基于PLC的教学用自动装配生产线研发

杨　维

(陕西国防工业职业技术学院, 陕西 西安 710300)

基于PLC的教学用自动装配生产线研发

杨维

(陕西国防工业职业技术学院, 陕西 西安 710300)

摘要：目前，工件的装配、检测、自动分类和自动上下料等工作在很多企业中都是由自动生产线来完成。开发相应的监控系统便能显示各工位状态，提高生产效率，避免人为因素造成的工件质量不稳定性。给出了教学用自动装配生产线控制及监控系统的设计与实现方法，设计中采用SIMATIC S7-300、S7-200系列PLC和组态王构建了一个由PLC控制和上位机监控系统组建的典型工业控制系统，模拟一个与工厂生产过程接近的控制环境，增强了生产线的可靠性和实时性，具有操作方便、结构简单和实用直观等特点。

关键词：PLC；组态王；自动装配生产线

随着生产过程的智能化和网络化，国内外对自动生产线相关技术的研究十分重视。多方面采取措施加速我国传统工业设备的自动化改造，大力发展我国生产自动化技术己成为当务之急，其中，培养高水平工业复合型人才已成为一个促进工业化发展的重要渠道；因此，对自动生产线教学装置的研究与开发具有十分重要的意义。此外，生产线平稳运转以及适应生产工艺的多样化是自动生产线的重要特点，工控智能化和自动化是满足这些条件的必要保障，上位机监控及通信系统是自动装配生产线的关键技术，是生产线稳定运行的保障，为使培训学员学习环境更符合实际工业生产过程，设计中采用可编程控制器对教学用自动装配生产线监控系统和通信系统进行更进一步的研究与开发，使其功能更加综合、全面[1-2]。

1自动装配生产线总体功能方案

本文所设计的自动装配生产线综合体现了气动、传感器和PLC等多方面技术的综合应用，设备可以达到与企业实际工作流程接近的程度。目前，国内外教学用自动生产线设备大部分采用模块化的设计思路，由多个模块实现相应的生产功能，各模块经过各种组合还可实现不同的生产功能，不仅能单站运行，还能多模块或全线联机运行。根据所开发的自动装配生产线机械结构及布局将系统划分为5个模块：上料模块、加工模块、安装模块、输送模块和立体仓库模块，模拟实现工件的钻孔加工、装配与入库过程。其中，各模块能单独工作，也可以与其他模块配合，模拟实现生产线上部分或全部工作过程[3]。

该生产线各模块分别实现如下功能：上料模块作为整个自动装配生产线的起始站，向生产线提供所需的原材料，按生产需要将料仓中待装配的工件自动取出，并检测工件颜色，等待下一模块搬运；加工模块中，物流传送过程的模拟是采用四工位工作台实现的，该模块可分为4步，即上料、钻孔、检测和卸料，具备待加工工件的模拟钻孔和对工件钻孔质量的检测等功能，从而达到模拟实际工件钻孔加工过程的效果；安装模块用于提供装配用的2号小零件，并将该工件装配到大工件的孔中，它能自动地取出料仓中放置的2号小零件(黑色、白色)，并将其装配到安装模块物料平台上1号大工件空腔中，实现大、小零件的装配；输送模块功能是伺服电动机驱动操作手到指定模块的物料台，在该物料台上抓取所需工件，将其输送到指定模块的物料台；立体仓库模块是4×4的仓库，用于存储加工完毕的工件，在生产线上，该模块按照检测到的工件信息自动将装配好的工件运送至相应仓位，它是自动生产线的最后单元。设计中将每个工作模块的控制由一个独立的可编程控制器实现，将上料模块作为整个系统的主站，其余4个模块均设置为从站，自动装配生产线总体架构如图1所示。

图1　自动装配生产线总体架构图

2自动装配生产线软件设计

整个系统软件设计流程如图2所示，根据该流程图细化每个工作模块顺序控制流程图，在此基础上可进行各模块工作程序的设计。

图2　系统软件设计流程图

图2中，数据位D0存储1号大工件的颜色信息，数据位D1存储2号小工件的颜色信息。当工件颜色为白色时，将相应的数据存储位置1，否则清0。编程时，首先，对设备各模块进行初始化，若有加工需求，上位机对上料模块发出命令，上料模块工作，并检测1号大工件的颜色信息存入D0；然后，输送模块将其送入加工模块进行钻孔及孔的深度检测；当孔加工并检测完毕，输送模块再将1号大工件送入安装模块，进行安装2号小工件的工作；最后，将装配好的工件送入立体仓库模块分类存储。

3程序设计

PROFIBUS-DP现场总线网络只需在S7-300主站的硬件组态中配置专用缓冲区即可(输入输出字节数)，在主从站间无需编写专门的通信程序。例如组态时输送模块(地址为6)选择“8 Bytes Out/8 Bytes In”，在S7-300侧建立的I/O缓冲区为PIB11～PIB18和PQB11～ PQB18，将4个EM277拨位开关拨到硬件组态时相同，则200侧的通信区VB40～VB47为接收区，VB48～VB55为发送区[4]。

3.1数据通信编程

从站的站点地址设置明确且不重复，可以方便地实现主从站之间的通信控制。S7-300侧的编程用2条数据传送指令即可实现数据通信。

CPU315-2DP主站与从站输送模块的通信网络将由S7-200侧传到S7-300接收缓冲区PIB，将PIB对应的工件信息读出至MB；将S7-300中MB的数据通过输出缓冲区PQB发送到S7-200。其余各从站的信息与主站传送过程类似，不再赘述[5]。

3.2上料模块控制程序

按上料模块功能设计顺序功能流程图(见图3)。

采用左移指令将图3所示的顺序功能流程图转换为图4所示的梯形图。图4a体现的是各步间的转接关系，图4b体现的是每一步对应的动作。

图3　上料检测站顺序功能流程图

图4　上料检测站控制梯形图

系统上电，程序将使M0.0置1，使Q1.7闪烁。SM0.5特殊功能继电器中闪烁脉冲。M0.7这步没有对应的动作，但这是模块实现工作循环的重要一步，其他各步分析方法类似。

4上位机监控系统

PLC寄托于生产线机械本体发挥其智能作用，现场PLC控制站主要负责对生产线现场进行控制，收集PLC采集的设备运行信息上报给监控系统。上位机组态监控系统可以通过读取PLC的状态从而实现对生产线的在线监控。本设计中控制系统配置1台计算机进行生产线实时监控。生产线监控系统软件开发平台选用北京亚控公司的组态王KingView6.54软件。上位计算机系统的生产调度数据和命令发送给集中监控计算机，以实现对各生产线模块现场设备的状态监控、单/联机操作和手动/自动切换等功能[6]。系统联网监控画面如图5所示。

图5　系统联网监控画面

5结语

本设计在教学用自动装配生产线上将PLC技术与组态王软件相结合，控制生产线各执行机构，组成了效率高、实时性高、稳定可靠的网络化自动控制系统。综合应用多学科工业技术提高了系统的可靠性和稳定性，满足了各项设计要求，对于高校机电一体化教学具有较大的促进意义。

参考文献

[1] 于常友. 工业自动化技术的特点及工业自动化的重要性[J]. 冶金自动化，2001(2):1-5.

[2] 朱良漪. 从社会进步的观点探讨中国的仪器仪表与自动化技术的发展[J]. 仪器仪表标准化与计量，1999(6):2-7.

[3] 牛丽,丁海波. 基于PLC及现场总线的MPS系统控制研究[J]. 工业控制计算机，2008(9):85-86.

[4] Tian H F, Li Y H. Design of mine winder depth indicator based on PROFIBUS-DP[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2005, 26: 429-431.

[5] Tovar E, Vasques F. Real-time fieldbus communications using profibus networks[J]. Industrial Electronics, 1999, 46(6): 1241-1251.

[6] 刘文贵，刘振方. 工业控制组态软件应用技术[M]．北京：北京理工大学出版社，2011.

责任编辑郑练

Research and Development of Automatic Assembly Line for Teaching based on PLC

YANG Wei

(Shaanxi Institute of Technology, Xi’an 710300, China)

Abstract:At present, the workpiece assembly, testing, automatic classification, automatic loading and unloading work are completed by the automatic production line in many enterprises. Development of monitoring system can display the corresponding position state, improve production efficiency and avoid the workpiece quality instability caused by human factors. The paper presented the design and implementation method of teaching used in automatic assembly line control and monitoring system. The design used the SIMATIC S7-300, S7-200 PLC and KingView to construct a PLC and computer control system of typical industrial control system, to stimulate a control environment closed to the factory production process, so as to enhance the reliability, real-time production line, it has the advantages of convenient operation, simple structure, practicality etc.

Key words:PLC, Kingview, automatic assembly line

收稿日期：2014-06-30

作者简介：杨维(1983-)，女，讲师，硕士，主要从事机电一体化等方面的研究。

中图分类号：TP 29

文献标志码：A