改進教學中的自動生產線設計及調試過程

摘 要 三向SX-815E型自動生產線實訓裝備可以模擬一個與實際生產情況十分接近的控制過程，使學習者得到一個非常接近于實際的教學設備環境，從而縮短了理論教學與實際應用之間的距離。但是，在教學過程中，因各種原因，在調試過程中經常出現中斷。程序中斷后需要手動操作機械機構才能復位，既消耗了學生寶貴的實訓時間，又在一定程度上加大了設備的損耗。本設計是探討自動生產線在設計、調試過程中如何做到循序漸進，從手動、單步、單周期逐步進行調試，而又不需要使用復雜的IST功能指令，使得學生更容易掌握自動生產線在設計、調試的一般過程。

關鍵詞 自動生產線 流程 手動 單步 單周期

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

0 前言

SX-815E型光機電一體化實訓系統包含了機電一體化專業學習中所涉及的諸如電機驅動、機械傳動、氣動、可編程控制器、變頻調速及觸摸屏操作、通訊及編程與應用等多項技術，為學生提供了一個典型的綜合實訓環境，使學生對之前學過的諸多單科的專業和基礎知識，在這里能得到全面的認識、綜合的訓練和實際運用。

1 系統基制要求

1.1 系統基本控制要求

系統啟動前需進行復位，滿足原點后按下啟動按鈕，系統開始運行，送料電機驅動放料盤旋轉，物料充足的情況下，工件由送料槽滑到物料提升臺，物料檢測光電傳感器檢測到物料滑到提升臺上時，轉盤停止轉動。提升臺上升，機械手手臂伸出下降，氣指夾緊抓物，然后提升回縮，手臂向右旋轉到右限位，手臂伸出下降，氣指放松將物料放到傳送帶上，機械手返回原位。傳送帶輸送物料，傳感器則根據物料性質和顏色（金屬和非金屬白色、非金屬藍色），控制相應的氣缸動作，將工件推下相應料槽，對物料進行分揀。提升臺下降，完成一次流程。系統可實現自動循環。

1.2 改進后的功能

除按照上述流程實現自動循環運行外，系統增加手動控制、一次運行和單步運行三種運行模式，以及缺料報警，遇到緊急情況下急停、運行狀態指示等功能。通過增加控制的模式，使學生在編程、調試過程中能更接近實際生產中設備的調試過程，加深對PLC控制系統的認識。

1.2.1 各種模式運行情況

手動：每個執行器有一個按鈕控制，按相應的按鈕通斷控制這個執行器就開始動作。

回原點：啟動回原點程序后，所有執行器按照順序收縮，最終回到起始位置、單步，按一下啟動按鈕就啟動一個執行器，動作完畢就停止，不再激活下一個執行器，除非再按一次按鈕，總之每按一次按鈕就動作一個執行器，并且是按照正常工作的順序一個一個順序啟動。只是動作完一個需要再按一次啟動按鈕才能執行下一個動作。

單周期：啟動程序后順序執行每個動作，動作完最后一個后停止，不再循環。

連續：啟動后按順序一個個動作執行，執行完最后一個動作后再返回第一個再……直到按停止按鈕。

1.2.2 改進后的具體控制要求

（1）手動控制：每一個動作由觸摸屏上的按鈕控制，所有手動按鈕設置在一個頁面上。

（2）原點條件：

供料單元：放料盤處于非旋轉狀態，提升氣缸處于下限位置，沒有缺料報警；

機械手搬運單元：橫臂靠近供料單元，豎臂處于上限位置，氣抓放松；

分揀單元：推桿一、推桿二、推桿三均處于縮回位置，傳輸帶停止運行；

指示燈：不符合原點條件，黃燈熄滅，符合原點條件，黃燈長亮。

（3）缺料報警。如物料不足，送料電機驅動放料盤旋轉5秒內仍然無法補充工件到物料提升臺，系統自動停機，加料后重新啟動需通過復位解除缺料報警。

指示燈：缺料報警期間黃燈閃亮（0.5秒亮，0.5秒滅），解除缺料報警后黃燈閃亮消失。

（4）復位。如果系統不符合原件條件，可通過手動控制各個動作復位，也可自動復位。

自動復位：按下復位按鈕（黃色），系統將按照原點條件的要求進行有序復位，解除缺料報警。

指示燈：復位完成后，黃燈長亮。

（5）停止：

①正常停機：正常停機時，按下停止（紅色）按鈕，系統完成本次程序后停止。

指示燈：系統在正常停機（不包括急停）狀態下，紅燈長亮。

②緊急停機：按下急停按鈕，系統緊急停機，所有動作停止，保持當時的狀態，如繼續運行，松開急停按鈕，系統接著急停前的狀態繼續運行。

指示燈：急停鎖定時，紅、綠燈交替閃爍（0.5秒紅燈亮綠燈滅，0.5秒紅燈滅綠燈亮）解除急停后，紅綠燈交替閃爍消失。

（6）運行模式。系統要求有手動操作、自動循環運行、一次運行和單步運行四種模式。進入手動控制頁面，能對各個動作進行手動控制。啟動前通過轉換開關SA1、SA2的狀態選擇系統的運行模式，在系統運行中改變SA1、SA2可以改變系統的運行模式。轉換開關SA1分斷狀態時，系統為連續循環運行模式，轉換開關SA1閉合狀態時，系統為一次運行模式；轉換開關SA2閉合狀態時，系統為單步運行模式。

（7）整體控制要求：

①在滿足原點條件下，按啟動按鈕，系統開始工作。如不滿足原點條件，需按下復位按鈕，讓系統滿足原點條件后才能啟動。

指示燈：正常工作過程中綠燈長亮，黃燈、紅燈熄滅。

②送料電機驅動放料盤旋轉，補充工件到物料提升臺。工件滑到提升臺后，轉盤停止轉動；1秒鐘后物料提升臺上升。如物料不足，無法在5秒內補充工件到物料提升臺，系統自動停機，并發出缺料報警信號。

③機械手手臂伸出，伸出到位后手臂下降。

④氣指夾緊，抓住工件，1秒鐘后機械手臂上升，上升到位后向右旋轉到右限位。

⑤機械手手臂向前伸出，手爪下降，氣指放松，工件下落至傳輸帶上。

⑥機械手手爪上升，手臂向后縮回，左旋轉到左限位。

⑦傳輸帶落料檢測光電傳感器檢測到工件在傳輸帶上，傳輸帶電機以高速正轉。當電感式傳感器檢測到金屬工件，傳送帶停止運行，1#推料氣缸伸出，把工件推入第一條槽內；當顏色檢測傳感器檢測到白色工件，傳送帶停止運行，2#推料氣缸伸出，把工件推入第二條槽內；當電容傳感器檢測到藍色工件，傳送帶停止運行，3#推料氣缸伸出，把工件推入第三條槽內。

⑧推料氣缸伸出1秒后回縮，回縮到位后物料提升臺下降到下限位，完成本周期工作。

1.3 改進方案技術要點

1.3.1 手動模式

選擇開關撥到手動方式這一擋時（或通過觸摸屏按鈕進入手動控制界面），狀態繼電器S5為ON，由圖1可知，按下提升臺升/降按鈕，M31閉合，指令使Y10接通，Y10輸出信號使電磁閥線圈得電，提升臺升高。同樣，可完成機械手前伸、后縮、夾緊、松開、上升、下降、右轉、左轉、傳送帶啟停、推料桿伸/縮等動作。

1.3.2 原點條件

如圖2所示，如果系統滿足原點條件，使得原點標志位M1得電，系統進入準備狀態，等待單步、單周期、自動循環等進一步的操作。如不能滿足原點條件，M1不能得電，需要運行回原點程序。這有效地防止程序在設備沒有回到原點的情況下運行，造成程序運行混亂。

1.3.3 回原點

當撥到回原點方式時（PLC輸入端為X0，觸摸屏輸入端為M21），因狀態繼電器S1為ON，執行到復位程序段，如圖3所示。先復位Y007至Y022，所有電動設備停止，單作用氣缸復位，但雙作用氣缸還需進一步處理，根據條件判斷機械手的位置， 不在原點位置的按序復位，完成回原點動作后，M1得電。

1.3.4 單步

當撥到單步這一擋時（PLC輸入是X005，觸摸屏M22），使M8040接通，禁止所有狀態轉移。但是，每次按下啟動按鈕時，M8040失電，可以使狀態按順序轉移一步，即按狀態流程圖完成一步動作。

1.3.5 單周期

當撥到單周期這一擋時（PLC輸入是X004，觸摸屏M23），系統完成一個循環工作后，因轉移條件即停止工作，相當在系統運行過程中按下停止按鈕，自鎖斷開，M0失電，不能循環，只能完成單周期運行。

1.3.6 急停功能

為了使急停發生后，系統停止工作而狀態保持，以便急停復位后能從急停前的斷點開始繼續運行，可以用二種方法，一是用條件跳轉（CJ）指令實現，另一方法是用主控指令實現。這里暫且只討論用跳轉（CJ）指令實現的方法。

用條件跳轉指令實現急停信號的處理的程序示意圖如圖4所示。圖中，當急停按鈕按下時，X003 OFF，跳轉指令執行條件滿足，程序跳轉到指令所指定的指針標號P0開始執行。安排在跳轉指令后面的步進順控程序段被跳轉而不再執行。

圖4 用條件轉移指令實現急停處理的程序示意

由于執行CJ指令后，被跳轉部分程序將不被掃描，這意味著，跳轉前的輸出狀態（執行結果）將被保留，步進順控程序段的狀態將被保持，直到急停按鈕復位后又繼續工作。但須注意的是，如果急停恰好發生在Y7得電（供料轉盤電機轉動），則需要在此設置使得Y7復位（供料轉盤電機停止轉動），解除急停后，Y7將保持原來的狀態。同理傳送帶（Y0和Y1）也需要同樣的設置。程序跳轉后，因此需要在FEND指令與END指令之間加上第281-292步的程序段。

急停按鈕未按下時，X003 ON，程序按順序執行，直到主程序結束指令FEND為止。

1.4 觸摸屏

本實訓設備采用的觸摸屏為三菱公司的GT1155型號，它可以同時顯示256種不同的色彩，燈管壽命較高。如今，人機界面已經成為高級設備控制終端的流行裝置，它可以方便地將CPU的內部寄存器和繼電器展示出來，并且加以編輯及控制。它使工控設備的操作和控制更加容易，在本系統中使用觸摸屏，大量減少占用PLC輸入點，這在手動控制模式下尤其明顯。

2 系統調試

在完成梯形圖編寫后，需要按照機電一體化系統調試的一般步驟和要求進行調試。首先通過觸摸屏上“進入手動控制臺”按鈕，進入手動控制界面，測試各個執行機構是否正常。對不能正常工作的執行機構，在此步驟中查明造成故障的原因，分析是機械故障還是電氣故障，是電路還是氣路故障，在這一環節有效排除硬件故障問題。在測試完硬件后，通過回原點操作，使系統各個環節恢復到原點狀態。接著進行單步調試，測試各個動作是否按照規劃執行。對不按照規劃執行的，通過程序監控復查程序出現的問題。這一步驟有效防止程序設計不當時出現多動作同時執行而造成碰撞的危險，同時還能準確快速地通過程序監控找到程序中錯誤，節省學生寶貴的實訓時間。在單步調試完成后進行單周期測試，一般通過單步調試的設備在單周期和自動循環模式下不會出現太大問題。最后在自動循環模式下運行，測試系統穩定性。通過逐步調試，能有效減少設備的損耗，同時提高設備調試的效率。

3 結束語

本設計所涉及到的知識比較多、綜合性很強，有電力拖動、機械結構、變頻器、傳感器原理、氣動原理、PLC編程及設備調試等知識和技能，這些技術含蓋了電氣專業大部分知識，對于進一步掌握其工作原理，夯實自己的專業知識水平，提高綜合業務能力，提升自我具有很好的效果。本次對該系統的改造，可以更加貼近企業生產中的真實工作環境，使學生可以在這種環境中更好地完成各項任務，縮小教學實訓與企業實際生產的差距，力求學生畢業后到企業能夠盡快適應生產環境，高質量完成工作任務。

參考文獻

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[4] SX-815E PLC實訓指書.