基于PLC控制的自動化生產線教學設備

　　摘要：為適應教學的需要，使學生掌握PLC在工業自動化生產線上的應用，研制了基于PLC的鋁電解電容器裝配自動化生產線教學設備，介紹了該自動化生產線教學設備的結構、工作流程及PLC控制的實現。
　　關鍵詞：PLC；自動化生產線；教學設備
　　自動化生產線是在流水線的基礎上逐漸發展起來的，是一種先進的生產組織形式，是能實現產品生產過程自動化的一種機器體系。自動化生產線由工件傳送系統和控制系統組成，它不僅要求線體上各種機械加工裝置能自動地完成預定的各道工序及工藝過程，使產品成為合格的制品，而且要求按照規定的程序自動地進行工作。
　　PLC（可編程序控制器）是采用微機技術研制的工業自動化裝置，作為新一代的工業控制器，以其通用性強、靈活性好、運行可靠、易學易用、抗干擾性強等明顯特點，越來越廣泛地應用于工業自動化領域，成為自動控制的三大技術支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一。用PLC來控制自動化生產線這樣較復雜的生產設備，是理想的選擇。
　　為適應教學的需要，使學生更好地掌握PLC在工業自動化生產線上的應用，我院教學人員研制了基于PLC控制的自動化生產線教學設備，可以模擬企業中鋁電解電容器裝配自動生產的過程。該自動化生產線綜合應用了多種技術知識，如氣動控制技術、機械技術、傳感器應用技術、PLC控制和組網、步進電機位置控制和變頻器技術等，模擬一個與實際生產情況十分接近的控制過程。
　　一、自動化生產線系統的組成
　　鋁電解電容器裝配自動化生產線的組成：自動化生產線安裝在鋁合金導軌式實訓臺上，由供料站、裝配站、加工站、輸送站和分揀站共5個工作站組成，其組成結構圖如圖1所示。各工作站均設置一臺西門子S7-200系列PLC承擔其控制任務，各PLC的具體型號標示在圖上。另外，鋁電解電容器裝配自動化生產線設備是一套半開放式的設備，用戶在一定程度上也可根據自己的需要選擇設備組成工作站的數量、類型，最多可由5個工作站組成，最少時一個工作站即可自成一個獨立的控制系統。
　　設備中的各工作站均安放在實訓臺上，便于各個機械機構及氣動部件的拆卸和安裝、控制線路的布線、氣動電磁閥及氣管安裝。其中，輸送站采用了最為靈活的拆裝式模塊結構：組成該單元的按鈕/指示燈模塊、電源模塊、PLC模塊、步進電機驅動器模塊等均放置在抽屜式模塊放置架上；模塊之間、模塊與實訓臺上接線端子排之間的連接方式采用安全導線連接，最大限度地滿足了綜合性實訓的要求。
　　二、自動化生產線的工作流程
　　首先是鋁電解電容器的組成結構。鋁電解電容器由鋁殼、素子和膠粒組成，其結構示意圖如圖2所示。
　　鋁電解電容器裝配自動化生產線實訓教學設備的工作流程如圖3所示：供料站供料，將鋁殼（由黑、白二種顏色的塑料件代替）自動送出到物料臺上，由輸送站的機械手將鋁殼抓取送往裝配站的物料臺；裝配站將素子（由小圓柱塑料件代替）嵌入鋁殼完成裝配后，再由輸送站的機械手將裝配好的工件送到加工站的沖壓機構下面，完成一次沖壓加工操作后（模擬膠粒的封閉），然后再由輸送站的機械手將工件抓取送往分揀站的傳送帶；分揀站將加工后的成品進行分揀，使加工好的黑、白色的工件從不同的料槽分流。
　　輸送站是自動化生產線中最為重要同時也是承擔任務最為繁重的工作站，其機械手是一個能實現4個自由度運動（即上升下降、伸出縮回、夾緊松開及旋轉）的裝置，該裝置整體安裝在步進電機傳動組件的滑動溜板上，在傳動組件帶動下作直線往復運動，精確定位到指定工作站的物料臺，在物料臺上抓取工件輸送到指定地點然后放下。步進電機由步進電機驅動器進行驅動，其脈沖信號和驅動方向信號由輸送站的PLC控制，如圖1所示。
　　在分揀站中，采用異步電動機拖動傳送帶輸送物料。異步電動機的轉速及方向由變頻器來控制，而變頻器的啟停是由分揀站PLC控制，如圖1所示。
　　三、自動化生產線系統的軟件實現
　　鋁電解電容器裝配自動化生產線教學設備的控制系統采用STEP7 Micro/WIN V4.0的編程軟件。這是一款專為西門子公司S7-200系列小型PLC而設計的編程工具軟件，為用戶開發、編輯和監控自己的應用程序提供了良好的編程環境。它簡單易學，能夠解決復雜的自動化任務；同時支持STL、LAD、FBD三種編程語言，用戶可以根據自己的喜好隨時在三者之間切換；軟件包提供無微不至的幫助功能，即使初學者也能容易地入門；包含多國語言包，可以方便地在各語言版本間切換；具有密碼保護功能，能保護代碼不受他人操作和破壞。使用該軟件可根據控制系統的要求編制控制程序并完成與PLC的實時通信，進行程序的下載與上傳及在線監控。
　　四、PLC控制系統的通信
　　S7-200的通信接口為RS-485，通信協議使用PLC自帶標準的PPI協議進行數據通信。在使用PPI協議進行通信時，只能有一臺PLC或其他設備作為通信發起方，稱為主站，其他的PLC或設備只能被動地傳輸或接收數據，稱為從站。
　　在鋁電解電容器裝配自動化生產線中，5臺PLC分別控制5個工作站，因此需要將5臺PLC聯網，實現5臺PLC之間的數據傳送，完成自動化生產線的自動控制。在網絡中，指定輸送站為主站，其余各站為從站。各臺PLC之間通過RS-485串行通信實現互連，構成分布式的控制系統，如圖1所示。
　　鋁電解電容器裝配自動化生產線各工作站實現PPI通信組網的操作步驟如下：
　　1.設置各臺PLC的系統塊參數
　　使用PPI/RS485編程電纜分別對PPI網絡內每一臺PLC設置系統塊參數，即PLC地址和波特率的參數設置。PLC地址一般將輸送站的CPU系統塊的端口0設為1號站（主站），而將供料站、裝配站、加工站和分揀站的CPU系統塊的端口0分別設為2、3、4、5號站（從站），如圖1所示。另外，將5臺PLC的波特率統一設為187.5kbit/s，如果波特率不一致，可能會產生通信錯誤或失敗的現象。將5臺PLC的系統塊參數設置后，分別下載到各自的CPU。
　　2.計算機與主站、主站與從站之間的網絡連接
　　使用西門子專用的網絡連接器和連接線將每臺PLC連接成PPI網絡；將RS-485/RS-232PPI編程電纜插到主站PLC的帶編程接口的連接器上，運行STEP7-Micro/WIN軟件，刷新PPI網絡內每一臺PLC及其相應地址。若網絡通信正常，會在該窗口顯示出PPI網絡內每一臺PLC及其相應的地址。
　　3.編寫主站網絡讀/寫程序段
　　借助網絡讀寫向導程序，可以快速簡單地配置復雜的網絡讀/寫指令（NETR/NETW）操作，并初始化指定的PLC為PPI主站模式，同時使能網絡讀/寫操作。在PPI網絡中，只有主站程序中使用網絡讀寫指令來讀寫從站信息，而從站程序沒有必要使用網絡讀寫指令。輸送站擔任著主站的角色，它接收來自按鈕/指示燈模塊的系統主令信號，讀取網絡上各從站的狀態信息，加以綜合后，向各從站發送控制要求，協調整個系統的工作。
　　4.編寫控制程序并運行調試
　　編寫各站的控制程序，分別下載到各自的PLC，進行自動化生產線的整體程序運行及調試。
　　五、結 語
　　基于PLC的鋁電解電容器裝配自動化生產線教學設備在實訓室通過調試、運行，現已投入課堂教學，取得了良好的教學效果。此設備可以根據生產需要由學生自己編程并調試，不但使學生掌握氣動技術、PLC編程技術、傳感器與檢測技術、電機控制技術及自動化生產線的安裝與調試技術的綜合應用，而且使學生掌握自動化生產線設備現場管理和故障排除等技能，從而更好地培養學生的創新意識和動手實踐能力。
　　參考文獻：
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