實訓用產線控制系統設計與實現

林誼 陳丙南 胡偉偉

摘要：隨著社會經濟發展轉型的不斷推進和深入，高等職業院校需要契合當前中國制造2025及工業4.0背景為智能制造的發展需求制定應用型人才培養計劃，應用型人才培養重在實踐教學。本文針對智能制造產線的教學以及實踐的需求進行探索，對如何搭建產線的控制系統進行探討，利用MES管控技術、西門子PLC、觸摸屏、視覺檢測、數控系統、電氣元件、工業機器人技術等設備的技術原理，來說明一種教學型智能制造產線控制系統。該套控制系統包含了PLC技術、機器人技術、氣動控制技術、傳感器技術、數控技術、上位機控制技術等，符合智能制造產線教學的通用性要求。

關鍵詞：工業機器人;行業應用;研究

中圖分類號：TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0218-02

0? 引言

當前，企業用人成本越來越高，特別是勞動密集型的企業，都不斷地在尋求新的更先進的生產方式，智能制造生產線已經成為取代傳統勞動密集型生產方式的主要趨勢。智能制造生產線可以有效節約原材料、提高生產效率與質量，并且大大的改善了生產企業的環境，使得企業降低生產成本，提高了公司利潤，增加員工福利。智能制造生產線已經廣泛應用于汽車制造、食品加工等行業中，因此企業對智能制造生產的研發與維護人才的需求也不斷的在增加。在生產制造企業中，不會有機會讓新手來調試或者設計智能制造生產設備，這就對各應用型高校的人才輸入提出了更高的要求。智能制造生產線是一個綜合性很強的系統，不僅需要扎實的理論基礎，而且更重要的是要實踐，在實踐過程中可以檢驗并鞏固理論知識，也可以發掘學生的創新能力。本文設計了一條以旋轉筆筒生產為工藝的教學型智能制造產線，構建了一個集工業機器人、AGV、3D打印、雕刻、數控銑床、數控車床、自動裝配、自動打包為一體的智能制造生產線，來滿足教學實踐。

1? 總體結構

當前智能制造生產線應有的行業十分廣泛，我們選取了一些常用的典型應用模塊來創新的組合成了一套智能制造系統。目前制造制造生產線主要還是應用在機械加工、組裝、包裝等方面，并結合了當前比較熱門的激光雕刻、3D打印技術，其主要組成部分如圖1所示。

2? 控制系統的設計

智能制造生產線控制系統設計的主要目的是實現不同設備之間的互聯互通，通過對相關數據信息的高速、準確傳輸與分析，實時監控自動線的運行狀態，根據需要發出指令來協調或改善產線的運行，使其運行效率更高，產品質量更穩定?？刂平Y構如圖2所示。

2.1 控制系統設計思路

PLC控制技術的應用，實現了工業控制的網絡化及智能化。隨著PLC技術應用的普及的深入，PLC已經成為自動化應用中的核心技術之一。由各種傳感器來完成生產過程中的執行元件的監控，完成物理信息的提取形成控制系統中的信號。工業機器人技術是智能制造方向最熱門的技術，工業機器人的功能實現主要依托于其本身內部的控制系統以及傳感器系統，按照設定的程序，自動進行工作狀態的判斷與決策。機器人一般留有的外部通訊方式有I/O通訊以及網絡通訊，本套系統選擇與機器人進行網絡通訊。MES系統以及在各種不同類型的生產線上得到了普遍的使用，其主要功能是進行制造數據管理、計劃排程管理、生產調度管理、庫存管理、質量管理、人力資源管理、生產過程分析、底層數據集成分析等。

2.2 教學型PLC選型

目前在國內絕大多數院校，其實驗室配置的PLC主要來自兩大品牌，西門子以及三菱系列。西門子一直主張使用模塊化編程，每個子程序負責一個功能，需要的時候再通過主程序調用，便于前期調試及后期查找故障。所以大多數高校都選用了西門子PLC作為其教學和實驗內容。因此我們選用西門子S7-1200系列控制器應用于本套智能制造生產線，該系列PLC無論是小型設備還是對速度和準確性要求較高的復雜設備裝置，都能適用。

2.3 PLC控制網絡

本系統的倉儲模塊、生產控制模塊、視覺檢測模塊均由PLC作為控制核心，每個模塊中的PLC負責收集各類傳感器、按鈕等信號，控制電磁閥、電機等裝置動作，搭配西門子觸摸屏，可實現人機交互的便利性，控制系統狀態直觀性。多個PLC之間，通過以太網交換機采用TCP/IP或MODBUS TCP協議進行通信。PLC控制網絡示意圖如圖3所示。

倉儲模塊由立體倉庫搭配AGV小車組成，其中，立體倉庫中的堆垛機由PLC控制伺服電機進行運動，伺服電機可以保證堆垛的精準度和速度，AGV小車與PLC進行無線連接，向PLC實時反饋當前位置等狀態，便于操作者控制。

生產控制模塊由3D打印機、數控車床、激光雕刻機、數控銑床以及機器人組成，各臺加工設備距離較遠，所以需將機器人安裝在行走軸上，行走軸同樣為伺服電機控制運動，保證機器人每次到達加工設備前的位置準確。機器人搭配工具快換裝置，適配每種加工設備的工件夾取。運行時，PLC控制伺服電機運動，使機器人移動至指定位置，同時向對應加工設備發送信號，機器人將工件放入加工區域，設備自動完成加工。

當工件完成自動加工、裝配等工序后，機器人將工件搬運至視覺檢測區，PLC向工業相機發送啟動信號，工業相機對工件拍照、識別檢測，并將結果反饋給PLC，PLC根據反饋結果決定工件去向，合格品進入打包工序。打包結束的產品以及不合格品均由AGV小車取走，分類入庫。

2.4 電氣控制系統設計

一般將電氣設備二次控制回路叫做電氣控制系統，因為系統中不同的設備有不同的控制回路，并且高壓電氣設備與低壓電氣設備需分別控制。具體地來說，系統中使用單相、三相交流電和直流電的設備，最終都由PLC進行通斷控制，而接觸器、繼電器則作為通斷執行機構。另外，伺服控制器、變頻器作為驅動電機的設備，既需交流電作為動力源，又需直流電作為信號傳輸，在電氣控制設計時，要考慮電磁干擾、過載過流保護等情況。

2.5 氣動控制系統設計

氣動技術是利用空氣的可壓縮性，將壓縮空氣作為傳遞動力的介質，并通過氣缸、換向閥、電磁閥等元件構成控制回路，使氣動元件按照所需邏輯要求工作。

系統自動運行時，3D打印機、數控車床、激光雕刻機、數控銑床需要自動開關門，以及自動夾緊加工件;機器人夾爪需要加緊、松開;另外，自動打包機中需要對打包物體進行固定、對膠帶進行切割;以上動作均由氣缸完成，控制氣缸的電磁閥由系統中PLC控制。從安全角度考慮，選用三位五通中封型電磁閥。

2.6 MES系統設計

MES系統，意為制造企業生產過程執行管理系統，旨在為企業提供制造數據管理、生產管理、庫存管理、質量管理、設備管理、工具工裝管理、生產過程控制、數據分析等管理功能。本系統主要為教學作用，使用MES系統對整套設備進行統一調控管理，更貼近實際工業生產，使學生能直觀感受到智能化生產線的高效性、即時性。

系統自動運行時，由操作人員通過MES系統下發生產訂單，工控機與各模塊PLC進行通訊，收集各模塊設備狀態信息，判斷是否可運行，若不可運行，會將故障信息反饋給操作者;若可運行，則由PLC按邏輯設定控制各設備自動啟動。

3? 培訓項目

本系統在教學中可實現多種科目、多種設備的培訓，包含：工業機器人編程操作，PLC程序設計，電氣控制系統電路設計，氣動控制系統氣路設計，數控機床編程，工業設備網絡通訊，MES系統設計，AGV小車設計等。

4? 結語

通過對智能制造需求性的分析研究，提出教學型智能制造產線控制系統的思路，分析了智能制造生產線的多種優點，設計了一條以旋轉筆筒生產為工藝的教學型智能制造產線，結合工業機器人、PLC、AGV等設備，詳細介紹了控制系統的設計過程及系統運行方式。該教學設備在功能和結構方面與實際工業中的智能生產線十分接近，能有效提高學生的實際設計、操作、解決故障等能力，便于學生在走入工作崗位后，更快的融入工作，并能根據實際環境，對工業生產提出建設性改造意見，為企業發展提供更好的動力。

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