòng)作后，將待測(cè)物放回物料臺(tái)，并向中控系統(tǒng)反饋信號(hào)，確保流水線持續(xù)作業(yè)。

2.3 裝配控制技術(shù)

應(yīng)用PLC技術(shù)設(shè)計(jì)裝配單元，包含機(jī)械手、回轉(zhuǎn)物料臺(tái)、啟動(dòng)系統(tǒng)等部分，通常采用傳感器進(jìn)行工件位置、姿態(tài)等信息檢測(cè)，并通過(guò)電磁閥實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元器件的啟?？刂啤Ｓ捎谘b配機(jī)械手需要完成抓取、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等多種動(dòng)作，因此要求選用的控制器包含多個(gè)輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)，能夠滿足各種器件的外接需求。通過(guò)編程方式，可以對(duì)各種動(dòng)作流程進(jìn)行編寫，并通過(guò)主程序進(jìn)行不同子程序調(diào)用，確保裝配單元能夠完成不同的裝配動(dòng)作，滿足不同產(chǎn)品裝配需求。在裝配單元設(shè)計(jì)過(guò)程中，不同設(shè)備組裝對(duì)壓力、位移等各項(xiàng)參數(shù)提出了不同要求，應(yīng)用PLC技術(shù)完成不同參數(shù)設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)作的精確控制，保證取得理想的裝配控制效果。

2.4 分揀控制技術(shù)

分揀單元通常位于生產(chǎn)線末端，需要對(duì)物品進(jìn)行分揀。在控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，包含傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電磁閥、接線端、PLC模塊等多個(gè)部分，通過(guò)光電傳感器進(jìn)行物品定位后，將信號(hào)傳遞至PLC控制模塊，根據(jù)系統(tǒng)存儲(chǔ)的信息發(fā)送轉(zhuǎn)向控制指令，在設(shè)定個(gè)數(shù)物品通過(guò)后，將改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方向，通過(guò)左、右兩側(cè)將物品傳送至不同分揀區(qū)。轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)控制指令，將通過(guò)電磁閥對(duì)氣缸動(dòng)作進(jìn)行控制，確?？梢酝瓿赊D(zhuǎn)向操作。利用PLC模塊下載系統(tǒng)程序，獲得電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度等固定參數(shù)，可以根據(jù)上位機(jī)信號(hào)進(jìn)行定長(zhǎng)觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制，完成回零、正向觸發(fā)、反向觸發(fā)等操作。通過(guò)I/O端口，中控系統(tǒng)可以獲得正向到達(dá)輸出、反向到達(dá)輸出等信號(hào)，根據(jù)預(yù)設(shè)程序進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)單元?jiǎng)幼鲉⑼？刂啤?/p>

3 PLC技術(shù)在罐頭生產(chǎn)線的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 項(xiàng)目概況

某罐頭生產(chǎn)線引進(jìn)了灌裝機(jī)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品灌裝生產(chǎn)，達(dá)到提高產(chǎn)線產(chǎn)能目標(biāo)。作為大型生產(chǎn)線系統(tǒng)，罐頭生產(chǎn)線在自動(dòng)化改造過(guò)程中需要分割成多個(gè)獨(dú)立工作站，并通過(guò)輸送線系統(tǒng)關(guān)聯(lián)互鎖實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，避免因單個(gè)小設(shè)備故障引發(fā)整條線停機(jī)。但在產(chǎn)線改造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在上游投料環(huán)節(jié)存在罐頭蓋上料系統(tǒng)故障率高的問(wèn)題，造成下游設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間等待來(lái)料或者無(wú)法跟上過(guò)快上料速度，引發(fā)物料損失和工序混亂情況。罐頭蓋上料系統(tǒng)投產(chǎn)效率達(dá)20個(gè)/s，一旦出現(xiàn)問(wèn)題將引發(fā)嚴(yán)重物料損失，并導(dǎo)致部分食材因長(zhǎng)時(shí)間接觸空氣出現(xiàn)不符合食品安全規(guī)定的問(wèn)題，無(wú)法滿足前后工序銜接要求。為進(jìn)一步提高產(chǎn)線自動(dòng)化水平，設(shè)立罐頭蓋移栽寄存工作站項(xiàng)目，應(yīng)用PLC技術(shù)完成封蓋機(jī)械手開(kāi)發(fā)，用于實(shí)現(xiàn)罐頭自動(dòng)封蓋作業(yè)，打通實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)的“最后一個(gè)環(huán)節(jié)”。

3.2 設(shè)計(jì)思路

按照工作站設(shè)計(jì)要求，需要實(shí)現(xiàn)封蓋機(jī)械手自動(dòng)控制，使機(jī)械手在工作臺(tái)上進(jìn)行水平和升降運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)至預(yù)定位置，然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使蓋子與下方罐頭筒體的中軸對(duì)正。在精準(zhǔn)定位的基礎(chǔ)上，下降至作業(yè)位置完成封蓋操作。通過(guò)建立三維模型對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，PLC的順序功能圖如圖1所示，機(jī)械手每次進(jìn)行循環(huán)作業(yè)，都需要完成左移、旋轉(zhuǎn)、下降、封蓋、上升、右移的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而完成罐頭蓋移載。按照連續(xù)軌跡動(dòng)作，需要對(duì)機(jī)械手在工作站內(nèi)的運(yùn)動(dòng)空間進(jìn)行插補(bǔ)分析，確定可以達(dá)到軌跡精度要求。與此同時(shí)，確認(rèn)機(jī)械手在沿著軌跡運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，完成靜止、加速、減速和靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換，避免帶來(lái)大的過(guò)程沖擊和振動(dòng)。而想要實(shí)現(xiàn)封蓋過(guò)程控制，需要合理設(shè)計(jì)PLC控制單元，確保能夠?qū)C(jī)械手的不同維度的伺服運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。具體來(lái)講，就是在PLC系統(tǒng)的CPU中實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃計(jì)算，將結(jié)果傳遞給運(yùn)動(dòng)控制模塊后，利用PVT（金字塔視覺(jué)深度學(xué)習(xí)）插補(bǔ)算法實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制。

3.3 硬件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上，需選用“三菱”Q系列模塊式PLC，配置有高性能CPU模塊、5槽基板、數(shù)字輸入/輸出模塊、電源模塊和通信模塊等，能夠提供RS485通道和RS232通道。其中，輸入/輸出設(shè)備及PLC的I/O分配見(jiàn)表1。通過(guò)基板實(shí)現(xiàn)各模塊的插接，能夠依靠?jī)?nèi)部總線實(shí)現(xiàn)模塊間的通信連接。利用數(shù)字輸入/輸出模塊進(jìn)行旋鈕開(kāi)關(guān)、工作站指示燈等各種元器件的連接，并通過(guò)RS232通道與上位機(jī)通信，可以避免設(shè)備間連線過(guò)多，達(dá)到提高系統(tǒng)通信穩(wěn)定性和可靠性的目標(biāo)。在工作站需要設(shè)置PLC主站，通過(guò)CC_link方式與上、下工序工作站的PLC從站通信，確保各工序能夠順利銜接?，F(xiàn)場(chǎng)PLC控制模塊可以連接各限位開(kāi)關(guān)、伺服放大器等，向多軸定位模塊輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)平移、升降和旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的伺服控制。系統(tǒng)伺服電機(jī)選用HC-SFS152型號(hào)，自帶增量編碼器，并配備“三菱”MR-J2S-200B型伺服放大器。通過(guò)RS485通道，系統(tǒng)可以與觸摸屏連接，輸入設(shè)置參數(shù)，通過(guò)運(yùn)算后向各驅(qū)動(dòng)裝置輸出控制信號(hào)。

表1 輸入/輸出設(shè)備及I/O分配表

3.4 軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，可知在機(jī)械手運(yùn)行軌跡數(shù)量有限的情況下，可以利用編號(hào)查表方式確定各插補(bǔ)點(diǎn)關(guān)節(jié)位置，并獲得對(duì)應(yīng)的速度信息［4］。通過(guò)將信息傳遞至位控模塊中存儲(chǔ)，系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定程序進(jìn)行信息調(diào)取，輸入到現(xiàn)場(chǎng)PLC控制模塊中實(shí)現(xiàn)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制。因此在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上，需要完成初始化功能、軌跡規(guī)劃、數(shù)據(jù)通信、手動(dòng)操作、自動(dòng)操作等程序開(kāi)發(fā)。在系統(tǒng)上電后，將進(jìn)入初始化程序，PLC能夠通過(guò)循環(huán)掃描方式在各運(yùn)行周期完成自檢、I/O更新、復(fù)位等操作，并啟動(dòng)數(shù)據(jù)通信功能，實(shí)時(shí)獲取上位機(jī)傳遞的信息，根據(jù)控制指令完成機(jī)械手軌跡規(guī)劃。通過(guò)手動(dòng)操作方式，可以對(duì)機(jī)械手運(yùn)行軌跡進(jìn)行調(diào)整，并在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)按鈕實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟?？刂?。啟動(dòng)自動(dòng)控制，可以在完成固定程序調(diào)用后實(shí)現(xiàn)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制。采用模塊化設(shè)計(jì)方式，將各獨(dú)立程序段編制成模塊，通過(guò)分層嵌套形式滿足模塊順序調(diào)用需求，能夠加快程序執(zhí)行速度。系統(tǒng)上位機(jī)采用Labview軟件提供人機(jī)界面，可以通過(guò)與PLC通信模塊通信實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、運(yùn)動(dòng)過(guò)程監(jiān)控等操作。進(jìn)入系統(tǒng)主界面后，可以點(diǎn)擊進(jìn)入伺服操作、動(dòng)畫顯示、開(kāi)關(guān)指示燈等各種界面，直觀查看機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，并通過(guò)點(diǎn)擊單軸實(shí)現(xiàn)尋零等電動(dòng)操作。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各程序模塊進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，最終可以順利實(shí)現(xiàn)軟件功能。

3.5 應(yīng)用分析

應(yīng)用設(shè)計(jì)的移載設(shè)備輔助上料系統(tǒng)開(kāi)展作業(yè)。如圖2所示，采用移載工作站能夠在滿足罐頭蓋基本投料要求的同時(shí)，保證罐頭上蓋自動(dòng)封蓋工序順利完成，避免生產(chǎn)線因上、下工序不銜接出現(xiàn)等待停機(jī)問(wèn)題，確保上、下游產(chǎn)能一致，使罐頭食材得到及時(shí)封閉，保證產(chǎn)品符合食品安全規(guī)定。在正常投料系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備能夠通過(guò)ABB集團(tuán)的6軸機(jī)器人完成罐頭蓋投料。發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)罐頭蓋不足，可以通過(guò)人工送料方式將罐頭蓋存儲(chǔ)到移載設(shè)備中。設(shè)備經(jīng)過(guò)自動(dòng)識(shí)別，可以將投料系統(tǒng)中的罐頭蓋移動(dòng)至設(shè)備內(nèi)部存儲(chǔ)，以滿足下次投放需求。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證可知，在投料系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，移載工作站可以在1 h內(nèi)完成2萬(wàn)多個(gè)罐頭蓋投放，約能減少5萬(wàn)元的生產(chǎn)效益損失，因此可以帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

圖 2 機(jī)械手現(xiàn)場(chǎng)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線建設(shè)，實(shí)際需要結(jié)合不同工位控制需求合理設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)，確保取得理想的單元控制效果。在罐頭蓋移栽寄存工作站的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)上，開(kāi)發(fā)封蓋機(jī)械手還應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)軌跡分析，根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制需求合理進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，確保能夠順利實(shí)現(xiàn)自動(dòng)封蓋作業(yè)。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證，可知PLC技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)線自動(dòng)運(yùn)行控制方面，可以保證設(shè)備穩(wěn)定工作，取得精確的控制效果，因此該技術(shù)具有較好的發(fā)展前景。