教學型柔性生產線的研究與設計

王云超

（江西應用技術職業學院 機械與電子工程學院，江西 贛州 341000）

我國作為教學用的柔性生產線實訓系統要遠落后于國外工業發達國家，除了經費問題還有國內教育理念問題[1]。多年來，國內教育是理論重于實踐，高校的實踐課程也大部分都是做驗證型實驗，內容相對比較單一。由于國外一直重于實踐教學，所以他們高校的配置要遠高于我國，在柔性自動化系統方面，學生由簡單應用到創新，每個學生都可以親自操作平臺，研究并編程調試。如今，隨著科技的進步和人們對實踐能力的要求，國內一流高校開始注重培養學生的實踐創新能力，也都紛紛引進了相關的柔性自動化教學系統，但大部分是從德國或日本進口，成本太高。FMS教學系統在高校的現狀分為三種情況[2]：（1）引進整套工業設備；（2）高校給出功能設計，并給出了系統配件，交由研發機構設計；（3）購買散裝器件自己搭建硬件軟件平臺進行調試。這三種方案中，第一種價格太高，具體實用性不強；第二種性價比最高，價格略高，但最實用；第三種最節省資金，并能讓師生參透整個系統的架構采用以PLC為控制硬件STEP7為軟件通過PROFIBUS-DP通信和MCGS工控軟件組態監控聯合MES管理生產數據[3]，研制了這套MES模塊型柔性自動化生產線實訓系統并投入教學使用，師生反響良好。

1 教學柔性自動化生產線設計

柔性生產線應具備輸送系統、加工系統和控制系統的三大基本功能[4]：

1.1 輸送系統

柔性生產線的輸送系統就是將待加工或已完成加工的工件通過指令傳送到指定位置。在產品加工的過程中，需要存儲待加工產品的功能，在工件輸送過程中，需要對工件的數量和位置進行監測管理。

1.2 加工系統

柔性生產線的加工系統主要完成對工件的加工、安裝和檢測等程序。本文中的加工系統主要是通過程序指令控制刀具組對工件進行鉆孔加工，并通過傳感器檢測工件是否合格，然后氣動手指夾取小工件套入大工件，完成安裝。

1.3 控制系統

柔性生產線的控制系統是柔性生產線的大腦，控制系統分為過程控制和過程監控。主要是通過控制設備PC、PLC對生產過程中數據的實時采樣，處理并實時監控。

本系統的設計基于典型的柔性自動化生產線功能：工件加工安裝過程，即將大工件進行加工并傳輸至安裝位安裝分類。根據工作流程我們設計了八個工作單元站，如圖1所示。每個分站配備獨立的PLC控制系統，分單元與主站之間通過PROFIBUS-DP現場總通信實現數據交換，主控站通過終端設備控制實現各分站的聯動控制。

圖1 實訓平臺的工作流程

系統中工件從一站到另一站的物流傳遞過程：上料檢測單元將大工件按順序排好后提升送出；搬運站將大工件從上料檢測單元搬至加工站；加工站將大工件加工后送出工位；分揀站將加工過的正常的工件搬運到傳送站，如果是廢料，分揀機械手將工件搬運到廢料處理機構；傳送站將正常的大工件送至尾端，將廢料分揀到廢料槽里；安裝搬運站將大工件從傳輸站搬至安裝工位放下。安裝站再將對應的小工件裝入大工件中；而安裝搬運站再將安裝好的工件送入分類站；分類站再將工件送入相應的料倉。

2 控制系統設計

由于本文的設計是主從網絡設計，1臺PLC作為主站，其他八個子站選擇相同類型的PLC組成主從結構的PLC網絡。根據主站和從站不同的功能，選擇西門子S7-300 CPU313C-2DP（16位數字輸入/16位晶體管輸出）作為主控單元的控制模塊，選用S7-200 CPU224 AC/DC/繼電器（14位數字量輸入/10位繼電器輸出）作為子單元。由于S7-200沒有通訊口能連上PROFIBUSDP，因此需要配置通信擴展模塊EM227來將S7-200接入DP線上，各站PLC的選型如表1所示。

表1 各站PLC的選型

本實訓系統共有八個分站和一個主站，各分站都具備獨立的PLC控制系統，數據通過PROFIBUS-DP現場總線在分站之間，分站與主站之間進行傳輸與交換。PROFIBUS-DP是通過雙絞電纜進行數據傳輸[5]。選擇主控單元作為主站，其他八單元作為從站。主站通過S7-300采集數據信息，并處理相應的分站數據信息，下發指令控制從站完成八站聯動實現自動化生產。將DP聯線首端的網絡連接器直接接到S7-300主機的DP接口上，其他分站通過轉接口模塊EM227連接到DP電纜上[6-7]，如圖2所示。

圖2 各單元的PLC通信網絡

3 系統編程調試

將所有單元進行通訊組態，編譯好各工作單元的控制程序，進行仿真調試[8]。把各單元設備按鈕切換到運行狀態，檢查各單元指示燈是否正常，如不正常，則重新檢查程序和組態以及硬件連接。系統各設備上電復位，控制按鈕“手/自”打到自動狀態“單/聯”打到聯動狀態，將已經完成的硬件組態和編寫完成的程序下載到主控機PLC S7-300中，運行程序實現聯動控制，觀察各站的工作流程如下：排在第一站的上料檢測站自動運行，完成對物料檢測上料的過程；排在第二站的搬運站通過氣動機械手夾取物料完成物料的搬運傳輸工作，把物料輸送到第三站；排在第三站的加工與檢測站通過刀具組對物料進行三道程序的加工，并自動檢測加工完成的工件是否合格；排在第四站的分揀站則自動完成對不合格產品分揀到廢品臺，合格產品輸送到下一站；第六站安裝搬運站則自動將第五站的加工合格產品搬運至第七站進行安裝；第七站則利用吸盤機械手自動將小工件套入大工件，完成工件的安裝；第八站則自動通過傳感器檢測工件的顏色，根據顏色的不同將工件分入不同的倉庫。整個過程應該是連續的，完成了本文中設計的需求，通過工控軟件MCGS或工業觸摸屏可以終端控制設備，查看異常[3]。集成了MES功能的軟件，可以查看任務和進程。

在現場實際的調試過程中，會出現各種各樣的問題，問題可以大體劃分為兩類：一是整個系統不能聯動運行；二是系統中某一具體分站不能正常運行[9]。

當遇到第一種情況時，要根據系統發生的情況進行預判是硬件問題還是軟件問題，或者通過軟件監測反饋的情況，進行判斷并檢查分析并解決。

一般情況下，先做硬件檢查，因為硬件是支撐軟件的平臺，要理清思維分步驟去檢查：

第一步，先檢查各單元電源是否到位，有無空氣開關跳閘情況，如有，則復位再次推上試試，如推不上則要檢測是否電路存在短路或者是空氣開關損壞，并查看空氣壓縮機的氣壓夠不夠，氣源是否到位。

第二步，檢測常用的基本元器件，如用肉眼就可以發現的，或者用手摸就可以感覺到的物理狀態元器件，是否存在接觸不良或者損壞的零器件，譬如，元器件沒有溫度或者溫度過高都是不正常的。

第三步，檢查各工作單元的PLC輸入輸出口的接線是否正確，線材是否存在接觸不良的情況，進一步縮小檢查范圍。

第四步，檢查限位磁性傳感器的靈敏度，有些因落了灰塵，變得不靈敏，沒法達到要求，還需要檢查電磁閥組及外部所連接的電路是否有問題。

排查完了硬件問題，如果還沒有找到原因，應該檢查下PLC控制程序，分析下程序中指令是否符合設計的順控要求。程序編寫是否正確。查看PLC的中斷狀態，一般是PLC程序編譯的問題，PLC會有中斷堆棧，根據這些信息，可以很快找到問題并修改正確，直至系統正常運行。如果監控系統顯示是在某一具體單元異常，則要排查的是這一單元，可以把該單元切換到手動狀態，因為本系統每一單元都有自己的獨立PLC系統，所以要在手動狀態下運行該單元，并檢查硬件和I/O口排線連接問題，直至可以正常運行。在手動狀態下可以運行而聯動狀態下不能運行則要檢查通訊設置是否有問題，譬如EM227撥碼地址在PROFIBUS-DP中是否遺漏或重復，并修改調試直至正常。

4 結束語

文章針對國內高職院校的需求，多次到訪柔性自動化實際工廠，研究并分析柔性自動化生產線的工藝和流程，利用PLC控制技術和PRFIBUS-DP通訊技術設計了一套帶有基本MES功能的教學型柔性自動化實訓系統，采用給工件進行加工、安裝典型案例進行流程設計，包含了輸送系統、加工系統、以及分類檢測系統等。按照工藝流程分為八個工作單元，每一個單元都具備獨立的PLC系統，可獨立可聯動，具備很好的柔性。在教學中具有很好的直觀效應。該系統實現了各個單元的功能，并可以聯動控制，具備簡單的MES生產管理功能，通過主控單元觸摸屏或者監控主機可以全自動化的生產監控管理，減少了人力成本。