基于工業(yè)自動生產(chǎn)線及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實驗平臺的設(shè)計

摘要： 針對我國高等院校自動控制領(lǐng)域的實驗教學(xué)要求，以及目前工業(yè)自動生產(chǎn)線及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用，考慮到目前對應(yīng)的實驗教學(xué)方法和實驗設(shè)備，提出了對工業(yè)自動生產(chǎn)線及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實驗平臺的設(shè)計。實驗平臺基于流水線單元化、控制方式多樣化、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多極化的設(shè)計思路，能夠?qū)⒗碚搶W(xué)習(xí)和工業(yè)控制現(xiàn)場實際結(jié)合起來，把理論內(nèi)容應(yīng)用到工業(yè)實際中去，并可以提高學(xué)生手腦結(jié)合、開拓創(chuàng)新的能力。平臺克服了傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)備只能單純驗證和偏離工業(yè)實際的不足，能夠更好地達到高等院校實驗教學(xué)的要求。

關(guān)鍵詞： 工業(yè)自動生產(chǎn)線； 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)； 實驗教學(xué)； 實驗平臺設(shè)計

中圖分類號： TN964?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）06?0087?02

國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）指出：高等教育要加強實驗室建設(shè)，強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，教育學(xué)生學(xué)會知識技能，學(xué)會動手動腦。這就要求各高校在完成學(xué)生理論教學(xué)任務(wù)的同時，要采用多種手段保證實驗教學(xué)的效果，而作為應(yīng)用性學(xué)科的機電控制類課程，其實驗環(huán)節(jié)更是決定教學(xué)是否成功的關(guān)鍵。工業(yè)自動生產(chǎn)線和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中所涉及的技術(shù)正是目前機電控制類課程的主要教學(xué)內(nèi)容，在此基于流水線單元化、控制方式多樣化、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多極化的設(shè)計思路，把工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)融入到工業(yè)自動生產(chǎn)線中，研發(fā)了工業(yè)自動生產(chǎn)線及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實驗平臺（以下簡稱實驗平臺），讓學(xué)生能夠通過實驗平臺將理論知識應(yīng)用到工業(yè)實際，具有較高的使用價值。

1 實驗平臺組成

工業(yè)自動生產(chǎn)線及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實驗平臺是一套模擬實際工業(yè)生產(chǎn)中復(fù)雜控制過程的教學(xué)培訓(xùn)裝置，涵蓋了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、機械傳動、PLC運動控制、電子電路、氣動、傳感器、電機驅(qū)動、變頻調(diào)速、人機界面、組態(tài)控制等多種技術(shù)。實驗平臺由物料供給單元、物料檢測單元、多工位加工單元、表面處理單元、加熱單元、機器人搬運單元、裝配單元、印碼檢測單元、自動化倉庫單元、貨物分揀單元、總控制臺單元等組成，各個單元包括PLC控制器及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)模塊，可完成貨物的供給、搬運、檢測、分類、識別、傳輸、倉儲、管理、加工、加熱、表面處理、裝配等過程[1]，如圖1所示。

2 平臺技術(shù)特點

（1）多種網(wǎng)絡(luò)控制方式。實驗平臺每個工作單元的傳感器、執(zhí)行器分別連接至分布式I/O模塊，然后通過總線與控制器進行連接，工作單元之間采用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)站與站之間的信息交換，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)實現(xiàn)系統(tǒng)的管理、執(zhí)行和數(shù)據(jù)監(jiān)控[2]。

（2）模塊化設(shè)計。實驗平臺采用模塊化設(shè)計理念，以自動化的物料傳輸、加工、分揀以及倉儲為對象體現(xiàn)常用的控制，機械傳動原理的應(yīng)用，裝置的選擇、調(diào)試和系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)。每單元可自成系統(tǒng)，可分別讓學(xué)生在每單元上進行畢業(yè)設(shè)計，并且可根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)代工藝流程完成上述模塊化組合功能。

（3）多種控制技術(shù)的綜合應(yīng)用。實驗平臺集PLC控制技術(shù)、計算機控制技術(shù)、機器人控制技術(shù)、PID控制等多種現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)于一體，能采用現(xiàn)場工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將各個系統(tǒng)單元連成一套完整的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，能實現(xiàn)生產(chǎn)物流系統(tǒng)中的裝配、加工、加熱、表面處理、分揀、傳輸、搬運、倉儲、管理等過程。

（4）多方位教學(xué)功能。實驗平臺既可滿足學(xué)校的常規(guī)的實驗教學(xué)目的，也可用于學(xué)校科研開發(fā)的平臺，同時還可為將要畢業(yè)的學(xué)生作為崗前培訓(xùn)的小工廠系統(tǒng)；作為一臺實驗裝置，既可用于電氣專業(yè)、機電專業(yè)的基礎(chǔ)技能訓(xùn)練平臺，也可用于該專業(yè)的技能考核設(shè)備。

（5）多種保護功能。實驗平臺具有漏電保護、短路保護、急停保護、限位保護、隔離保護、智能保護等各種保護功能。

（6）單元模塊化設(shè)計。實驗平臺的整體設(shè)計采用模塊化設(shè)計功能，同時對于每個系統(tǒng)單元，其控制單元、執(zhí)行單元都采用模塊化設(shè)計功能，教師可根據(jù)教學(xué)進度安排選擇不同的單元模塊來組成不同梯度的教學(xué)單元，實行循序漸進的教學(xué)安排。對于系統(tǒng)單元上的執(zhí)行機構(gòu)，可用本單元上的控制單元來實行控制，也可自行設(shè)計控制單元模塊來實行控制功能。

3 平臺整體工作流程及實現(xiàn)

平臺整體的工作流程按照現(xiàn)代生產(chǎn)制造企業(yè)的生產(chǎn)過程分為3個部分，即原料區(qū)、半成品區(qū)和成品區(qū)。其中原料區(qū)包括原料供給和原料檢測環(huán)節(jié)，包括物料供給單元和物料檢測單元；半成品區(qū)包括加工環(huán)節(jié)、熱處理環(huán)節(jié)、裝配環(huán)節(jié)以及中間物流環(huán)節(jié)，包括多工位加工單元、表面處理單元、加熱單元、機器人搬運單元、裝配單元、印碼檢測單元；成品區(qū)包括倉儲及分揀環(huán)節(jié)，包括自動化倉庫系統(tǒng)單元、貨物分揀單元。同時系統(tǒng)按照企業(yè)的管理方式還可以將工作流程分為3部分，即企業(yè)信息管理、生產(chǎn)調(diào)度管理和現(xiàn)場設(shè)備管理。企業(yè)信息管理包括系統(tǒng)整體生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)信息交換環(huán)節(jié)，包括總控臺單元；生產(chǎn)調(diào)度管理包括每個單元與前后單元之間相互銜接和配合；現(xiàn)場設(shè)備管理包括每個單元自身之間在完成生產(chǎn)任務(wù)過程之間的配合[3]。下面以現(xiàn)代生產(chǎn)制造企業(yè)的整體生產(chǎn)過程為例介紹實驗平臺的實驗步驟：

第5步：新建各個站的連接；

第6步：編寫各單元PLC程序并下載到對應(yīng)的PLC中去；

第7步：設(shè)定變頻器參數(shù)[5]；

第8步：設(shè)定觸摸屏參數(shù)及設(shè)置網(wǎng)絡(luò)線連接的計算機IP，將編寫好的觸程序下載到觸摸屏中[6]；

第9步：將各種傳感器調(diào)節(jié)到其規(guī)定檢測范圍內(nèi)；

第10步：手動調(diào)試各個執(zhí)行機構(gòu)的動作，動作正常后轉(zhuǎn)為自動執(zhí)行[7]；

第11步：對照控制要求檢驗程序的正確性。

4 結(jié) 語

工業(yè)自動生產(chǎn)線及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實驗平臺把真實的工業(yè)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)過程融入到實驗教學(xué)中，能夠提高學(xué)生對實驗課程的興趣，而其合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和先進的實操方法，不但方便教師教學(xué)，更能夠讓教師開展創(chuàng)新性實驗課題。平臺的設(shè)計必將為高校培養(yǎng)“動手動腦”的復(fù)合型人才開辟新的實驗教學(xué)思路，提高電控制類課程的實驗教學(xué)水平。

參考文獻

[1] 何用輝.自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[2] 李全利.可編程序控制器及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的綜合應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3] 胡海清，劉雪雪.PLC與自動生產(chǎn)線技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

[4] 西門子（中國）有限公司.工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品系列操作說明[EB/OL].[2011?07?03].https：//www.industry.siemens.com.cn.

[5] 西門子（中國）有限公司. SINAMICS G120型變頻器中文使用說明書[EB/OL].[2011?09?31].https：//www.industry.siemens.com.cn.

[6] 西門子（中國）有限公司. SIMATIC HMI WinCC 使用手冊[EB/OL]. [2011?07?03] https：//www.industry. siemens. com.cn.

[7] 李全利.現(xiàn)代生產(chǎn)物流電氣控制系統(tǒng)調(diào)試與維修[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.