基于PLC控制的自动化生产线教学设备

　　摘要：为适应教学的需要，使学生掌握PLC在工业自动化生产线上的应用，研制了基于PLC的铝电解电容器装配自动化生产线教学设备，介绍了该自动化生产线教学设备的结构、工作流程及PLC控制的实现。
　　关键词：PLC；自动化生产线；教学设备
　　自动化生产线是在流水线的基础上逐渐发展起来的，是一种先进的生产组织形式，是能实现产品生产过程自动化的一种机器体系。自动化生产线由工件传送系统和控制系统组成，它不仅要求线体上各种机械加工装置能自动地完成预定的各道工序及工艺过程，使产品成为合格的制品，而且要求按照规定的程序自动地进行工作。
　　PLC（可编程序控制器）是采用微机技术研制的工业自动化装置，作为新一代的工业控制器，以其通用性强、灵活性好、运行可靠、易学易用、抗干扰性强等明显特点，越来越广泛地应用于工业自动化领域，成为自动控制的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。用PLC来控制自动化生产线这样较复杂的生产设备，是理想的选择。
　　为适应教学的需要，使学生更好地掌握PLC在工业自动化生产线上的应用，我院教学人员研制了基于PLC控制的自动化生产线教学设备，可以模拟企业中铝电解电容器装配自动生产的过程。该自动化生产线综合应用了多种技术知识，如气动控制技术、机械技术、传感器应用技术、PLC控制和组网、步进电机位置控制和变频器技术等，模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程。
　　一、自动化生产线系统的组成
　　铝电解电容器装配自动化生产线的组成：自动化生产线安装在铝合金导轨式实训台上，由供料站、装配站、加工站、输送站和分拣站共5个工作站组成，其组成结构图如图1所示。各工作站均设置一台西门子S7-200系列PLC承担其控制任务，各PLC的具体型号标示在图上。另外，铝电解电容器装配自动化生产线设备是一套半开放式的设备，用户在一定程度上也可根据自己的需要选择设备组成工作站的数量、类型，最多可由5个工作站组成，最少时一个工作站即可自成一个独立的控制系统。
　　设备中的各工作站均安放在实训台上，便于各个机械机构及气动部件的拆卸和安装、控制线路的布线、气动电磁阀及气管安装。其中，输送站采用了最为灵活的拆装式模块结构：组成该单元的按钮/指示灯模块、电源模块、PLC模块、步进电机驱动器模块等均放置在抽屉式模块放置架上；模块之间、模块与实训台上接线端子排之间的连接方式采用安全导线连接，最大限度地满足了综合性实训的要求。
　　二、自动化生产线的工作流程
　　首先是铝电解电容器的组成结构。铝电解电容器由铝壳、素子和胶粒组成，其结构示意图如图2所示。
　　铝电解电容器装配自动化生产线实训教学设备的工作流程如图3所示：供料站供料，将铝壳（由黑、白二种颜色的塑料件代替）自动送出到物料台上，由输送站的机械手将铝壳抓取送往装配站的物料台；装配站将素子（由小圆柱塑料件代替）嵌入铝壳完成装配后，再由输送站的机械手将装配好的工件送到加工站的冲压机构下面，完成一次冲压加工操作后（模拟胶粒的封闭），然后再由输送站的机械手将工件抓取送往分拣站的传送带；分拣站将加工后的成品进行分拣，使加工好的黑、白色的工件从不同的料槽分流。
　　输送站是自动化生产线中最为重要同时也是承担任务最为繁重的工作站，其机械手是一个能实现4个自由度运动（即上升下降、伸出缩回、夹紧松开及旋转）的装置，该装置整体安装在步进电机传动组件的滑动溜板上，在传动组件带动下作直线往复运动，精确定位到指定工作站的物料台，在物料台上抓取工件输送到指定地点然后放下。步进电机由步进电机驱动器进行驱动，其脉冲信号和驱动方向信号由输送站的PLC控制，如图1所示。
　　在分拣站中，采用异步电动机拖动传送带输送物料。异步电动机的转速及方向由变频器来控制，而变频器的启停是由分拣站PLC控制，如图1所示。
　　三、自动化生产线系统的软件实现
　　铝电解电容器装配自动化生产线教学设备的控制系统采用STEP7 Micro/WIN V4.0的编程软件。这是一款专为西门子公司S7-200系列小型PLC而设计的编程工具软件，为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。它简单易学，能够解决复杂的自动化任务；同时支持STL、LAD、FBD三种编程语言，用户可以根据自己的喜好随时在三者之间切换；软件包提供无微不至的帮助功能，即使初学者也能容易地入门；包含多国语言包，可以方便地在各语言版本间切换；具有密码保护功能，能保护代码不受他人操作和破坏。使用该软件可根据控制系统的要求编制控制程序并完成与PLC的实时通信，进行程序的下载与上传及在线监控。
　　四、PLC控制系统的通信
　　S7-200的通信接口为RS-485，通信协议使用PLC自带标准的PPI协议进行数据通信。在使用PPI协议进行通信时，只能有一台PLC或其他设备作为通信发起方，称为主站，其他的PLC或设备只能被动地传输或接收数据，称为从站。
　　在铝电解电容器装配自动化生产线中，5台PLC分别控制5个工作站，因此需要将5台PLC联网，实现5台PLC之间的数据传送，完成自动化生产线的自动控制。在网络中，指定输送站为主站，其余各站为从站。各台PLC之间通过RS-485串行通信实现互连，构成分布式的控制系统，如图1所示。
　　铝电解电容器装配自动化生产线各工作站实现PPI通信组网的操作步骤如下：
　　1.设置各台PLC的系统块参数
　　使用PPI/RS485编程电缆分别对PPI网络内每一台PLC设置系统块参数，即PLC地址和波特率的参数设置。PLC地址一般将输送站的CPU系统块的端口0设为1号站（主站），而将供料站、装配站、加工站和分拣站的CPU系统块的端口0分别设为2、3、4、5号站（从站），如图1所示。另外，将5台PLC的波特率统一设为187.5kbit/s，如果波特率不一致，可能会产生通信错误或失败的现象。将5台PLC的系统块参数设置后，分别下载到各自的CPU。
　　2.计算机与主站、主站与从站之间的网络连接
　　使用西门子专用的网络连接器和连接线将每台PLC连接成PPI网络；将RS-485/RS-232PPI编程电缆插到主站PLC的带编程接口的连接器上，运行STEP7-Micro/WIN软件，刷新PPI网络内每一台PLC及其相应地址。若网络通信正常，会在该窗口显示出PPI网络内每一台PLC及其相应的地址。
　　3.编写主站网络读/写程序段
　　借助网络读写向导程序，可以快速简单地配置复杂的网络读/写指令（NETR/NETW）操作，并初始化指定的PLC为PPI主站模式，同时使能网络读/写操作。在PPI网络中，只有主站程序中使用网络读写指令来读写从站信息，而从站程序没有必要使用网络读写指令。输送站担任着主站的角色，它接收来自按钮/指示灯模块的系统主令信号，读取网络上各从站的状态信息，加以综合后，向各从站发送控制要求，协调整个系统的工作。
　　4.编写控制程序并运行调试
　　编写各站的控制程序，分别下载到各自的PLC，进行自动化生产线的整体程序运行及调试。
　　五、结 语
　　基于PLC的铝电解电容器装配自动化生产线教学设备在实训室通过调试、运行，现已投入课堂教学，取得了良好的教学效果。此设备可以根据生产需要由学生自己编程并调试，不但使学生掌握气动技术、PLC编程技术、传感器与检测技术、电机控制技术及自动化生产线的安装与调试技术的综合应用，而且使学生掌握自动化生产线设备现场管理和故障排除等技能，从而更好地培养学生的创新意识和动手实践能力。
　　参考文献：
　　[1] 吕景泉，等.自动化生产线安装与调试[M].北京：中国铁道出版社，2008.
　　[2] 廖常初.S7-200 PLC基础教程[M].北京：机械工业出版社，2007.
　　[3] 张运刚，等.从入门到精通—西门子S7-200PLC技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，200