工業(yè)自動生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)的設計研究

郭 棟

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 陜西 西安 710300)

0 引言

工業(yè)自動化生產(chǎn)線可編程控制器(programmable logic controller,PLC)控制系統(tǒng)的設計,需根據(jù)生產(chǎn)線的特點和實際情況,制定完善的系統(tǒng)設計方案和機制,確保控制系統(tǒng)的優(yōu)化性,提升工業(yè)自動化生產(chǎn)線的控制水平,為工業(yè)企業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展夯實基礎。

1 工業(yè)自動化生產(chǎn)線分析

工業(yè)自動化生產(chǎn)線指的就是工作人員根據(jù)工藝路線和順序要求,在工作地根據(jù)統(tǒng)一的生產(chǎn)節(jié)奏或速度,完成重復性和連續(xù)性的工藝作業(yè)任務。產(chǎn)品生產(chǎn)的工作中,從原材料進入現(xiàn)場、到原材料的加工和運輸、裝配和檢驗,整體工作具有連續(xù)性和持續(xù)性的特點,且工業(yè)自動化生產(chǎn)線的組成部分如圖1所示。其一,自動化加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將成組技術作為基礎部分,將外形尺寸、重量相似并且材料相同、工藝技術較為相似的零部件,在數(shù)控機床或是專業(yè)機床的設備上集中完成加工;其二,物流系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由多種類型運輸設備組合而成,例如:傳送帶設備、軌道設備、轉(zhuǎn)盤設備、機械手設備等,有效進行工件和刀具的供給處理和傳送處理,屬于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要部分;其三,信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是進行產(chǎn)品加工和運輸期間各類信息的采集、分析和反饋,利用計算機或是控制設備進行機床系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)的分級控制;其四,軟件系統(tǒng)。此類系統(tǒng)是柔性生產(chǎn)線中采用計算機的重要保障,主要涉及產(chǎn)品設計軟件、規(guī)劃軟件、生產(chǎn)控制軟件和監(jiān)測軟件等,能夠幫助工業(yè)企業(yè)有效完成各類產(chǎn)品的生產(chǎn)工作。

圖1 工業(yè)自動化生產(chǎn)線的組成

2 工業(yè)自動化生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)的設計措施

在工業(yè)自動化生產(chǎn)線中采用PLC技術,設計PLC控制系統(tǒng),需根據(jù)工業(yè)自動化生產(chǎn)線的特點和實際情況,完善PLC控制系統(tǒng)的模式和架構(gòu),確?？刂葡到y(tǒng)的良好設計和應用。

2.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)的設計

2.1.1 工作站設計

工業(yè)自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設計,主要是由不同獨立運行、相互關聯(lián)的工作站組合而成,具體的工作站如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)相互關聯(lián)的工作站

(1)上料檢測工作站

該工作站的設計,主要配置相應的料斗設備、回轉(zhuǎn)臺和工件滑道裝置、產(chǎn)品提升和檢測的裝置、光電開關和開關電源、可編程控制器與相應的按鈕、I/O接口板、電機設備和電磁閥設備等,主要用來進行上料臺中工件的傳送,使工件能夠運輸?shù)綑z測的位置,利用提升裝置將工件提升到預先指定的位置,對工件顏色進行檢測分析。

(2)搬運工作站

對于搬運類型的工作站而言,設計機械手設備、氣爪和回轉(zhuǎn)臺設施、電感式傳感器設施和開關電源的部分、可編程控制器及其按鈕部分、I/O接口板、各種類型的電磁閥設備和氣缸設備,用來將工件從上料檢測工作站運輸?shù)郊庸すぷ髡尽?/p>

(3)加工工作站

加工工作站主要設計回轉(zhuǎn)工作臺的設施、檢測缸和檢測工件轉(zhuǎn)臺到位傳感器設施、開關電源和可編程控制器、I/O接口板、減速電機設備與電磁閥設備、氣缸設備,通過回轉(zhuǎn)工作臺,使工件在工位上進行轉(zhuǎn)換,通過鉆孔單元進行工件的打孔,對打孔的深度嚴格檢測。

(4)搬運分揀工作站

搬運分揀工作站和搬運工作站的設計形式相同,主要是對加工之后的物料進行運輸,將其自動化搬運到指定位置,分揀站機械手分揀物料,將合格的物料輸送到傳送站,通過傳感器進行控制。

(5)傳送和安裝工作站

傳送工作站主要設計交流電動機設備、變頻器和傳送帶設備、傳感器和開關電源部件、可編程控制器部件和I/O接口板等,通過此類構(gòu)件,將已經(jīng)合格的物料傳輸?shù)絺魉蛶?利用傳感器進行信號的檢測,通過PLC系統(tǒng)完成變頻器的驅(qū)動,使電機開始轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)物料的運輸。如果物料已經(jīng)到達了預先設定的位置,傳感器檢測信號,PLC進行變頻器的驅(qū)動,電機設備停止運行;安裝工作站的設計,配置吸盤機械手設備、搖臂和料倉換位設備、工件推出和真空發(fā)生器設備、可編程控制器與I/O接口、電磁閥和氣缸,用來進行工件倉料的選擇,在倉庫中將工件推出,對工件進行安裝。

(6)安裝搬運站和分類工作站

首先安裝搬運站主要是平移和回轉(zhuǎn)工作臺設備、塔吊臂部件、機械手和氣爪部件、開關電源和可編程控制器部件、I/O接口板、電磁閥與氣缸組合而成,對上一個工作站的工件拿起,設置在安裝工位,將已經(jīng)安裝完成的工件拿起,設置在分類站;其次分類工作站的設計,主要是滾珠絲杠部件和滑杠推出部件、分類料倉設備與開關電源部件、可編程控制器設備和I/O接口、步進電機與驅(qū)動器設備、電磁閥和氣缸設備組合而成,需要根據(jù)工件的類型合理進行分類處理,使其能夠進入到不同的倉位。

2.1.2 控制技術模式的設計

工業(yè)自動化生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)的設計,每個工作站設置獨立運行的控制模塊,將各工作站有機物合成為整體系統(tǒng),能夠有效進行工業(yè)自動化生產(chǎn)線的控制。同時,每個工作站和PLC控制系統(tǒng)之間,通過標準電纜連接,利用電纜連接不同的傳感器和輸出控制設備,有效進行各類信號的傳輸,同時也可利用電纜完成不同工作站傳感器和控制器的控制,將電壓維持在合理范圍內(nèi)。另外,各個工作站都可利用控制面板進行PLC控制,確保工作站能夠按照要求運行,每個控制面板設置多個按鈕開關、選擇和急停開關,便于按照工業(yè)自動化生產(chǎn)線的實際情況,通過開關完成手動控制[1]。

2.1.3 工作過程的設計

工業(yè)自動化生產(chǎn)線的PLC控制系統(tǒng)設計過程中,為確?？刂葡到y(tǒng)的良好穩(wěn)定運行,需要科學合理完成工作過程設計,確保控制系統(tǒng)的良好、穩(wěn)定運行。首先,從上料檢測站根據(jù)相關的順序要求進行工件的順序排列,對其進行提升處理和送出處理,搬運工作站在上料檢測站對工件進行搬運處理,使工件能夠運輸?shù)郊庸ふ镜奈恢?。其?加工站自動化對工件進行加工處理,完成加工之后送出工位,搬運分揀站將已經(jīng)加工完成的工件,進行搬運的基礎上,合理進行正品和次品的分揀處理。最后,傳送站將分揀完成的工件,傳輸?shù)较乱粋€工作站,之后安裝搬運工作站進行工件的搬運處理,將工件運輸?shù)桨惭b工位,進行下放。安裝工作站將小工件裝入大工件,之后將完成裝配的工件輸送到分類站,對工件分類處理后運輸?shù)搅蟼}。

2.2 系統(tǒng)程序的設計

為確保工業(yè)自動化生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性,在進行系統(tǒng)程序設計的過程中,需要制定完善的程序設計方案和體系,保證整體設計工作的高質(zhì)量、有效性開展。

2.2.1 上料檢測站程序設計

對于上料檢測站而言,主要設計上下電按鈕、下復位按鈕、下開始按鈕,將工件和物料提升到升降臺,對貨臺的光電傳感器進行觸動,將氣缸通電之后上升處理,直到對傳感器氣缸的上眼進行觸動為止,升降臺停止運行。等待物料被運輸出去以后,氣缸失去電源,下降到下限位之后停運,升降臺下限傳感器在十秒鐘之后,如果未能檢測到相應的物體,報警燈就會亮起,產(chǎn)生鳴響,按下急停的按鈕之后,系統(tǒng)停運,之后重新進入上料檢測臺的操作[2]。

2.2.2 工件搬運站程序設計

對于工件搬運站而言,整體的控制程序主要是將上電按鈕按下之后,上電燈亮起,之后復位燈開始閃爍。將下復位按鈕按下之后,機械手處于放松的狀態(tài),上升臂也會出現(xiàn)縮回的現(xiàn)象,機械手向著左側(cè)的方向旋轉(zhuǎn),開始運行的指示燈閃爍,復位燈隨之關閉。在此之后將開始按鈕和調(diào)試類型的按鈕按下,機械手臂推出,機械手處于下降的狀態(tài),將工件和相應的物料夾緊,機械手的手臂開始逐漸上升,之后進行縮回,手臂向著右側(cè)的方向旋轉(zhuǎn)。在此之后,機械手的手臂伸出來,然后下降,機械手放松之后再次提升,縮回,向著左側(cè)方向旋轉(zhuǎn)[3]。

2.2.3 工件加工站和搬運分揀站程序設計

首先工件加工站程序設計過程中,按下上電按鈕,指示燈亮起,復位燈也會隨之閃爍,然后將復位按鈕按下,工作臺驅(qū)動電機設備進行旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)到位之后閃爍指示燈;按下開始的按鈕,傳感器進行工件的檢測分析,旋轉(zhuǎn)臺的部分按照系統(tǒng)的運行標準和要求等進行旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)到指定的位置后,進行加工臺的模擬,為加工臺提供輔助;其次對于搬運分揀站的程序,也需要設計上電、復位、開始的按鈕,完成工件的搬運和分揀,其他的工作站以此類推,通過對按鈕的設計,完成工作站操作。

2.3 通信系統(tǒng)設計

工業(yè)自動化生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)設計的過程中,需科學合理完成各類通信系統(tǒng)的設計工作,保證通信系統(tǒng)的功能符合要求,預防出現(xiàn)通信問題,避免因為通信不良使PLC控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性受到不利影響[4]。

2.3.1 總線存取設計

各個工作站之間的指令傳輸,通過主站和從站循環(huán)傳送,構(gòu)建單個或是多個主站的支持系統(tǒng),總線上設計不同的站點,通過點對點用戶數(shù)據(jù)通信的形式、廣播通信形式、循環(huán)主要和次要用戶數(shù)據(jù)通信的形式,完成各項通信操作。

2.3.2 循環(huán)數(shù)據(jù)交換設計

對于循環(huán)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)而言,能夠使PLC控制系統(tǒng)和分布式現(xiàn)場設備良好進行循環(huán)數(shù)據(jù)交換處理,主站發(fā)送相應的請求數(shù)據(jù)信息,從站接收后進行相應數(shù)據(jù)的反饋,確保各類數(shù)據(jù)的良好交換,為PLC控制系統(tǒng)的高效化運行提供通信保障[5]。

2.3.3 同步和鎖定功能設計

主站的部分向某個從站發(fā)送命令,也可向某組從站發(fā)送命令,從站接收命令后,進入同步運行的模式,所輸出的信息被鎖定,用戶數(shù)據(jù)傳輸期間,輸出數(shù)據(jù)在從站存儲,數(shù)據(jù)輸出維持在不變的狀態(tài),通過UN sync的命令解除同步模式。

3 工業(yè)自動化生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

3.1 集成化

工業(yè)自動化生產(chǎn)線中PLC控制系統(tǒng)的集成化發(fā)展,主要是將CPU、Risc芯片等相互集成,同時,采用可編程集成電路和專用集成電路芯片,改善PLC控制系統(tǒng)的集成度,確保軟件運行和硬件運行的效果。一方面,采用fpd平板顯示技術,提升整體系統(tǒng)的顯示器性能,降低顯示器的體積和功能消耗量。另一方面,在PLC系統(tǒng)中進行電路的高度集成,能夠降低電路連接的數(shù)量,改進整體電路性能,確保PRC控制系統(tǒng)的可靠性,提升工業(yè)自動化生產(chǎn)線控制效果[6]。

3.2 模塊化

PRC控制系統(tǒng)未來發(fā)展的過程中,可通過硬件模塊化的方式,使其呈現(xiàn)出模塊化的發(fā)展趨勢,按照各類控制功能需求,設計CP、PLC、通信等相關的模塊,使PLC控制系統(tǒng)的模塊化水平提升,確保能夠改善對工業(yè)自動化生產(chǎn)線的控制效果。同時,對控制系統(tǒng)進行模塊化構(gòu)建,還能達到無人化操作的目的,將自動化生產(chǎn)線和網(wǎng)絡平臺相連接,通過PLC控制技術進行機床的編程處理和操作運行控制,自動化完成生產(chǎn)線的控制任務,減少人員工作量,達到無人化操作的目的[7]。

3.3 精確化

精度和速度是工業(yè)自動化生產(chǎn)線中最為關鍵的技術指標,只有確保生產(chǎn)線控制的速度和精度符合標準,才能促使生產(chǎn)線的良好運行,因此,在未來發(fā)展的過程中,需重點完善工業(yè)自動化生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)的精確化體系和速度體系,采用高速CPU芯片和多CPU控制系統(tǒng)技術,利用分辨率較高的絕對式檢測元件交流數(shù)字伺服系統(tǒng),靜態(tài)和動態(tài)進行機床的控制,確保在PLC控制系統(tǒng)應用期間,能夠提高機床控制的精度和速度,提升自動化生產(chǎn)線運行水平。

3.4 專業(yè)化

雖然在工業(yè)自動化生產(chǎn)線中設計PLC控制系統(tǒng),能夠通過自動化控制的方式減少人員工作量,達到無人化操作的目的,但是PLC控制系統(tǒng)的應用,需要專業(yè)人才的支持,只有確?？刂葡到y(tǒng)的專業(yè)操作,才能預防出現(xiàn)工業(yè)自動化生產(chǎn)線的控制問題,因此,在未來發(fā)展的過程中需促使PLC控制系統(tǒng)的專業(yè)化發(fā)展。首先,對相關技術人員進行專業(yè)知識和技能的培訓,使所有人員都能掌握PLC控制系統(tǒng)的應用技能,游刃有余完成工業(yè)自動化生產(chǎn)線的控制任務。其次,制定完善的人員操作制度和體系,明確人員工作的標準規(guī)范,確保能夠提高PLC控制系統(tǒng)應用的專業(yè)性和規(guī)范性[8]。

4 結(jié)語

綜上所述,工業(yè)自動化生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)的應用,不僅能夠改善生產(chǎn)線的控制現(xiàn)狀,還能滿足控制工作創(chuàng)新發(fā)展的需求,具有重要意義。因此,建議工業(yè)企業(yè)在實際發(fā)展期間,重點設計工業(yè)自動化生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng),合理設計控制系統(tǒng)的架構(gòu),科學設計相關的控制技術模式和工作過程,完善系統(tǒng)程序,同時,在系統(tǒng)未來發(fā)展的過程中,還需重點提升其集成化和模塊化水平,使其向著精確化和專業(yè)化的方向進步。