自动生产线工作站站内控制系统设计

叶 钢

（丽水职业技术学院，丽水 323000）

0 引言

此自动化模拟生产线，共有6个由PLC控制的站点构成。对于此自动化模拟生产线来说，其中包括传感技术、PLC控制技术、气动技术等等方面，综合了机、电、控制于一体的综合性控制，是种较为先进的加工生产制造系统[1,2]。对于工件类别的检测、加工、搬运、安装和分类来说，主要通过系统的六个模块进行完成，包括上料检测站、搬运站、加工检测站、安装站、安装搬运站和分类站等等。气动执行机构还完成各个单元的执行机构，另外，还可以通过安装在上面的传感器的信号来判断执行机构的运动位置。随着CAN总线技术的广泛应用，CAN总线与单片机结合应用于自动控制系统已成为自动控制领域中的又一个热点[3]，本人采用了MCS-51单片机代替PLC来进行现场控制，自动线各模块之间的信号传递通过CAN总线进行，建立起了以工业现场控制为对象的单片机生产线控制网络系统，实现了实时在线测控。

1 自动生产线的组成

对于这个基于机、电、气一体化的自动化生产加工系统来说，六个生产加工单元模块组成这个生产加工系统。主要有安装模块、安装搬运模块、分类模块、上料检测模块、搬运模块、加工模块、等六个工作模块单元。对于每一个工作单元模块来说，都可以视为一个单独的工作站，并且由单独单片机控制，而CAN总线连接方式则是各个工作站点之间的连接方式。

对于在生产线上的工件来说，一站到另一站的物流加工方式分析如下。大工件按顺序排好在上料检测站进行提升传递，然后工件从料检测站搬至加工站则是搬运站的功能，大工件加工并检测被加工的工件则是加工站的功能，同时通知下一站相关的生成的成品或废品信息，成品送至安装工位则是安装搬运站功能，然后，小工件在安装站装入大工件中。最后，安装好的工件通过安装搬运站送至分类站，工件按类型在分类站的作用下送入相应的料仓，同时并对于工件数量和总量进行记录。当加工站有废品产生时，废品通过安装搬运站直接送入废品收料站。

2 站内控制系统的软硬件设计

2.1 模块一(上料检测站)

1）上料检测站的动作过程

上料检测站是自动生产线的起始工作站，向系统中的其他工作站提供原料和工件颜色的信息。回转上料台将工件依次送到检测工位，提升装置将工件提升并检测工件颜色是白色还是黑色，并向后站发出“颜色"的信息。之后，提升装置下降到位停止。

2）控制系统硬件构成

控制器：单片机At89c51

输入元件：手动／自动切换开关、上电按钮、复位按钮、急停按钮、单站／联网切换、光电开关(颜色检测)、电感式接近开关(测回转工作台位置检测)、磁性开关(提升到位检测)

输出元件：回转工作台电机、提升电磁阀输入／输出接口模块均设计光耦隔离电路，以提高抗干扰能力。

漫射式光电接近开关实现本站检测工件颜色。主要原理就是利用光照射到被测物体上后反射回来的光线，通过同一侧位置的光发射器与光接收器布置，使之成为一体化结构。检测光在工作的时候始终通过光发射器，而当没有物体在开关的前方一定距离内的情况下，接收器不会收到反射光，这样接近开关就不会动作而处于常态。当物体出现在在接近开关的前方一定距离情况下，有足够强度的光反射回来，这样就能够使接近开关动作而改变输出的状态，这当然是在接收器接收到足够的漫射光情况下。所有频率的光可以通过白色物体全部反射回来，这样就能够使得接近开关动作；而所有频率的光都被黑色物质所吸收，这样就使得漫射式光电接近开关检测到，致使接近开关不动作。

电感式接近开关传感器用于判断工作台位置，是否回转到位。工作台下面安装有一定位凸块，开关会在凸块接近电感式接近开关的情况下进行动作，同时进行信号“1”输出，这样工作台是否到位就可以通过信号来判断。

磁性开关用于判断提升装置是否提升到位。在气缸的活塞上安装上磁性物质，一个磁感应式接近开关则安装在气缸缸筒外面的两端位置，这样气缸运动的极限位置就可以通过该信号而进行判断。

2.2 模块二(搬运站)

1）搬运站的动作过程

机械手将工件从前一站搬走，搬运到下一站。2）控制系统硬件构成

（1）基于AT89C52的微处理器模块的设计

本控制系统中各站均采用美国Atmel公司的AT89C52单片机作为微处理器芯片，由于各站通信电路单片机与CAN控制器的连接需通过总线方式，因此应采用外部总线扩展的设计方法。而由总线扩展引起的并行口不够用的问题，则通过扩展8255芯片解决。

（2）输入／输出模块的设计

搬运站共有7路输出，13路输入。输入输出模块均设计光耦隔离电路，以提高抗干扰能力。

（3）按钮及检测传感器的输入信号经光耦隔离电路送入单片机，单片机的输出信号由光耦驱动继电器，经继电器触点接通或断开各个气动电磁阀。

2.3 模块三(加工站)

1）加工站的动作过程

产品在工件加工台上进行钻孔工序。在旋转工作台上有4个工位，用于存放工件，在每个工位的下面都有一个圆孔，用于光电传感器对工件的识别。加工过程一开始，．在第一工位上检测到有工件，则工作台开始旋转，到达加工工位(第二工位)时，对工件进行钻孔加工。加工完毕，工作台重新旋转到达第三工位时，对钻孔的深度进行检测，判断是正品还是次品；检测完毕，工作台又重新旋转到达第四工位时停止。

2）控制系统硬件构成

输入元件(14路)：手动／自动切换开关、上电按钮、复位按钮、急停按钮、单站／联网切换、电感式接近开关(1)、光电开关(1)、磁性开关(6)、电容传感器(1)。

输出元件(5路)：伸缩电磁阀、传感器升降电磁阀、电机升降电磁阀、钻孔电机、工作台电机。

由于总线扩展引起并行口不够用，需扩展8255一片。

对于直流电机驱动的旋转台来说，工作台动力传递是通过一对齿轮减速，检测工作台的转动位置则是利用电感式传感器，这样比较便于定位控制。4个金属的定位凸块与工作台的4个工位相互对应，同时相对固定各凸块与工作台。在这样情况下，感式接近开关动作。会在凸块接近电感式接近开关情况下，同时信号“1”进行输出，工作台是否转到了工位也可以用该信号判断。

在加工单元的底板上固定光电传感器，当工作台在第一个工位的下方情况下，并且转到第一个工位，光电传感器发出的光线将直接穿过工作台在各个工位处的圆孔，不会被遮挡，这样光电传感器就没有反射光线，对于光电传感器的输出信号为“O”。但是当孔被工位上放上工件挡住，此时反射给光电传感器后，就会输出信号“1”。是否有工件放到了第一个工位上就可以通过光电传感器信号的变化来进行判断。

钻孔加工模块完成对工件钻孔操作，加工工件时，工件由夹紧缸夹紧，钻头由直流电机驱动，钻头进给由钻孔气缸完成，其两个运动极限位置通过两端的磁感应式接近开关检测。

钻孔加工结果的模拟检测过程是通过检测子模块实现的，同时，检测气缸、固定架、支架、磁感应式接近开关等组成该系统。当气缸杆在检测工件的时候能够下降到位，这样就说明了孔深度加工合格，反之则认为不合格。气缸的位置是通过安装在气缸两端的磁感应式接近开关来判断的。

2.4 模块四(安装站)

1）安装站动作过程

模块开始工作，选择要安装工件的料仓，将工件从料仓中推出，被加工工件通过真空吸盘吸住，再加之摆动气缸动作，将工件配件黑白子传送到下一站(安装搬运站)，摆动气缸返回。

2）控制系统硬件构成

输入元件：手动／自动切换开关、上电按钮、复位按钮、急停按钮、单站／联网切换、磁性开关(上下、左右、前后限位)。

输出元件：推料电磁阀、抽真空电磁阀、真空吸盘释放电磁阀、上升电磁阀、下降电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀。

2.5 模块五(安装搬运站)

1)安装搬运站动作过程

当第四站完成动作，安装搬运站开始工作，先根据第三站的信号来辨别工件是否合格，利用摆臂机械手，将合格的产品送入安装工位进行安装加工，不合格的产品放到废品箱里。

2）控制系统硬件构成

输入元件：手动／自动切换开关、上电按钮、复位按钮、急停按钮、单站／联网切换、磁性开关(上下、左右、前后限位)。

输出元件：上升下降电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀、机械手左移电磁阀、机械手右移电磁阀。

2.6 模块六(分类站)

1）分类站动作过程

安装好的工件由运转的皮带上按颜色不同送到各个不同的仓库按工件类型分类，将工件推入库房，并统计不同类型工件的数量。

2）控制系统硬件构成

分类站控制系统硬件构成见图3.12。

输入元件：手动／自动切换开关、上电按钮、复位按钮、急停按钮、单站／联网切换、磁性开关(上下、左右、前后限位)。

输出元件：上升下降电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀、机械手左移电磁阀、机械手右移电磁阀。

2.7 站间通信

通讯肯定要在各站连成一模拟生产线后实施，比如加工产品的相关数据，包括工件颜色、装配信息、废品信息等进行传输，同时保证系统的安全可靠运行。前站给出系统中各站开始工作的运行信号。所以说，通过启动按钮启动工作的往往只有第一站(上料检测站)。

3 结束语

现代控制技术的一个重要发展方向就是相关的网络技术，国家工业控制技术的发展水平有时候是通过现场总线的主流标准CAN总线技术在现代自动控制领域中的应用来说明的，本文主要针对CAN总线技术特点、组网、协议标准及其在测控技术方面的应用展开研究。根据预期的目标和实际要求，设计了一套测控系统，论述了构成自动线测控系统的具体硬件设计和软件实现方法,对于今后相关自动控制领域中发展具有具一定帮助。

[1] 李涛, 李辉, 宋庆丰. 基于CAN总线技术的工业环境监控系统研究[J]. 制造业自动化, 2009, 32(12).

[2] 刘素华, 沈三民, 黄仁杰. 基于CAN总线的数据接收控制方式的设计[J]. 电视技术, 2012, 36(1).

[3] 潘亮亮. 基于CAN总线的750kV避雷器阻性电流在线监测系统[J]. 电力自动化设备, 2010, 30(12).