工業自動生產線PLC控制系統的設計研究

郭 棟

(陜西國防工業職業技術學院 陜西 西安 710300)

0 引言

工業自動化生產線可編程控制器(programmable logic controller,PLC)控制系統的設計,需根據生產線的特點和實際情況,制定完善的系統設計方案和機制,確保控制系統的優化性,提升工業自動化生產線的控制水平,為工業企業的健康穩定發展夯實基礎。

1 工業自動化生產線分析

工業自動化生產線指的就是工作人員根據工藝路線和順序要求,在工作地根據統一的生產節奏或速度,完成重復性和連續性的工藝作業任務。產品生產的工作中,從原材料進入現場、到原材料的加工和運輸、裝配和檢驗,整體工作具有連續性和持續性的特點,且工業自動化生產線的組成部分如圖1所示。其一,自動化加工系統。該系統是將成組技術作為基礎部分,將外形尺寸、重量相似并且材料相同、工藝技術較為相似的零部件,在數控機床或是專業機床的設備上集中完成加工;其二,物流系統。該系統是由多種類型運輸設備組合而成,例如:傳送帶設備、軌道設備、轉盤設備、機械手設備等,有效進行工件和刀具的供給處理和傳送處理,屬于柔性生產系統中的重要部分;其三,信息系統。該系統主要是進行產品加工和運輸期間各類信息的采集、分析和反饋,利用計算機或是控制設備進行機床系統、運輸系統的分級控制;其四,軟件系統。此類系統是柔性生產線中采用計算機的重要保障,主要涉及產品設計軟件、規劃軟件、生產控制軟件和監測軟件等,能夠幫助工業企業有效完成各類產品的生產工作。

圖1 工業自動化生產線的組成

2 工業自動化生產線PLC控制系統的設計措施

在工業自動化生產線中采用PLC技術,設計PLC控制系統,需根據工業自動化生產線的特點和實際情況,完善PLC控制系統的模式和架構,確保控制系統的良好設計和應用。

2.1 控制系統架構的設計

2.1.1 工作站設計

工業自動化生產線控制系統的設計,主要是由不同獨立運行、相互關聯的工作站組合而成,具體的工作站如圖2所示。

圖2 PLC控制系統相互關聯的工作站

(1)上料檢測工作站

該工作站的設計,主要配置相應的料斗設備、回轉臺和工件滑道裝置、產品提升和檢測的裝置、光電開關和開關電源、可編程控制器與相應的按鈕、I/O接口板、電機設備和電磁閥設備等,主要用來進行上料臺中工件的傳送,使工件能夠運輸到檢測的位置,利用提升裝置將工件提升到預先指定的位置,對工件顏色進行檢測分析。

(2)搬運工作站

對于搬運類型的工作站而言,設計機械手設備、氣爪和回轉臺設施、電感式傳感器設施和開關電源的部分、可編程控制器及其按鈕部分、I/O接口板、各種類型的電磁閥設備和氣缸設備,用來將工件從上料檢測工作站運輸到加工工作站。

(3)加工工作站

加工工作站主要設計回轉工作臺的設施、檢測缸和檢測工件轉臺到位傳感器設施、開關電源和可編程控制器、I/O接口板、減速電機設備與電磁閥設備、氣缸設備,通過回轉工作臺,使工件在工位上進行轉換,通過鉆孔單元進行工件的打孔,對打孔的深度嚴格檢測。

(4)搬運分揀工作站

搬運分揀工作站和搬運工作站的設計形式相同,主要是對加工之后的物料進行運輸,將其自動化搬運到指定位置,分揀站機械手分揀物料,將合格的物料輸送到傳送站,通過傳感器進行控制。

(5)傳送和安裝工作站

傳送工作站主要設計交流電動機設備、變頻器和傳送帶設備、傳感器和開關電源部件、可編程控制器部件和I/O接口板等,通過此類構件,將已經合格的物料傳輸到傳送帶上,利用傳感器進行信號的檢測,通過PLC系統完成變頻器的驅動,使電機開始轉動,實現物料的運輸。如果物料已經到達了預先設定的位置,傳感器檢測信號,PLC進行變頻器的驅動,電機設備停止運行;安裝工作站的設計,配置吸盤機械手設備、搖臂和料倉換位設備、工件推出和真空發生器設備、可編程控制器與I/O接口、電磁閥和氣缸,用來進行工件倉料的選擇,在倉庫中將工件推出,對工件進行安裝。

(6)安裝搬運站和分類工作站

首先安裝搬運站主要是平移和回轉工作臺設備、塔吊臂部件、機械手和氣爪部件、開關電源和可編程控制器部件、I/O接口板、電磁閥與氣缸組合而成,對上一個工作站的工件拿起,設置在安裝工位,將已經安裝完成的工件拿起,設置在分類站;其次分類工作站的設計,主要是滾珠絲杠部件和滑杠推出部件、分類料倉設備與開關電源部件、可編程控制器設備和I/O接口、步進電機與驅動器設備、電磁閥和氣缸設備組合而成,需要根據工件的類型合理進行分類處理,使其能夠進入到不同的倉位。

2.1.2 控制技術模式的設計

工業自動化生產線PLC控制系統的設計,每個工作站設置獨立運行的控制模塊,將各工作站有機物合成為整體系統,能夠有效進行工業自動化生產線的控制。同時,每個工作站和PLC控制系統之間,通過標準電纜連接,利用電纜連接不同的傳感器和輸出控制設備,有效進行各類信號的傳輸,同時也可利用電纜完成不同工作站傳感器和控制器的控制,將電壓維持在合理范圍內。另外,各個工作站都可利用控制面板進行PLC控制,確保工作站能夠按照要求運行,每個控制面板設置多個按鈕開關、選擇和急停開關,便于按照工業自動化生產線的實際情況,通過開關完成手動控制[1]。

2.1.3 工作過程的設計

工業自動化生產線的PLC控制系統設計過程中,為確保控制系統的良好穩定運行,需要科學合理完成工作過程設計,確保控制系統的良好、穩定運行。首先,從上料檢測站根據相關的順序要求進行工件的順序排列,對其進行提升處理和送出處理,搬運工作站在上料檢測站對工件進行搬運處理,使工件能夠運輸到加工站的位置。其次,加工站自動化對工件進行加工處理,完成加工之后送出工位,搬運分揀站將已經加工完成的工件,進行搬運的基礎上,合理進行正品和次品的分揀處理。最后,傳送站將分揀完成的工件,傳輸到下一個工作站,之后安裝搬運工作站進行工件的搬運處理,將工件運輸到安裝工位,進行下放。安裝工作站將小工件裝入大工件,之后將完成裝配的工件輸送到分類站,對工件分類處理后運輸到料倉。

2.2 系統程序的設計

為確保工業自動化生產線PLC控制系統運行的穩定性和可靠性,在進行系統程序設計的過程中,需要制定完善的程序設計方案和體系,保證整體設計工作的高質量、有效性開展。

2.2.1 上料檢測站程序設計

對于上料檢測站而言,主要設計上下電按鈕、下復位按鈕、下開始按鈕,將工件和物料提升到升降臺,對貨臺的光電傳感器進行觸動,將氣缸通電之后上升處理,直到對傳感器氣缸的上眼進行觸動為止,升降臺停止運行。等待物料被運輸出去以后,氣缸失去電源,下降到下限位之后停運,升降臺下限傳感器在十秒鐘之后,如果未能檢測到相應的物體,報警燈就會亮起,產生鳴響,按下急停的按鈕之后,系統停運,之后重新進入上料檢測臺的操作[2]。

2.2.2 工件搬運站程序設計

對于工件搬運站而言,整體的控制程序主要是將上電按鈕按下之后,上電燈亮起,之后復位燈開始閃爍。將下復位按鈕按下之后,機械手處于放松的狀態,上升臂也會出現縮回的現象,機械手向著左側的方向旋轉,開始運行的指示燈閃爍,復位燈隨之關閉。在此之后將開始按鈕和調試類型的按鈕按下,機械手臂推出,機械手處于下降的狀態,將工件和相應的物料夾緊,機械手的手臂開始逐漸上升,之后進行縮回,手臂向著右側的方向旋轉。在此之后,機械手的手臂伸出來,然后下降,機械手放松之后再次提升,縮回,向著左側方向旋轉[3]。

2.2.3 工件加工站和搬運分揀站程序設計

首先工件加工站程序設計過程中,按下上電按鈕,指示燈亮起,復位燈也會隨之閃爍,然后將復位按鈕按下,工作臺驅動電機設備進行旋轉,旋轉到位之后閃爍指示燈;按下開始的按鈕,傳感器進行工件的檢測分析,旋轉臺的部分按照系統的運行標準和要求等進行旋轉,旋轉到指定的位置后,進行加工臺的模擬,為加工臺提供輔助;其次對于搬運分揀站的程序,也需要設計上電、復位、開始的按鈕,完成工件的搬運和分揀,其他的工作站以此類推,通過對按鈕的設計,完成工作站操作。

2.3 通信系統設計

工業自動化生產線PLC控制系統設計的過程中,需科學合理完成各類通信系統的設計工作,保證通信系統的功能符合要求,預防出現通信問題,避免因為通信不良使PLC控制系統運行的穩定性和可靠性受到不利影響[4]。

2.3.1 總線存取設計

各個工作站之間的指令傳輸,通過主站和從站循環傳送,構建單個或是多個主站的支持系統,總線上設計不同的站點,通過點對點用戶數據通信的形式、廣播通信形式、循環主要和次要用戶數據通信的形式,完成各項通信操作。

2.3.2 循環數據交換設計

對于循環數據交換系統而言,能夠使PLC控制系統和分布式現場設備良好進行循環數據交換處理,主站發送相應的請求數據信息,從站接收后進行相應數據的反饋,確保各類數據的良好交換,為PLC控制系統的高效化運行提供通信保障[5]。

2.3.3 同步和鎖定功能設計

主站的部分向某個從站發送命令,也可向某組從站發送命令,從站接收命令后,進入同步運行的模式,所輸出的信息被鎖定,用戶數據傳輸期間,輸出數據在從站存儲,數據輸出維持在不變的狀態,通過UN sync的命令解除同步模式。

3 工業自動化生產線PLC控制系統的發展趨勢

3.1 集成化

工業自動化生產線中PLC控制系統的集成化發展,主要是將CPU、Risc芯片等相互集成,同時,采用可編程集成電路和專用集成電路芯片,改善PLC控制系統的集成度,確保軟件運行和硬件運行的效果。一方面,采用fpd平板顯示技術,提升整體系統的顯示器性能,降低顯示器的體積和功能消耗量。另一方面,在PLC系統中進行電路的高度集成,能夠降低電路連接的數量,改進整體電路性能,確保PRC控制系統的可靠性,提升工業自動化生產線控制效果[6]。

3.2 模塊化

PRC控制系統未來發展的過程中,可通過硬件模塊化的方式,使其呈現出模塊化的發展趨勢,按照各類控制功能需求,設計CP、PLC、通信等相關的模塊,使PLC控制系統的模塊化水平提升,確保能夠改善對工業自動化生產線的控制效果。同時,對控制系統進行模塊化構建,還能達到無人化操作的目的,將自動化生產線和網絡平臺相連接,通過PLC控制技術進行機床的編程處理和操作運行控制,自動化完成生產線的控制任務,減少人員工作量,達到無人化操作的目的[7]。

3.3 精確化

精度和速度是工業自動化生產線中最為關鍵的技術指標,只有確保生產線控制的速度和精度符合標準,才能促使生產線的良好運行,因此,在未來發展的過程中,需重點完善工業自動化生產線PLC控制系統的精確化體系和速度體系,采用高速CPU芯片和多CPU控制系統技術,利用分辨率較高的絕對式檢測元件交流數字伺服系統,靜態和動態進行機床的控制,確保在PLC控制系統應用期間,能夠提高機床控制的精度和速度,提升自動化生產線運行水平。

3.4 專業化

雖然在工業自動化生產線中設計PLC控制系統,能夠通過自動化控制的方式減少人員工作量,達到無人化操作的目的,但是PLC控制系統的應用,需要專業人才的支持,只有確保控制系統的專業操作,才能預防出現工業自動化生產線的控制問題,因此,在未來發展的過程中需促使PLC控制系統的專業化發展。首先,對相關技術人員進行專業知識和技能的培訓,使所有人員都能掌握PLC控制系統的應用技能,游刃有余完成工業自動化生產線的控制任務。其次,制定完善的人員操作制度和體系,明確人員工作的標準規范,確保能夠提高PLC控制系統應用的專業性和規范性[8]。

4 結語

綜上所述,工業自動化生產線PLC控制系統的應用,不僅能夠改善生產線的控制現狀,還能滿足控制工作創新發展的需求,具有重要意義。因此,建議工業企業在實際發展期間,重點設計工業自動化生產線PLC控制系統,合理設計控制系統的架構,科學設計相關的控制技術模式和工作過程,完善系統程序,同時,在系統未來發展的過程中,還需重點提升其集成化和模塊化水平,使其向著精確化和專業化的方向進步。