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小型非标加工装配生产线的控制系统设计

  为了更好地满足现场技术人员对非标自动化设备控制系统和通信网络设计的需求,以一套基于RS485总线N:N网络的小型非标加工、装配生产线为对象,系统阐述了非标自动化设备控制系统的设计和调试方法,包括电气、气动、通信、上位机监控和触摸屏画面等部分,设计思想和技术要点可以为相关研究人员提供有益的参考。
  根据客户需求定制的非标自动化生产线因操作灵活,适应性强,在汽车、电子、物流、食品等领域得到广泛应用。因为非标自动化设备要根据具体使用场所、行业特征及用途自主设计,使得控制系统和通信网络的设计成为难点。为了满足现场需求,本文对设计的一套由上料、搬运、加工、安装、搬运和仓储等6个工作站组成,完成加工、装配、仓储任务的小型非标生产线控制系统的设计过程和要点进行了阐述和分析。
  1、控制方案确定
  (1)工作流程
图1 工作流程图
图1 工作流程图
  基本工作流程如图1所示。启动后,上料站料仓中的工件被推送到传送带上,传送带带动工件运动,经检测颜色(用于分类装配和仓储)后送至搬运点。搬运站的机械手将工件送至加工站平台,完成钻孔和检测孔深的任务,然后由安装搬运站机械手运至安装站进行装配,完成后再搬运至仓储站平台,由堆垛机构放置到指定的仓储位置。
  (2)控制方案
图2 自动化生产线控制系统框图
图2 自动化生产线控制系统框图
  由于各部分功能相对独立且存在一定距离,为每个工作站配备1台PLC,完成该站的控制任务;用1台触摸屏作为人机界面,控制生产线的运转;采用1台安装上位机监控程序的PC机(或IPC)用于运行状态监控。建立起图2所示的小型分布式控制系统网络。各工作站PLC间的网络连接采用基于RS485总线的N:N网络,与全局I/O、计算机链接、CC—link总线等其它PLC组网方式相比,N:N通信具有结构简单、实现方便、投资成本低、通信速度较快等优点。主站PLC与触摸屏间用编程口相连,与上位机问利用触摸屏的透过功能间接连接,这样既实现了控制要求,又节省了专用通讯板的费用。据此制定了控制要求:
  ①各站均可进行手动控制、自动控制和上位机监控;
  ②手动控制是利用各站控制面板上的按钮对主要执行部件进行点动控制;自动控制完成各站的单站运行和联网运行;远程监控是利用上位机程序对各站运行情况进行监控;
  ③自动控制方式下,设备运行前需要首先复位,工作过程中如按下停止按钮,设备完成当前工作站的工作流程后停止:
  ④急停时拍下紧停按钮,设备立即停止,再次运行前要重新上电、复位。
  2、硬件设计
  控制系统硬件设计部分包括气动部分设计、电气部分设计和各通信硬件的配置等
  (1)气动回路设计
图3 上料站气动回路图
图3 上料站气动回路图
  设计的上料站气动回路如图3所示(其它站类似)。该站需要控制推料、阻挡两个气缸动作,完成推出工件、阻挡工件的任务。采用2个带手控开关的两位五通电磁阀控制气缸杆动作方向,用单向节流阀回气节流方式调节伸缩速度。气源组件为静音活塞泵和气源三联件。气动元件中电磁阀选用亚德客4V120—06型电磁阀组,线圈为DC24V、2.5W。选用SMC的自由安装标准气缸CDU20—50D和CDU20—15D,缸径dp20mm,行程为50和15ram,带磁性开关,最高气压0.7MPa。气管选8ram工业胶管。
  (2)电气部分设计
  考虑输入输出情况和执行机构特点,仓储站PLC选择三菱FX2n一48MT,晶体管输出,其余各站选择继电器输出型的FX2n一48MR,总点数均为48个。分配输入输出端子。绘制上料站PLC的接线图如图4所示。
图4 上料站PLC接线原理图
图4 上料站PLC接线原理图
  主电路设计需要完成上电紧停回路、执行机构回路、电源配线电路等。紧停的实现方式通常有三种:切断总电源、切断信号系统和切断执行机构电源。本设计采用第3种紧停方式,当紧停按钮按下时,通过继电器常开触点切断执行机构输出回路。用PLC的Y16,Y17端口分别控制紧停回路中两个继电器线圈,实现用监控软件实现上电、紧停的目的。直流电机、报警灯、蜂鸣器等执行机构用中间继电器控制。
  根据原理图,布置元器件、分配接线,绘制控制柜布置图、面板布置图等,完成控制柜和面板设计。
  (3)通信硬件配置
图5 N:N网络配线示例
图5 N:N网络配线示例
  N:N网络配线示例如图5所示。是FX系列PLC借助通信模块实现的一种数据通信系统,所连接总站点数最大为8个,采用半双工串行通信,传输标准符合RS485,波特率为38400bps,采用FXzc-485BD通讯板连接时最远通信距离为50m,其它通讯规格固定。可按图5所示的方式组建N:N网络,在每台PLC基本单元通信口插入通讯板,用屏蔽双绞线相连(也可自制端子板方便连接),屏蔽层接地。采用单对子布线,即短接SDA和RDA、SDB和RDB,用1对导线对应端子连接,在终端端子RDA和RDB间接入110欧、0.5W 的终端电阻嘲。触摸屏的COM0口与主站PLC用通信电缆连接,COM1口与PC机用9针串口线相连。
  3、软件设计
  包括上位机组态监控程序、触摸屏程序(这里统称为监程序)和PLC控制程序设计等。
  (1)监控程序设计
图6 上料站监控程序画面
图6 上料站监控程序画面
  上料站监控程序画面如图6所示。上位机监控程序用于动画显示系统的运行情况、提示工作状态、故障报警等,选择组态王6.5作为开发平台。设计组态程序需要考虑图形界面、变量创建及设备连接、动画连接等。为每个工作站建立了监控画面,用开机画面实现沟通。根据输入输出信号、动画连接及显示信息需要创建内存变量,根据需要增减。画面完成后将输入输出变量与N:N网络刷新范围内的主站辅助继电器连接,通过PLC程序和网络与各站I/O端口沟通。动画连接通过修改图素属性或编制“命令语言”实现。
  触摸屏是最方便的人机交互方式,选用的三菱F940GOT—SWD功能完善,图形界面设计用GT DesignerV5软件制作,包括初始设置、创建显示画面、制作和设置对象功能、数据下载等。
  (2)PLC控制程序设计
  设计PLC控制程序是根据各站的控制要求,确定控制方式和不同控制方式下的控制流程,据此编制单站控制程序和通信程序。各站均具有手动、自动、联网等控制方式,其中联网控制是关键,主、从站的联网运行控制流程如图7所示。各站点间的联网控制方式为:主站在初始位置收到“启动”信号后运行;2-5站,在初始位置收到上站“完成”、下站“准备好”信号后运行;6站,在初始位置收到前站“完成”信号后运行。
图7 PLC联网控制流程
图7 PLC联网控制流程
  (3)通信参数设置
  建N:N网络,因为波特率、数据位等通讯规格固定,PLC程序中只需要设置站号、站数、刷新范围等。不同的刷新范围,可用的位元件、字元件数和区间不同,选用刷新范围2时位元件为64点,1~6站的范围为MIO00一M1384,字元件为8点,DO D57。通讯程序用到的编程元件有特殊辅助继电器M8038,寄存器D8176~D8180。需要在主站和各从站PLC程序首行输入通讯程序如图8所示。
图8 N:N网络通讯参数设置程序
图8 N:N网络通讯参数设置程序
  4、调试过程及分析
  设计、安装完成后,需要对各部分进行调试和上电联调。
  (1)工作站调试
  ①在断电情况下与电气图对照,检查各站接线端子的通断状况。
  ②利用仿真软件调试各站的控制程序。
  ③下载和调试单站的手动和自动控制程序,对照监控模式下的PLC程序,查找问题。
  (2)通信状态调试
  完成参数设置和网络连接后,重新启动PLC电源,观察通讯板SD、RD灯,两灯均长亮,网络畅通;SD快速闪烁,表示在发送数据;RD闪烁,表示在读取数据。还可以编制握手程序检验通信效果,如用主站的X0~X3通过刷新范围的M或D控制从站的Y0~Y3,用主站Y10~Y15显示各从站的返回信息。
  (3)联网运行调试
  输入联网运行控制程序,各站完成上电、复位后,用主站控制面板上的启动、停止按钮控制联网程序的运行,观察控制流程的运行情况。
  (4)监控程序调试
  组态监控程序要调试监控画面运行和与设备的配合状态。可在画面上用按钮和小灯模拟输入输出,观察画面中的图素能否按流程动作,位置是否合适;然后建立设备连接,运行控制程序,观察各图素与执行机构是否同步。触摸屏的调试包括通信和控制两部分,前者可用画面上的按钮通过PLC的辅助继电器控制Y端口,用外部元件控制界面上的状态信息,确保通信畅通;后者可与控制程序配合,保证利用触摸屏的控制和显示信息及时准确。
  经过上述调试和试运行后,设计的非标生产线能够实现工作流程,满足控制要求,体现出分布式控制分散控制、集中操作管理的特点,设计思想可以为相关技术人员参考。由于非标设备的使用对象和工况条件不同,建立类似的小型生产线可以在工作流程、控制方案、操作和监控方式等方面作适当调整。





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