教学用柔性自动化生产线控制系统优化

朱 丹，陶晓庆，罗 琛

(1.陕西能源职业技术学院实践教学管理处, 陕西 咸阳 712000)(2.国网陕西省电力公司, 陕西 咸阳 712000)

随着我国科学技术的发展，柔性自动化生产线在现代工业企业中得到了广泛应用[1]。为了更好地提高学生的自动化生产线设备操作、安装、设计和维修维护等相关技能，柔性自动化生产线实训设备应运而生，旨在提高学生PLC技术、机械装配、气动技术等知识的综合应用能力，锻炼学生的动手实践能力，培养学生的创新能力，从而培养更加适应工业技术发展的技术技能型人才[2]。

20世纪50年代，美国麻省理工学院研制出世界上首台柔性自动化生产线设备，之后美国Melrose公司开发了数控自动化生产线[3]。我国在柔性自动化生产线方面的研究起步较晚[4]，很多关键技术还达不到国际先进水平。在实践教学方面，我国部分高职院校实训室一些购置较早的柔性自动化生产线，存在技术更新不足、与工业技术需求脱节等问题。

柔性自动化生产线是把多台可调整的机床设备联结起来、配以自动运送装置所组成的生产线[5]。柔性自动化生产线可分为机械结构和控制系统两个部分[6]。通过市场调研发现，自动化生产线设备的更新，更倾向于控制系统的更新，而机械结构的更新周期较长[7]。对于高校而言，一味地购进全新柔性自动化生产线，将会造成巨大的资源浪费。对老旧自动化生产线的控制系统部分进行优化，不但可以节省成本，提高设备利用率，还可以极大地提升生产线的自动化水平。

1 柔性自动化生产线

本文研究的柔性自动化生产线是为了提升学生的实践能力而研发的一款实用型实训设备。图1为西门子公司在2003年推出的THWSP-1型教学用柔性自动化生产线。

图1 THWSP-1型柔性自动化生产线

该设备由6套独立但相互关联的模块式工作站以及1套监控站构成。其中，工作站分别为：1)上料检测站；2)搬运站；3)加工站；4)安装站；5)安装搬运站；6)分类站。柔性自动化生产线设备具有柔性的特点，即每个独立模块式工作站配有一套可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)控制系统，系统涵盖了机电一体化技术专业中的多项实践技术，是一套较为全面的综合实践性实训设备。该实训设备与工程实际相结合，有利于提升学生的综合实践能力。

目前的THWSP-1型教学用柔性自动化生产线存在的问题可归结为以下两点：1)设备控制系统硬件接线电路问题。原设备采用网孔板式接线方式，有利于提高学生电气安装、操作的技能，但存在着费时、耗材消耗大，不利于学生学习电路原理的缺点。2)原设备的近程控制方式不能实现上位机远程控制功能，不能服务于自动化专业“工业过程组态软件”等课程的教学和实践，无法满足当前工业企业对组态技术人才的需求。

为顺应实际生产线生产作业中不断提升的自动化需求，本文从节约成本以及提高实训教学趣味性的角度出发，以陕西能源职业技术学院自动化教研室的 THWSP-1 型柔性自动化生产线实训设备为例，对其控制系统进行优化升级。

2 控制系统优化设计方案

THWSP-1型柔性自动化生产线是模拟现代化工业制造生产的实训装置。如图2所示，该设备采用近程控制方式(即按钮控制方式)，自动化生产线控制系统的自动化水平较低，无法实现远程监控功能，难以满足触摸屏组态技术课程的实践教学需求和企业人才技术需求。

图2 原控制系统硬件结构框图

本文从工作站核心控制器优化、硬件网孔板与接插线结合的模块式布线方式、增加并开发触摸屏和手机终端双远程控制功能、软件程序优化4个方面对该设备的控制系统进行优化设计与实现，提升控制系统的自动化水平，优化后的设备硬件结构如图3所示。

图3 优化后设备硬件结构

该优化方案在原设备上增加了上位机和手机终端双远程控制功能。上位机能够通过串口通信与以太网通信两种方式对各模块工作站进行单独控制。同时手机终端能够通过蓝牙模块或WiFi模块实现与上位机的并行控制。与原有近程控制方式相比，优化后的控制方案能够显著提升控制系统的自动化水平，增强设备的人机交互性能。

3 控制系统的优化与实现

基于2中控制系统的优化方案，对THWSP-1型柔性自动化生产线控制系统进行优化。

3.1 控制系统控制方式的实现

根据优化方案，优化后的设备控制系统增加了触摸屏和手机终端双远程控制功能，因此需要在原设备上增加并开发上位机触摸屏模块和手机远程控制模块。

针对该设备控制系统的硬件部分，本文选用深圳昆仑通态科技有限责任公司的MCGS触摸屏，对其进行上位机触摸屏监控功能和操控功能的设计。通过以太网、通信电缆、MCGS触摸屏组态设备，将设备本体与MCGS上位机仿真软件连接到一起。在增加MCGS触摸屏组态设备的同时，进行MCGS组态环境工程文件(包括画面的设计、变量的建立、动画的连接、通讯的设置等)的制作，再将工程文件通过以太网接口下载到生产现场的MCGS触摸屏面板中，实现上位机对设备的远程控制。同时，本文采用了单片机微控制器、安卓手机终端(软件APP Inventor开发)、HT-05蓝牙模块、ESP8266 WiFi模块，对设备本体进行远程控制，增加了远程控制方式的多样性。触摸屏与手机终端双远程控制示意图如图4所示。

图4 触摸屏、手机终端双远程控制示意图

触摸屏和手机终端双远程控制功能能够用仿真软件以动画的方式将电流走向、元器件动作等逻辑关系演示出来，并且双远程控制功能能够利用动画仿真与实训设备上电气元件实物动作相结合的方式，将实训过程变得简单易懂，增强了实训过程的趣味性，方便开展“学中做，做中学”的一体化教学，使实践教学内容更加贴近企业实际岗位。上位机触摸屏远程监控和手机远程监控功能的实现如图5所示。

图5 远程监控功能的实现

3.2 控制系统硬件接线方式的优化

原有柔性自动化生产线设备采用网孔板布局接线的方式。在实训时，学生会针对控制系统中核心控制器PLC的输入输出端进行频繁的接线练习，导致设备出现PLC硬件损坏、螺丝滑丝、硬件布局布线不合理等问题。因此，需要对控制系统接线方式进行重新布局。

本文将针对控制系统的硬件方面的气动回路、电气回路、PLC外部接线回路进行重新设计与硬件布线。

如图6所示，优化之后的布线方式采用了网孔板与接插线结合布线的方式。其中，左侧部分为采用了接插线方式的PLC外部接线回路，右侧部分为采用了网孔板接线方式的电气回路。接插线方式为采用带绝缘护的香蕉头插线，具有安全、快捷、经济等优点。针对PLC硬件线路，采用插接线的方式，可有效避免实训中频繁接线所导致的硬件损坏及螺丝滑丝等问题，也有效节省了耗材成本，并且接插线的使用便于学生接线、查线，有利于学生对硬件线路的设计、开发与学习。

图6 网孔板、接插线结合布线

3.3 调试与试验

根据优化方案，对THWSP-1型柔性自动化生产线的6个分站(上料检测站、搬运站、加工站、安装站、安装搬运站、分类站)进行软件程序设计及优化。基于现有柔性自动化生产线实训6个分站的控制流程和具体控制要求，先进行各分站核心控制器的手动控制程序设计，再进行各分站核心控制器的自动控制程序设计。将6个分站单独控制的程序全部调试完成之后，进行6个分站的联动控制程序设计及调试。

首先对原自动化生产线进行控制需求分析，统计实际的输入输出信号，设计I/O分配表，再进行程序的设计与编写。编写好PLC程序之后，进行语法和功能检查，正确无误后将程序下载到PLC，再观察设备是否能够正常运行并进行功能调试，排除故障。在实训室里先分模块上电试运行，当各个模块没问题后再进行联试。最终调试结果显示，系统能够正常运转，并且控制系统能够按照要求完成相应动作。经长时间的试验，系统未出现报错，由此说明本文控制系统优化方案能够实现THWSP-1型柔性自动化生产线长期稳定运行，达到了优化方案的预期效果。

4 结束语

本文针对THWSP-1型柔性自动化生产线控制系统进行了优化，设计并开发了触摸屏组态和手机终端控制的双远程控制方式，弥补了原设备只能近程控制的缺点，实现了动画仿真与实训设备电气元件实物动作相结合的教学方式，增强了实践教学的趣味性。本文的优化方法对于提高生产线的自动化程度，以及提高闲置设备利用率具有实际工程意义。