摘要：分析了供料與加工的工藝過(guò)程，給出了核心的監(jiān)控方案。利用光電開(kāi)關(guān)等傳感器實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，并利用輸送電機(jī)、電磁閥等實(shí)現(xiàn)送料及加工過(guò)程的控制。采用了RFID識(shí)別供料信息;利用TIA博途軟件進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)及組態(tài)界面。采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)CPU與觸摸屏通信，并利用WINCC設(shè)計(jì)了監(jiān)控畫面。最后對(duì)程序模擬調(diào)試及監(jiān)控運(yùn)行畫面調(diào)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)程序的可靠性，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)線的氣缸推料、氣爪搬運(yùn)、高度檢測(cè)、鉆孔加工的過(guò)程。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)化生產(chǎn)線;PLC;S71200;TIA
小型工藝生產(chǎn)線主要采用西門子1200系列產(chǎn)品作為軟件，結(jié)合機(jī)械手、傳送帶、傳感器、氣缸等硬件，形成一條完整的生產(chǎn)線系統(tǒng)，同時(shí)本系統(tǒng)采用軟件自動(dòng)控制，更加方便快捷1]。本系統(tǒng)主要采用PLC控制，SFC語(yǔ)言進(jìn)行編程處理，采用傳感器進(jìn)行檢測(cè)，機(jī)械手控制，傳送帶輸送物料，同時(shí)完成WINCC監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，PC機(jī)與PLC之間通信;該生產(chǎn)線由PLC控制，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)線的目標(biāo)，監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)線運(yùn)行狀況，以確保系統(tǒng)的安全性與可靠性4]。
1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
1.1工藝過(guò)程分析本設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為部分(供料單元和加工單元)，工藝如圖所示。工藝過(guò)程主要包括進(jìn)料、推料、抓取、檢測(cè)、加工及棄料等環(huán)節(jié)。每個(gè)特定工位均設(shè)置相應(yīng)的傳感器或者限位開(kāi)關(guān)，識(shí)別物料的狀態(tài)及位置，來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥和氣缸動(dòng)作。
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到有物料時(shí)，傳送帶將原料運(yùn)送到色標(biāo)傳感器處，并記錄物料顏色，根據(jù)之前記錄的顏色信息，氣爪將物料放置到不同的料倉(cāng)中;通過(guò)觸摸屏上的下單按鍵選擇需要加工的配料類型，氣缸會(huì)推出相應(yīng)顏色的物料，然后電機(jī)帶動(dòng)傳送帶，使物料向前移動(dòng);同時(shí)擺渡氣爪抓取物料，完成物料到圓盤傳送，并由RFID讀取芯片數(shù)據(jù)信息，氣爪返回平臺(tái)位置。
物料放入轉(zhuǎn)盤后，圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)到檢測(cè)模組位置，對(duì)物料高度進(jìn)行測(cè)試，如果物料檢測(cè)合格，圓盤順時(shí)針移動(dòng)一定角度到加工模組位置，定位氣缸伸出將物料固定，由升降電機(jī)A和鉆孔電機(jī)B啟動(dòng)，完成對(duì)物料進(jìn)行加工;如果不合格，進(jìn)入清除廢料工序;如果下一站沒(méi)有物料堆積，則推料氣缸上側(cè)氣缸推出，將物料推到傳送帶上，RFID將物料測(cè)量結(jié)果寫入芯片，之后下方傳送帶開(kāi)始工作，物料到推料氣缸處停止，推料氣缸下側(cè)氣缸推出，將物料推入下一站，完成后推料氣缸回到初始位置[5-6]。
1.2系統(tǒng)構(gòu)成
本設(shè)計(jì)主要由WINCC監(jiān)控畫面來(lái)模擬代替下位機(jī)完成工件自動(dòng)加工過(guò)程的控制，采用自定義運(yùn)動(dòng)變量來(lái)模擬演示自動(dòng)化供料、加工的過(guò)程，使用開(kāi)關(guān)量代替控制推料、取料、檢測(cè)、加工、分揀中各執(zhí)行器件的相關(guān)動(dòng)作。本設(shè)計(jì)中采用西門子的S7-1214CPLC作為控制器，實(shí)現(xiàn)小型加工生產(chǎn)線的供料與加工工序自動(dòng)測(cè)控，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)可以分成以下幾個(gè)層次：控制層、通信層、執(zhí)行層、監(jiān)控層[7]。PC機(jī)采用博圖軟件進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)，利用監(jiān)控畫面監(jiān)測(cè)生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài);控制器采用西門子S7-1214CDC/DC/DCPLC，被控對(duì)象為小型生產(chǎn)線，由供料單元和加工單元組成。
2硬件設(shè)計(jì)
2.1CPU選型
該生產(chǎn)線控制器采用西門子S7-1200系列，該控制器硬件組成具有高度靈活性，CPU模塊將微處理器、電源、數(shù)字量輸入輸出電路、模擬量輸入輸出電路、以太網(wǎng)接口、高速運(yùn)動(dòng)控制功能組合到一個(gè)緊湊的外殼中，系統(tǒng)擴(kuò)展十分方便。
2.2擴(kuò)展模塊選型根據(jù)需求，數(shù)字量輸入采用SM12216ES7221-1BH32-0XB0，有8點(diǎn)和16點(diǎn)數(shù)字量輸入。輸出模塊采用SM12226ES7222-1BH32-0XB0，具有16點(diǎn)數(shù)字量輸出。本系統(tǒng)中需要用到RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)，故需要進(jìn)行通訊模塊擴(kuò)展。采用RF120C通訊模塊(6GT2002-0LA00)實(shí)現(xiàn)與西門子工業(yè)識(shí)別系統(tǒng)的通訊。S7-1200CPU1214C通過(guò)RF120C通信模塊，連接RF260R(6GT2821-6AC10)讀寫頭，在TIAPortalV14軟件環(huán)境下，使用SIMATICIdent指令塊對(duì)數(shù)據(jù)載體進(jìn)行讀寫操作。由于PLC需要24V電源供電，采用PM1207電源模塊把220V轉(zhuǎn)換成PLC可接受的24V電源。
2.3觸摸屏選型本設(shè)計(jì)中，生產(chǎn)線自動(dòng)監(jiān)控過(guò)程需要實(shí)時(shí)顯示，采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)監(jiān)控界面的顯示，適用于不太復(fù)雜的可視化應(yīng)用，集成接口支持以太網(wǎng)通信方式，因此選用西門子KTP700basic觸摸屏。
2.4RFID選型
(1)閱讀器選型閱讀器通過(guò)集成的天線從發(fā)送應(yīng)答器讀取信息，然后發(fā)送到SIMATICS7控制器。根據(jù)存儲(chǔ)的發(fā)送應(yīng)答器信息，SIMATICS7控制器執(zhí)行不同的控制任務(wù)。本設(shè)計(jì)選用閱讀器型號(hào)為SIMATICRF685R。(2)發(fā)送應(yīng)答器選型發(fā)送應(yīng)答器貼到工件夾具上。標(biāo)簽的空間方向始終相同。按此部署，每次只需檢測(cè)1個(gè)發(fā)送應(yīng)答器(單標(biāo)簽)。本方案中的發(fā)送應(yīng)答器是SIMATICRF640T類型的發(fā)送應(yīng)答器。
3軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1主程序設(shè)計(jì)
小型生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)物料的供料、檢測(cè)和加工的運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)這一控制目標(biāo)，將整個(gè)控制程序模塊化。主要模塊包括供料單元、機(jī)器手傳送物料、檢測(cè)物料高度、加工物料、推料、料倉(cāng)無(wú)料報(bào)警。
3.2加工單元流程設(shè)計(jì)物料在加工站工作時(shí)首先判斷檢測(cè)模組上是否有物料堆積，無(wú)物料堆積時(shí)，物料被放入檢測(cè)工位，進(jìn)行物料高度檢測(cè)，并判斷物料高度是否合格;如果不合格進(jìn)入棄料工序;如物料高度合格，物料到下一工位進(jìn)行鉆孔加工。加工完成后推到成品料倉(cāng)[8]。
3.3供料單元流程設(shè)計(jì)根據(jù)要求設(shè)計(jì)氣爪搬運(yùn)物料的流程如圖6所示，首先使每個(gè)氣缸歸回初始位置，然后當(dāng)傳送帶末端光電傳感器檢測(cè)到有物料時(shí)，氣爪開(kāi)始工作，氣爪夾緊物料后氣爪x軸方向氣缸啟動(dòng)，然后y軸氣缸啟動(dòng)使氣爪到達(dá)檢測(cè)工位上方，之后x軸氣缸啟動(dòng)放下氣爪，到達(dá)工位后氣爪松開(kāi)，完成工序后氣爪回到初始化狀態(tài)[9]。
3.4設(shè)備組態(tài)本設(shè)計(jì)核心選擇CPU1214CDC/DC/DC，訂貨號(hào)是6ES7214-1AG40-0XB0，對(duì)PLC進(jìn)行設(shè)備組態(tài)，添加1個(gè)擴(kuò)展通信模塊RC120C、4個(gè)16DI的輸入擴(kuò)展模塊SM1221和2個(gè)16DO輸出擴(kuò)展模塊SM1222，將它們組態(tài)到1個(gè)導(dǎo)軌上;添加HMI觸摸屏，選擇添加觸摸屏型號(hào)，本設(shè)計(jì)采用SIMATIIC精簡(jiǎn)系列面板中7寸顯示屏KTP700Basic，訂貨號(hào)是6AV2123-2GB03-0AX0。
4模擬調(diào)試過(guò)程
4.1畫面布局
畫面設(shè)計(jì)部分包括總貌畫面、供料和推料畫面、檢測(cè)和加工畫面、抓取畫面。畫面上顯示該生產(chǎn)線所實(shí)現(xiàn)的功能以及具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。其中總貌畫面包括供料站運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)、加工站的運(yùn)行狀態(tài)、檢測(cè)站的工作狀態(tài)和系統(tǒng)的報(bào)警情況，控制部分包括自動(dòng)運(yùn)行按鈕和急停按鈕。
4.2仿真調(diào)試
準(zhǔn)備就緒后，開(kāi)始觸摸屏仿真調(diào)試。首先在總貌畫面中按下自動(dòng)運(yùn)行按鈕，供料站運(yùn)行狀態(tài)指示燈、機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)指示燈、加工站運(yùn)行狀態(tài)指示燈和檢測(cè)站工作狀態(tài)指示燈亮綠燈，系統(tǒng)沒(méi)有故障報(bào)警燈不亮燈，傳送帶電機(jī)開(kāi)關(guān)按下電機(jī)開(kāi)始工作，系統(tǒng)啟動(dòng)生產(chǎn)線自動(dòng)有序地運(yùn)行。
在供料和氣爪搬運(yùn)畫面中對(duì)供料和搬運(yùn)功能進(jìn)行仿真調(diào)試，檢測(cè)下殼上料點(diǎn)有料時(shí)，且物料傳送到顏色檢測(cè)位時(shí)，會(huì)選擇顯示顏色信息，物料繼續(xù)傳送，至傳送帶末端抓取點(diǎn)時(shí)，提升機(jī)氣爪運(yùn)行向下抓取物料，進(jìn)行一系列運(yùn)送動(dòng)作送至前后料倉(cāng)中，當(dāng)供料站前后側(cè)料倉(cāng)物料不充足的時(shí)候，報(bào)警燈亮紅燈。
自動(dòng)化論文范例：變電站電氣自動(dòng)化與電力安全運(yùn)行解析
5結(jié)論
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)小型自動(dòng)化生產(chǎn)線供料及加工站對(duì)象，參考工業(yè)自動(dòng)化對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并使用TIA完成該生產(chǎn)線程序、畫面的設(shè)計(jì)，使用HMI人機(jī)交換設(shè)備完成對(duì)該生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)計(jì)。實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)線運(yùn)行狀況，及時(shí)修正問(wèn)題，確保該生產(chǎn)線正常運(yùn)行，提高生產(chǎn)線的安全性、可靠性、時(shí)效性。
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作者：王衍皓，楊匯軍，陳翔麟
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