基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC分布式控制生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)

白帥麗 劉保朝

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西咸陽(yáng)712000）

當(dāng)今社會(huì)，職業(yè)教育居有十分重要的地位，為企業(yè)培養(yǎng)生產(chǎn)一線的高級(jí)應(yīng)用型人才。隨著科技的發(fā)展，融合了機(jī)械、電氣、氣動(dòng)、傳感器、交流電機(jī)變頻調(diào)速、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、PLC控制及工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù)的生產(chǎn)線設(shè)備不斷地投入到生產(chǎn)中，其生產(chǎn)工藝不斷復(fù)雜，系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，由于大型工業(yè)生產(chǎn)和日益復(fù)雜的過(guò)程控制要求，對(duì)工程人員和操作人員的要求越來(lái)越高。另外，現(xiàn)代職業(yè)教育的生源質(zhì)量不斷下降，理論學(xué)習(xí)能力嚴(yán)重不足。因此，高職教育必須在不斷變革中求生存，通過(guò)適度的分層教育和強(qiáng)化動(dòng)手能力的實(shí)踐教學(xué)來(lái)滿足高規(guī)格的高級(jí)應(yīng)用型人才培養(yǎng)。

本文設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線[1]能符合企業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，作為項(xiàng)目化任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)的載體，成本較低，能夠滿足學(xué)生職業(yè)能力的培養(yǎng)。可保障學(xué)生進(jìn)入企業(yè)后，不但能較快的適應(yīng)操作員和技術(shù)員等工作崗位的需求；而且具有進(jìn)行生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、組態(tài)開(kāi)發(fā)、故障診斷與排除的能力。

1 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC分布式控制生產(chǎn)線的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC分布式控制生產(chǎn)線要求實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)生產(chǎn)線中的供料、檢測(cè)、搬運(yùn)、切削加工、裝配、輸送、分揀的環(huán)節(jié)[2]，設(shè)計(jì)其系統(tǒng)如圖1所示。基于PLC網(wǎng)絡(luò)通信功能，系統(tǒng)采用PLC工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中個(gè)工作單元聯(lián)動(dòng)。

本系統(tǒng)的供料站、加工站、裝配站、分揀站為過(guò)程控制級(jí)，由各自站內(nèi)的PLC控制生產(chǎn)過(guò)程[3]；搬運(yùn)站為過(guò)程監(jiān)控級(jí)，其PLC通過(guò)網(wǎng)絡(luò)讀/寫(xiě)功能向各個(gè)下屬?gòu)恼景l(fā)送控制指令，并讀取各個(gè)從站的工作狀態(tài)，即集中獲取數(shù)據(jù)、集中管理和集中控制的自動(dòng)控制模式。生產(chǎn)過(guò)程中供料站自動(dòng)供給待加工毛坯，由搬運(yùn)站的機(jī)械手指氣缸夾緊工件后送至加工站進(jìn)行鉆削，鉆削完成后由機(jī)械手搬運(yùn)至裝配站進(jìn)行裝配，裝配完成后由機(jī)械手搬運(yùn)至分揀站，傳送帶機(jī)構(gòu)輸送工件，分揀機(jī)構(gòu)分揀工件。

2 各工作站設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC分布式控制生產(chǎn)線的機(jī)構(gòu)包括供料機(jī)構(gòu)、加工機(jī)構(gòu)、搬運(yùn)機(jī)械手、物料輸送與分揀機(jī)構(gòu)。其設(shè)計(jì)如下：

2.1 供料站

供料站實(shí)現(xiàn)圓柱凸臺(tái)形毛坯件供料，圓柱凸臺(tái)形毛坯件同心同軸，大徑高，小徑高，圓柱凸臺(tái)同心同軸。毛坯為塑料材質(zhì)，分黑白兩種，選用井石料倉(cāng)存儲(chǔ)、定位，由兩個(gè)光電傳感器檢測(cè)其是否充分和有無(wú)，由另外一個(gè)光電傳感器檢測(cè)其是否推到物料臺(tái)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，如果檢測(cè)到有毛坯件，采用直線氣缸把其推到物料臺(tái)并頂緊，直到搬運(yùn)機(jī)械手把它取走氣缸縮回。

2.2 加工站

搬運(yùn)機(jī)械手把毛坯件從物料臺(tái)取走，并搬運(yùn)至工作臺(tái)夾緊，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)X、Y方向精確運(yùn)動(dòng)控制，到達(dá)主軸正下方后，啟動(dòng)主軸電機(jī)和主軸升降氣缸，主軸下降完成鉆孔后升起，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工件返回原點(diǎn)。

2.3 裝配站

機(jī)械手把返回原點(diǎn)后的工件搬運(yùn)至裝配站三工位回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的第一工位；傳感器檢測(cè)到后，伺服電機(jī)在位置控制模式下帶動(dòng)三工位回轉(zhuǎn)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)120°至第二工位；傳感器檢測(cè)到后由兩個(gè)直線氣缸配合每次提供一個(gè)套筒降落在凸臺(tái)工件上，內(nèi)孔與凸臺(tái)工件小凸臺(tái)配合；然后工作臺(tái)回轉(zhuǎn)120°至第三工位，由沖壓氣缸完成壓緊裝配，工作臺(tái)再回轉(zhuǎn)120°至第一工位。

2.4 分揀站

機(jī)械手把裝配完成的工件搬運(yùn)至分揀站的入料孔，傳感器檢測(cè)到后啟動(dòng)傳送帶，前進(jìn)過(guò)程中直線氣缸把檢測(cè)到的白色工件推至1號(hào)滑槽，黑色工件推至2號(hào)滑槽，不合格工件傳送至廢料倉(cāng)。

2.5 搬運(yùn)站

系統(tǒng)復(fù)位時(shí)搬運(yùn)機(jī)械手回原點(diǎn)。之后系統(tǒng)啟動(dòng)，供料站物料臺(tái)有工件時(shí)，搬運(yùn)機(jī)械手伸出將工件搬運(yùn)到切削加工站物料加緊臺(tái)上，工件加工完畢后，再將工件送到裝配站完成裝配，最后黑白兩種工件成品送到分揀站分揀入庫(kù)。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制方案設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC分布式控制生產(chǎn)線的各站都采用PLC控制。其中供料站、加工站、分揀站為從站，分別實(shí)現(xiàn)各站內(nèi)的順序動(dòng)作的過(guò)程控制；由從站內(nèi)的控制PLC分布在各自站內(nèi)，接收不同的傳感器檢測(cè)信號(hào)以及上位PLC和HMI的指令信號(hào)，結(jié)合控制程序產(chǎn)生控制指令，發(fā)送到對(duì)應(yīng)的氣缸電磁閥線圈和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制端子，驅(qū)動(dòng)氣缸和電機(jī)完成規(guī)定動(dòng)作。各PLC控制從站獨(dú)立工作 ,自主完成既定的數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)視、操作和控制等任務(wù),解決系統(tǒng)分散和空間分布多分支問(wèn)題[4]。

搬運(yùn)站為總站，完成過(guò)程監(jiān)控級(jí)控制，它的PLC通過(guò)網(wǎng)絡(luò)讀/寫(xiě)功能向各個(gè)下屬?gòu)恼景l(fā)送控制指令，并讀取各個(gè)從站的工作狀態(tài)。各從站通過(guò)RS485串行通信口由現(xiàn)場(chǎng)總線通訊網(wǎng)絡(luò)（高速數(shù)據(jù)通道）傳送各種信息,由控制中心（裝配站）的上位機(jī)（PLC）協(xié)調(diào)工作通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞各種信息，上位機(jī)使得各從站與總站的運(yùn)行得到統(tǒng)一的集中管理與控制，使系統(tǒng)按規(guī)定的流程工作。系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，各站之間通過(guò)Profibus總線進(jìn)行連接。

4 網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)置

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC分布式控制生產(chǎn)線的通信網(wǎng)絡(luò)遵循PPI協(xié)議，通過(guò)串行的端口（PORT0或PORT1）通信。PPI是一種主—從協(xié)議通信，主—從站在一個(gè)令牌環(huán)網(wǎng)中，主站發(fā)送要求到從站設(shè)備，從站設(shè)備響應(yīng)，從站不發(fā)送信息，只是等待主站的要求并對(duì)要求做出響應(yīng)。主站靠一個(gè)PPI協(xié)議管理的共享連接來(lái)與從站通信。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，主站不限于一個(gè)，但不能超過(guò)32個(gè)[5]。

4.1 設(shè)置各站地址和通信頻率

運(yùn)行個(gè)人電腦上的STEP7 V4.0程序，打開(kāi)設(shè)置端口界面，利用PC/PPI編程電纜把PC的RS-232端口分別與各工作站的PPI通信端口PORT0相連，指定PLC地址（站號(hào)如圖1所示）和波特率，設(shè)置后把把系統(tǒng)塊下載到PLC[6]。

4.2 通信口設(shè)置

西門(mén)子S7-200 PLC中的SMB30和SMB130為自由端口控制寄存器，這些字節(jié)設(shè)置自由端口通訊的操作方式，并提供自由端口或者系統(tǒng)所支持的協(xié)議之間的選擇。SMB30控制自由端口0的通信方式，對(duì)SMB30進(jìn)行讀、寫(xiě)操作，設(shè)置其值為2，通信方式為 “PPI/主站模式”。

4.3 網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)操作

在西門(mén)子S7-200 PPI網(wǎng)絡(luò)中的各CPU之間通信用網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)指令NETR/NETW。NETR用于主站CPU通過(guò)指定的通信口從其他從站CPU中指定的地址讀取數(shù)據(jù)，存入本站CPU中指定的地址。NETW用于主站CPU通過(guò)指定的通信口將本站CPU指定地址寫(xiě)入其他從站CPU中指定的地址中。網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)指令只能由PPI主站的CPU執(zhí)行，主站CPU可以對(duì)PPI網(wǎng)絡(luò)中其他任何從站CPU進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)操作。從站CPU不必編寫(xiě)通信程序，只須將與主站通信的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)即可。在主程序中調(diào)用子程序“NET_EXE”。設(shè)置完成后在主程序中調(diào)用子程序“NET_EXE”即可。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于PLC分布式控制的自動(dòng)生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備的工作站功能、工作流程和控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，依據(jù)分布式控制系統(tǒng)的要求，把不停的PLC設(shè)置為上位機(jī)和下位機(jī)，分別完成各站的狀態(tài)監(jiān)視與任務(wù)調(diào)度，使各站協(xié)調(diào)工作；各從站的PLC分別獨(dú)立完成個(gè)站內(nèi)的控制任務(wù)。這樣既可以使系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)模塊化，提高運(yùn)行效率，方便系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)，也方便對(duì)復(fù)雜的大規(guī)模的生產(chǎn)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。