基于PLC 與組態(tài)軟件的工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工自動控制系統(tǒng)?

劉媛

(安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院, 安徽 蚌埠,233000)

工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工是其逐步實現(xiàn)自動化加工的關(guān)鍵一環(huán), 能妥善處理機械加工的高柔性與高自動化之間的矛盾[1]。社會大眾在科技不斷更新進步的過程中, 對于產(chǎn)品質(zhì)量及性能等也逐步提升, 使得各類工業(yè)產(chǎn)品的復(fù)雜度逐步升高而更替周期逐步縮短, 以往工業(yè)加工過程中所運用的大批量加工生產(chǎn)方式已無法滿足現(xiàn)階段需求。以往大批量生產(chǎn)過程中生產(chǎn)率與柔性之間存在著一定的制約, 無法達到高效率、工藝穩(wěn)定性以及規(guī)模性經(jīng)濟效益的目標[2-3]。工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工的出現(xiàn), 充分解決了工業(yè)加工過程中生產(chǎn)效率與柔性間的矛盾, 可充分發(fā)揮二者在加工中的重要作用, 以此提升產(chǎn)品質(zhì)量, 令產(chǎn)品的生產(chǎn)成本與周期均有所下降[4]。為有效管控工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工, 減少人力、降低工作強度, 同時為產(chǎn)品品質(zhì)與生產(chǎn)效率提供建筑保障, 需運用恰當?shù)目刂品绞綄崿F(xiàn)對柔性加工的自動控制[5]。

可編程控制器的性能在數(shù)字及微處理技術(shù)的持續(xù)發(fā)展過程中, 其性能也在不斷提升, 其中PLC 作為在計算機技術(shù)基礎(chǔ)上的一種數(shù)字運算控制裝置, 近些年發(fā)展迅速, 其特點為維護簡單、平穩(wěn)性高、較強的抗干擾性能以及可靠性強等, 因此近些年來在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用[6-7]。PLC 不但能夠充分取代以往的繼電器控制系統(tǒng), 而且能夠以此構(gòu)建較為煩瑣的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò), 因此在當前工業(yè)自動化控制中占據(jù)了主要地位[8]。而用于工業(yè)控制過程中的組態(tài)軟件, 屬于一種采集工業(yè)加工現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)并控制加工過程的專業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件, 可通過形式多變的組態(tài)方式集成系統(tǒng), 為系統(tǒng)提供簡便的工程實現(xiàn)方式及開發(fā)界面, 可以有效解決傳統(tǒng)工控計算機系統(tǒng)因人工編程軟件功能有限所導致的精確度低、通用性降低及工作量過大等問題[9-10]。

綜合以上分析, 本文以PLC 裝置作為硬件核心, 結(jié)合組態(tài)軟件為軟件核心, 設(shè)計一種工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工的自動控制系統(tǒng), 以期減少人力并降低人工工作強度, 為有效保障產(chǎn)品的品質(zhì)及提升生產(chǎn)效率奠定堅實的基礎(chǔ)。

1 工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工自動控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

為保障工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工的高效、平穩(wěn)及經(jīng)濟性, 設(shè)計結(jié)合PLC 與組態(tài)軟件設(shè)計自動控制系統(tǒng),以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工人性化管控為目的。所設(shè)計的工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工自動控制系統(tǒng)整體架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

其中,HMI 人機交互界面模塊可用于各類工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中, 其主要任務(wù)是現(xiàn)場組態(tài)與控制, 人機交互窗口較多,能夠?qū)崿F(xiàn)對柔性加工現(xiàn)場生產(chǎn)線情況的實時監(jiān)測及高效操控; 上位機監(jiān)控模塊主要以一臺上位監(jiān)控計算機為基礎(chǔ),這臺計算機主要運行管理軟件與組態(tài)監(jiān)控軟件, 可以實現(xiàn)所有信息的高效處理[11]; 中央控制臺模塊集成了現(xiàn)場總線DP 接口, 便于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建, 它的主要任務(wù)是為組態(tài)軟件, 遠程組態(tài)及監(jiān)測控制提供多個工作站, 實現(xiàn)對各個工作站的信息統(tǒng)籌及運作協(xié)調(diào);PLC 控制模塊由6 臺三菱FX5U PLC 構(gòu)成, 用于控制工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工過程中的6 個工作從站, 提升整體系統(tǒng)運行的可靠性; 通訊擴展模塊內(nèi)包括6 臺西門子6DD TDC EXM448 模塊, 其任務(wù)是向現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)接入6 個工作站。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 總體硬件構(gòu)成

圖2 主要描述了該系統(tǒng)的硬件組成情況。分析圖2 可知, 該系統(tǒng)的硬件由自動傳輸站、自動立體倉庫站、三維坐標測量站、加工站、安裝搬運站、拆卸分揀站以及中央控制臺組成。其主要工作流程為:管理員在中央控制臺中發(fā)布工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工任務(wù), 三維坐標測量站測量頭自動定位并測量工件三維坐標, 此時啟動合適的氣動機械手, 將加工站所加工的產(chǎn)品搬運至安裝搬運站, 通過自動傳輸車將產(chǎn)品傳送至拆卸分揀站, 將分揀完成的產(chǎn)品傳輸至立體倉庫站。各部分硬件的具體描述如下:

圖2 硬件組成圖

(1) 自動傳輸站: 主要由自動傳輸車、電氣動執(zhí)行元件、工業(yè)現(xiàn)場總線、總線接線電纜與接口、步進驅(qū)動單元以及人機界面等構(gòu)成, 經(jīng)由中央控制臺或手動調(diào)度自動傳輸車通過直線軌道向各個工作站傳輸工件,而傳輸車的機械臂具備可伸縮旋轉(zhuǎn)的性能;

(2) 自動立體倉庫站: 該部分的硬件包含電氣動執(zhí)行元件、三菱FX5U PLC、組合貨架、工業(yè)現(xiàn)場總線、步進驅(qū)動單元、總線接線電纜與接頭等, 能夠以各種預(yù)設(shè)方案為依據(jù)自行匹配倉庫區(qū)位, 將加工好的成品件與用于加工的原材料存放在此倉庫中;

(3) 三維坐標測量站: 此部分主要由PC 上位機、四軸PCI 運動控制卡、三菱FX5U PLC、現(xiàn)場總線接口與接線電纜、交流伺服控制單元等硬件構(gòu)成, 通過交流伺服控制單元驅(qū)動具備過載保護的測量頭自動定位并測量工件三維坐標;

(4) 加工站: 此部分的硬件構(gòu)成有CNC 數(shù)控機床、工業(yè)現(xiàn)場總線接口與接線電纜、接頭以及三菱FX5U PLC 等, 作為工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工的主站部分, 可以在CNC 數(shù)控程序的支持下進行加工控制;

(5) 安裝搬運站: 該部分主要包含六軸搬運機器人、三菱FX5U PLC、控制氣缸、電磁閥、壓裝裝置、工業(yè)現(xiàn)場總線接口與接線電纜等硬件, 此部分的任務(wù)是向安裝平臺處運送各個成品小工件, 并向大件對應(yīng)位置裝配各個小工件, 再通過機器人將裝配好的大件搬運至暫存處[12];

(6) 拆卸分揀站: 此部分的硬件組成為電氣動執(zhí)行元件、工業(yè)現(xiàn)場總線接口、接頭、接線電纜以及三菱FX5U PLC 等, 能夠自行拆卸成品件為各個小工件, 同時將所拆卸的各個小工件經(jīng)由傳送帶向外傳輸, 通過氣動機械手按類別分揀存放各個小工件;

(7) 中央控制臺: 該部分主要由組態(tài)監(jiān)控軟件、上位監(jiān)控計算機以及三菱Q00UJ CPU PLC 可編程控制器等構(gòu)成, 其功能是實現(xiàn)對每個工作站依序運作的有效協(xié)調(diào)及信息的合理統(tǒng)籌, 以及為系統(tǒng)提供組態(tài)軟件, 并利用該軟件實時監(jiān)控各個工作站運行狀態(tài)。

1.2.2 PLC 控制模塊硬件設(shè)計

PLC 控制模塊主要包含6 臺三菱FX5U PLC, 屬于系統(tǒng)的核心部分。以其中單個PLC 為例, 其硬件配置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 PLC 硬件配置結(jié)構(gòu)圖

PLC 通過指令形式向存儲器內(nèi)存儲邏輯運算與時序控制等程序, 并以所儲存的內(nèi)容為依據(jù), 采用輸入及輸出工件實施數(shù)字化與模擬等方式, 控制工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工過程與設(shè)備。它所運用的技術(shù)包括容錯與硬件冗余等技術(shù), 為了提升其整體運行的可靠性,用戶能夠?qū)ζ湔w或電源部分、通信部分以及CPU 部分等的冗余設(shè)置進行選擇[13]; 另外它通過結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信及計算機信息處理技術(shù), 實現(xiàn)其自身信息管理與控制性能的有效融合, 以期加強自身整體功能, 為當代大型工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工的管理及控制提供保障, 有效提升了加工的自動化控制效率與質(zhì)量。

1.2.3 PLC 輸入與輸出接線設(shè)計

PLC 各輸入、輸出點情況見圖4:

圖4 PLC 輸入與輸出接線圖

(1) 輸入點: 輸入點A1 為手動/自動選擇開關(guān), 由于生產(chǎn)線可以自動控制同時也可以手動控制, 首先通過此開關(guān)選取控制方式, 其中0 與1 分別表示手動和自動;A2 輸入點是生產(chǎn)線自動開啟按鍵;A3 輸入點是加工時急停按鍵;B1 與B2 輸入點分別為生產(chǎn)線控制器故障報警與完成加工信號;B3、C1、C2 及C3 輸入點依次為生產(chǎn)線后位、前位、上位及下位行程開關(guān);D1 輸入點為控制系統(tǒng)啟動的壓力開關(guān);

(2) 輸出點:D2～E3 輸出點為5 個電磁閥, 依次為生產(chǎn)線前進電磁閥、后退電磁閥、升高與降低電磁閥以及加壓電磁閥;F1 輸出點為開啟生產(chǎn)線控制器的繼電器;F2 和F3 輸出點分別為生產(chǎn)線故障與生產(chǎn)線故障報警指示燈。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.3.1 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制軟件設(shè)計

對系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)控制軟件進行設(shè)計, 具體如圖5 所示。

圖5 現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)控制軟件

經(jīng)由現(xiàn)場總線將工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工過程中每個工作站的控制信號、運作情況以及信息等傳輸?shù)街醒肟刂婆_模塊, 該模塊接收到后與上位機監(jiān)控模塊相連, 測試并編寫不同軟件。在強大的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的支撐下實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工過程中不同工作站間的信息交互, 并協(xié)調(diào)每個工作站的運行狀況[14]。在本文控制系統(tǒng)內(nèi)的中央控制臺模塊中, 應(yīng)用三菱Q00UJ CPU PLC 為主站, 工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工過程中的各個工作站作為從站。組態(tài)軟件的組態(tài)方式多變[15], 通過組態(tài)軟件可實時監(jiān)控加工過程并采集加工數(shù)據(jù), 系統(tǒng)在組態(tài)軟件優(yōu)越的界面監(jiān)控性能協(xié)助下, 實現(xiàn)自動控制。

1.3.2 軟件程序總體設(shè)計過程

系統(tǒng)軟件程序的總體設(shè)計過程見圖6。

圖6 軟件程序總體設(shè)計過程圖

當控制系統(tǒng)運作后, 系統(tǒng)的總控單元即為中央控制臺模塊內(nèi)的主站PLC; 當系統(tǒng)在自動運行的情況下時, 需為主站PLC 與各從站PLC均接通電源, 保證各個PLC均處于運行狀態(tài); 在各個從站與總線均可常規(guī)通信時, 系統(tǒng)即可開啟自動控制運行狀態(tài); 由各個從站PLC 所控制的工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工過程中的各個工作站可以現(xiàn)實加工狀況為依據(jù), 選取合適的自動控制程序與手動控制程序。

2 實驗結(jié)果分析

將本文系統(tǒng)應(yīng)用于某木門企業(yè)的工廠工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工管理中, 檢驗本文系統(tǒng)實際應(yīng)用中的自動控制效果, 以此獲取本文系統(tǒng)的應(yīng)用性能與價值分析結(jié)果。實驗?zāi)鹃T企業(yè)于2012 年成立, 屬于一家包含設(shè)計、加工及銷售等的中型民營企業(yè), 所生產(chǎn)木門有櫥柜門、入戶門、房門、毛坯門與護墻板等, 其加工車間的占地面積約為2 800 m2左右, 該企業(yè)在2019 年引入柔性加工生產(chǎn)線。在引用柔性加工生產(chǎn)線之前, 該傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)方案只能保證“排產(chǎn)”與“生產(chǎn)調(diào)度”, 實現(xiàn)不了在線質(zhì)量控制、車間物料規(guī)劃與控制、生產(chǎn)過程追溯、可視化過程監(jiān)控和生產(chǎn)狀態(tài)分析等, 導致產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量與效率大幅度降低, 因此將本文系統(tǒng)應(yīng)用至實際過程中, 以解決傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)方案存在的問題。

本文系統(tǒng)在實驗工廠工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工中的應(yīng)用場景如圖7 所示。

圖7 本文系統(tǒng)在實驗工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工中的應(yīng)用場景

2.1 控制效果檢驗

首先檢驗應(yīng)用本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)方案控制實驗工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工過程中, 自動傳輸車五次?？扛鱾€工作站點的停位誤差情況, 比較傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)方案與本文系統(tǒng)的自動傳輸車的停位誤差,所得結(jié)果如表1 與表2 所示。

表1 本文系統(tǒng)控制下自動傳輸車的停位誤差

表2 傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)方案控制下自動傳輸車的停位誤差

由表1、2 可知, 在本文系統(tǒng)的控制下, 實驗工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工過程中自動傳輸車的5 次停位平均誤差均低于1 mm, 總體停位誤差的平均值僅為0.962 mm; 傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)方案控制下, 自動傳輸車的5 次停位平均誤差均高于1 mm, 總體停位誤差的平均值為1.711 mm, 遠遠高于本文系統(tǒng)。說明與傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)方案相比, 本文系統(tǒng)可實現(xiàn)各工作站點的精準?？? 控制效果理想。

隨機選定4個工件, 在本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)方案控制下對各個工件實施三維坐標測量, 將所得測量結(jié)果與實際坐標相對比后, 獲得測量誤差情況見圖8。

圖8 三維坐標測量誤差

由圖8 可知, 在本文系統(tǒng)的控制下, 各個工件的三維坐標測量誤差均低于0.01 mm, 遠遠低于傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)方案, 其中x、y、z軸的平均測量誤差依次為0.003 3、0.008 5、0.002 4 mm, 測量精度高, 說明與傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)方案相比, 本文系統(tǒng)控制效果較好。

應(yīng)用本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)方案后, 檢驗拆卸分揀站的分揀性能, 分別統(tǒng)計拆卸分揀站分揀50～300 個小工件的用時情況與分揀錯誤率情況, 統(tǒng)計結(jié)果如圖9 所示。

圖9 本文系統(tǒng)控制下的分揀性能檢驗結(jié)果

分析圖9可知, 應(yīng)用傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)方案后, 實驗工廠工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工過程中拆卸分揀站隨著工件數(shù)量的增長分揀用時升高幅度較大, 且分揀錯誤率較高, 整體分揀性能不夠理想; 應(yīng)用本文系統(tǒng)后,拆卸分揀站的工件分揀用時與分揀錯誤率持續(xù)下降, 改善了分揀站的整體分揀性能, 為提升整個柔性加工的生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率提供了有效保障。

2.2 性能檢驗

選取吞吐量與丟包率作為檢驗指標, 檢驗本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)方案在實際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)處理性能, 設(shè)置數(shù)據(jù)處理量為1 500～10 500 條, 所得檢驗結(jié)果如圖10 所示。

通過圖10 可得出, 隨著系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)量的上升,傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)方案吞吐量與丟包率均呈現(xiàn)大幅度上升趨勢, 且吞吐量與丟包率這兩項指標均高于本文系統(tǒng)。而本文系統(tǒng)的吞吐量與丟包率均有所升高, 其中丟包率的整體升高幅度不大, 吞吐量的升高幅度相對較大, 由此可見, 本文系統(tǒng)在對大數(shù)據(jù)量實施處理時,具有較高的數(shù)據(jù)處理吞吐量及較低的丟包率, 出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況較少, 處理能力表現(xiàn)優(yōu)越, 可達到實際應(yīng)用需求。

圖10 數(shù)據(jù)處理性能檢驗

3 結(jié)論

為提升工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工的質(zhì)量與效率, 有效保證柔性加工經(jīng)濟性、平穩(wěn)性，達到人性化管控的目的, 本文設(shè)計了一種新的基于PLC 裝置硬件及組態(tài)軟件的工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工自動控制系統(tǒng), 將PLC 裝置硬件與組態(tài)軟件融合到軟硬件設(shè)計過程中, 構(gòu)建包含上位機監(jiān)控模塊、中控模塊、人機交互界面模塊、PLC 控制模塊及通訊擴展模塊等的工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工自動控制系統(tǒng), 并將本文系統(tǒng)應(yīng)用于某工廠工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工過程中, 檢驗本文系統(tǒng)的應(yīng)用性能。應(yīng)用結(jié)果表明, 在本文系統(tǒng)的控制下,實驗工業(yè)生產(chǎn)線柔性加工過程中自動傳輸車能夠精準?？扛鱾€工作站點, 總體停位誤差均值僅為0.962 mm; 可實現(xiàn)對各個工件三維坐標的精確測量, 總體測量誤差低于0.01 mm; 能夠有效降低工件分揀用時與分揀錯誤率, 改善整體分揀性能; 在處理大數(shù)據(jù)量時, 吞吐量較高且出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的概率較低, 綜合處理能力表現(xiàn)良好, 符合實際應(yīng)用需求。