工件分揀生產(chǎn)線控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)＊

龐黨鋒，王利強(qiáng)，馬前帥

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，人們對生活中產(chǎn)品質(zhì)量功能要求逐漸提高，導(dǎo)致產(chǎn)品的更新速度越來越快，這對制造業(yè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度要求日趨提高。制造業(yè)經(jīng)歷了從繼電控制技術(shù)生產(chǎn)線到PLC控制技術(shù)，再到PCC控制技術(shù)。產(chǎn)品功能的多樣化對生產(chǎn)線的柔性提出了更高的要求，因此對生產(chǎn)線柔性要求和控制策略更換的要求也不斷提高。

本文給出的工件分揀柔性生產(chǎn)線主要包括中控室控制器、加工單元、傳感器單元、伺服控制器、變頻器和立體倉庫，對各主要單元的組成和控制方案進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。課題設(shè)計(jì)的工件柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)以可編程計(jì)算機(jī)控制器和POWERLINK總線為基礎(chǔ)，主要研究了工件分揀柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，對柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)控制設(shè)計(jì)，對柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的組成和單元模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[1]。

1 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1所示為柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)柔性生產(chǎn)線的總體要求，基于PCC和POWERLINK網(wǎng)絡(luò)的柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、貝加萊X20 PCC、加工單元、傳感器單元、機(jī)械手伺服控制器、輸送帶變頻器和立體倉庫控制器構(gòu)成。

圖1 柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)主要由主站和從站構(gòu)成，主站主要由計(jì)算機(jī)和主控制器X20 PCC組成，主站計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，可以對主控制器進(jìn)行編程，同時(shí)也可以從主站讀取從站上傳的數(shù)據(jù)，主站對總線的數(shù)據(jù)通信進(jìn)行控制，從站從現(xiàn)場收集各種參數(shù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到主站，ERP企業(yè)信息管理系統(tǒng)同時(shí)集合在主站的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。控制系統(tǒng)主要有兩種總線，即工業(yè)以太網(wǎng)和POWERLINK總線，主站的計(jì)算機(jī)和主站控制器之間通過工業(yè)以太網(wǎng)連接[2-3]。

2 生產(chǎn)線調(diào)度模型

一般來講，一個(gè)完整的柔性生產(chǎn)線主要由3部分組成：分別是加工制造系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和物流配送系統(tǒng)，系統(tǒng)的復(fù)雜度較高，調(diào)度室控制系統(tǒng)接收中控室發(fā)送的工藝要求信息和生產(chǎn)計(jì)劃，系統(tǒng)安排加工順序，以滿足產(chǎn)品需求，提升生產(chǎn)效率。生產(chǎn)線調(diào)度問題是系統(tǒng)高效、正常運(yùn)行的重要因素，調(diào)度的優(yōu)化程度直接影響到生產(chǎn)的工藝和生產(chǎn)的效率。影響柔性生產(chǎn)線調(diào)度的因素比較多，所以建立調(diào)度模型有利于生產(chǎn)線控制決策的分析。調(diào)度主要有以下4個(gè)方面的影響因素：①生產(chǎn)的原計(jì)劃。企業(yè)的管理層給生產(chǎn)一線規(guī)定一周期的生產(chǎn)任務(wù)量。②工件加工工藝。加工工藝要求決定了生產(chǎn)操作間的順序，同時(shí)對生產(chǎn)設(shè)備的參數(shù)和類型有了一定的約束，工藝文件也提供了生產(chǎn)時(shí)間參考，生產(chǎn)計(jì)劃和工藝構(gòu)成了生產(chǎn)任務(wù)。③生產(chǎn)資源。生產(chǎn)資源包含柔性生產(chǎn)線上的設(shè)備類型和數(shù)量、人力資源、原材料和其他輔助的生產(chǎn)資源，進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度建模時(shí)，需要對資源模型進(jìn)行簡化，一般設(shè)備資源是主要考慮因素，其他資源默認(rèn)可以充足提供。④調(diào)度目標(biāo)。生產(chǎn)調(diào)度目標(biāo)會(huì)隨著實(shí)際生產(chǎn)情況和訂單的改變而改變。圖2所示為柔性生產(chǎn)調(diào)度組成圖。

圖2 柔性生產(chǎn)調(diào)度組成圖

較為單一的柔性生產(chǎn)線可以通過人為安排調(diào)度實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工，這個(gè)過程僅限于加工工件數(shù)量少和工件種類單一的情況，如果生產(chǎn)的工件數(shù)較多，就需要計(jì)算機(jī)建模來解決調(diào)度問題。

3 控制程序流程

柔性生產(chǎn)線控制程序運(yùn)行前，控制程序應(yīng)處于初始狀態(tài)，系統(tǒng)啟動(dòng)后，運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮，工件倉儲(chǔ)提示是否允許推料，供料機(jī)推出工件后，系統(tǒng)啟動(dòng)帶式傳送機(jī)。在傳送機(jī)傳輸過程中，傳感器單元對工件進(jìn)行檢測和分類，根據(jù)檢測的信號(hào)，搬運(yùn)機(jī)械手將工件輸送到指定的位置。機(jī)械手在運(yùn)輸過程中允許指示燈指示，通過立體倉庫將合格工件存放到倉庫中[4]。如果傳感器檢測到工件屬于未加工完全的，則控制器控制搬運(yùn)機(jī)械手將未完成的工件輸送到待加工庫，同時(shí)聲光報(bào)警器提示。若檢測到工件為廢品工件，則工件由機(jī)械手將其存放到指定的次品存儲(chǔ)庫位，同時(shí)設(shè)定指示燈提示[4]。

在設(shè)計(jì)控制程序時(shí)還應(yīng)注意下列事項(xiàng)：當(dāng)程序中有急停時(shí)，應(yīng)盡量把急停指令放在程序的前面。另外，因?yàn)橛布O(shè)備的差異，調(diào)試程序時(shí)，如果出現(xiàn)機(jī)械手不能夠準(zhǔn)確到位的情況，可以適當(dāng)修改程序中的參數(shù)或更改硬件位置。當(dāng)控制系統(tǒng)停機(jī)后，在倉庫存儲(chǔ)機(jī)器和機(jī)械手完成最后一個(gè)工件的搬運(yùn)后，將整個(gè)控制系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

4 通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

POWERLINK是以以太網(wǎng)為介質(zhì)的開源實(shí)時(shí)通信總線，是一項(xiàng)主要用于工業(yè)控制及數(shù)據(jù)傳輸中的新技術(shù)。POWERLINK通信總線將標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)作為物理層，其標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.3，所以在基于POWERLINK通信網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)中，所有掛在總線上的主站和從站設(shè)備通信數(shù)據(jù)都運(yùn)行在以太網(wǎng)上，因?yàn)槲锢韺訛殚_放的以太網(wǎng)，所以其兼容性具有一定的優(yōu)越性[5]。

POWERLINK技術(shù)在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，比如伺服運(yùn)動(dòng)的控制，用于各種機(jī)器系統(tǒng)（包裝機(jī)、紡織機(jī)、印刷機(jī)、機(jī)器人等）。過程控制主要應(yīng)用在DCS系統(tǒng)和工廠自動(dòng)化中。POWERLINK物理層采用普通以太網(wǎng)的物理層，因此可以使用工廠現(xiàn)有的以太網(wǎng)布線，從機(jī)器設(shè)備的基本單元到整臺(tái)設(shè)備、生產(chǎn)線，再到辦公室，都可以使用以太網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)一條以太網(wǎng)貫穿整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

5 運(yùn)行測試分析

工件辨識(shí)主要是通過安裝在輸送帶上的傳感器的組合對物料的組合狀態(tài)進(jìn)行檢測，工件由始端運(yùn)行到末端的過程，傳感器組合完成工件的識(shí)別。系統(tǒng)具有啟動(dòng)、停止兩個(gè)按鈕：“啟動(dòng)”按鈕按下后，控制器發(fā)送控制命令，啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)傳送帶的電機(jī)將工件從左端輸送到右端，檢測結(jié)束后，數(shù)碼管可以顯示檢測到的工件類型。工件分揀測試主要程序如圖3所示。

圖3 工件分揀測試主要程序圖

在測試平臺(tái)通過對6種圓柱體和內(nèi)芯進(jìn)行測試，工件檢測和辨識(shí)單元對工件辨識(shí)的準(zhǔn)確率在90%以上。

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用B&R ACOPOC系列伺服驅(qū)動(dòng)器，PCC與伺服驅(qū)動(dòng)器之間、驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)之間采用POWERLINK總線進(jìn)行控制信息的傳遞，工業(yè)以太網(wǎng)保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。機(jī)械手伺服控制測試系統(tǒng)主要由主令單元、電源單元、PCC主機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)和POWERLINK總線構(gòu)成，控制系統(tǒng)電源采用直流24 V開關(guān)電源，所有的模塊固定在35 mm導(dǎo)軌上。伺服驅(qū)動(dòng)配置在AS中完成，在Physical View中打開POWERLINK interface，添加POWERLINK通訊卡和編碼器，這時(shí)可以設(shè)定供電模式。如果選擇AC供電，則需考慮電機(jī)的額定工作電壓、額定工作電流、最大工作電流及工作頻率設(shè)定等。

6 結(jié)束語

本文主要通過測試平臺(tái)對柔性生產(chǎn)系統(tǒng)工件辨識(shí)和分揀系統(tǒng)、機(jī)械手伺服控制系統(tǒng)和POWERLINK網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行試驗(yàn)測試，通過試驗(yàn)運(yùn)行狀態(tài)和測試數(shù)據(jù)分析，同時(shí)對POWERLINK的伺服通信進(jìn)行測試，從中可以看出，基于POWERLINK和PCC的柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)具有較高的可靠性。

［1］肖維蓉，齊蓉.裝備自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

［2］齊蓉，肖維蓉.可編程控制器技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］李全利.PLC運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］禹隆鋒.柔性生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備的研究及教學(xué)開發(fā)［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2014.

［5］李鵬.基于PLC的生產(chǎn)線自動(dòng)配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.保定：河北大學(xué)，2013.