實訓(xùn)用產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

林誼 陳丙南 胡偉偉

摘要：隨著社會經(jīng)濟發(fā)展轉(zhuǎn)型的不斷推進和深入，高等職業(yè)院校需要契合當(dāng)前中國制造2025及工業(yè)4.0背景為智能制造的發(fā)展需求制定應(yīng)用型人才培養(yǎng)計劃，應(yīng)用型人才培養(yǎng)重在實踐教學(xué)。本文針對智能制造產(chǎn)線的教學(xué)以及實踐的需求進行探索，對如何搭建產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進行探討，利用MES管控技術(shù)、西門子PLC、觸摸屏、視覺檢測、數(shù)控系統(tǒng)、電氣元件、工業(yè)機器人技術(shù)等設(shè)備的技術(shù)原理，來說明一種教學(xué)型智能制造產(chǎn)線控制系統(tǒng)。該套控制系統(tǒng)包含了PLC技術(shù)、機器人技術(shù)、氣動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、上位機控制技術(shù)等，符合智能制造產(chǎn)線教學(xué)的通用性要求。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人;行業(yè)應(yīng)用;研究

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

0? 引言

當(dāng)前，企業(yè)用人成本越來越高，特別是勞動密集型的企業(yè)，都不斷地在尋求新的更先進的生產(chǎn)方式，智能制造生產(chǎn)線已經(jīng)成為取代傳統(tǒng)勞動密集型生產(chǎn)方式的主要趨勢。智能制造生產(chǎn)線可以有效節(jié)約原材料、提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量，并且大大的改善了生產(chǎn)企業(yè)的環(huán)境，使得企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高了公司利潤，增加員工福利。智能制造生產(chǎn)線已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車制造、食品加工等行業(yè)中，因此企業(yè)對智能制造生產(chǎn)的研發(fā)與維護人才的需求也不斷的在增加。在生產(chǎn)制造企業(yè)中，不會有機會讓新手來調(diào)試或者設(shè)計智能制造生產(chǎn)設(shè)備，這就對各應(yīng)用型高校的人才輸入提出了更高的要求。智能制造生產(chǎn)線是一個綜合性很強的系統(tǒng)，不僅需要扎實的理論基礎(chǔ)，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(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)新能力。本文設(shè)計了一條以旋轉(zhuǎn)筆筒生產(chǎn)為工藝的教學(xué)型智能制造產(chǎn)線，構(gòu)建了一個集工業(yè)機器人、AGV、3D打印、雕刻、數(shù)控銑床、數(shù)控車床、自動裝配、自動打包為一體的智能制造生產(chǎn)線，來滿足教學(xué)實踐。

1? 總體結(jié)構(gòu)

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

2? 控制系統(tǒng)的設(shè)計

智能制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計的主要目的是實現(xiàn)不同設(shè)備之間的互聯(lián)互通，通過對相關(guān)數(shù)據(jù)信息的高速、準(zhǔn)確傳輸與分析，實時監(jiān)控自動線的運行狀態(tài)，根據(jù)需要發(fā)出指令來協(xié)調(diào)或改善產(chǎn)線的運行，使其運行效率更高，產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定。控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計思路

PLC控制技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了工業(yè)控制的網(wǎng)絡(luò)化及智能化。隨著PLC技術(shù)應(yīng)用的普及的深入，PLC已經(jīng)成為自動化應(yīng)用中的核心技術(shù)之一。由各種傳感器來完成生產(chǎn)過程中的執(zhí)行元件的監(jiān)控，完成物理信息的提取形成控制系統(tǒng)中的信號。工業(yè)機器人技術(shù)是智能制造方向最熱門的技術(shù)，工業(yè)機器人的功能實現(xiàn)主要依托于其本身內(nèi)部的控制系統(tǒng)以及傳感器系統(tǒng)，按照設(shè)定的程序，自動進行工作狀態(tài)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(wǎng)絡(luò)通訊，本套系統(tǒng)選擇與機器人進行網(wǎng)絡(luò)通訊。MES系統(tǒng)以及在各種不同類型的生產(chǎn)線上得到了普遍的使用，其主要功能是進行制造數(shù)據(jù)管理、計劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存管理、質(zhì)量管理、人力資源管理、生產(chǎn)過程分析、底層數(shù)據(jù)集成分析等。

2.2 教學(xué)型PLC選型

目前在國內(nèi)絕大多數(shù)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(zé)一個功能，需要的時候再通過主程序調(diào)用，便于前期調(diào)試及后期查找故障。所以大多數(shù)高校都選用了西門子PLC作為其教學(xué)和實驗內(nèi)容。因此我們選用西門子S7-1200系列控制器應(yīng)用于本套智能制造生產(chǎn)線，該系列PLC無論是小型設(shè)備還是對速度和準(zhǔn)確性要求較高的復(fù)雜設(shè)備裝置，都能適用。

2.3 PLC控制網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)的倉儲模塊、生產(chǎn)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(zé)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(xiàn)人機交互的便利性，控制系統(tǒng)狀態(tài)直觀性。多個PLC之間，通過以太網(wǎng)交換機采用TCP/IP或MODBUS TCP協(xié)議進行通信。PLC控制網(wǎng)絡(luò)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(zhǔn)度和速度，AGV小車與PLC進行無線連接，向PLC實時反饋當(dāng)前位置等狀態(tài)，便于操作者控制。

生產(chǎn)控制模塊由3D打印機、數(shù)控車床、激光雕刻機、數(shù)控銑床以及機器人組成，各臺加工設(shè)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(shè)備前的位置準(zhǔn)確。機器人搭配工具快換裝置，適配每種加工設(shè)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?qū)?yīng)加工設(shè)備發(fā)送信號，機器人將工件放入加工區(qū)域，設(shè)備自動完成加工。

當(dāng)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(qū)，PLC向工業(yè)相機發(fā)送啟動信號，工業(yè)相機對工件拍照、識別檢測，并將結(jié)果反饋給PLC，PLC根據(jù)反饋結(jié)果決定工件去向，合格品進入打包工序。打包結(jié)束的產(chǎn)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(tǒng)設(shè)計

一般將電氣設(shè)備二次控制回路叫做電氣控制系統(tǒng)，因為系統(tǒng)中不同的設(shè)備有不同的控制回路，并且高壓電氣設(shè)備與低壓電氣設(shè)備需分別控制。具體地來說，系統(tǒng)中使用單相、三相交流電和直流電的設(shè)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(zhí)行機構(gòu)。另外，伺服控制器、變頻器作為驅(qū)動電機的設(shè)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(shè)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(tǒng)設(shè)計

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

系統(tǒng)自動運行時，3D打印機、數(shù)控車床、激光雕刻機、數(shù)控銑床需要自動開關(guān)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(tǒng)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(tǒng)設(shè)計

MES系統(tǒng)，意為制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)，旨在為企業(yè)提供制造數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)管理、庫存管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、工具工裝管理、生產(chǎn)過程控制、數(shù)據(jù)分析等管理功能。本系統(tǒng)主要為教學(xué)作用，使用MES系統(tǒng)對整套設(shè)備進行統(tǒng)一調(diào)控管理，更貼近實際工業(yè)生產(chǎn)，使學(xué)生能直觀感受到智能化生產(chǎn)線的高效性、即時性。

系統(tǒng)自動運行時，由操作人員通過MES系統(tǒng)下發(fā)生產(chǎn)訂單，工控機與各模塊PLC進行通訊，收集各模塊設(shè)備狀態(tài)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(shè)定控制各設(shè)備自動啟動。

3? 培訓(xùn)項目

本系統(tǒng)在教學(xué)中可實現(xiàn)多種科目、多種設(shè)備的培訓(xùn)，包含：工業(yè)機器人編程操作，PLC程序設(shè)計，電氣控制系統(tǒng)電路設(shè)計，氣動控制系統(tǒng)氣路設(shè)計，數(shù)控機床編程，工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通訊，MES系統(tǒng)設(shè)計，AGV小車設(shè)計等。

4? 結(jié)語

通過對智能制造需求性的分析研究，提出教學(xué)型智能制造產(chǎn)線控制系統(tǒng)的思路，分析了智能制造生產(chǎn)線的多種優(yōu)點，設(shè)計了一條以旋轉(zhuǎn)筆筒生產(chǎn)為工藝的教學(xué)型智能制造產(chǎn)線，結(jié)合工業(yè)機器人、PLC、AGV等設(shè)備，詳細介紹了控制系統(tǒng)的設(shè)計過程及系統(tǒng)運行方式。該教學(xué)設(shè)備在功能和結(jié)構(gòu)方面與實際工業(yè)中的智能生產(chǎn)線十分接近，能有效提高學(xué)生的實際設(shè)計、操作、解決故障等能力，便于學(xué)生在走入工作崗位后，更快的融入工作，并能根據(jù)實際環(huán)境，對工業(yè)生產(chǎn)提出建設(shè)性改造意見，為企業(yè)發(fā)展提供更好的動力。

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