王衍皓，楊匯軍，陳翔麟

小型加工生產(chǎn)線自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的研究

王衍皓，楊匯軍，陳翔麟

（遼寧工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

分析了供料與加工的工藝過程，給出了核心的監(jiān)控方案。利用光電開關(guān)等傳感器實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，并利用輸送電機(jī)、電磁閥等實(shí)現(xiàn)送料及加工過程的控制。采用了RFID識(shí)別供料信息；利用TIA博途軟件進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)及組態(tài)界面。采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)CPU與觸摸屏通信，并利用WINCC設(shè)計(jì)了監(jiān)控畫面。最后對(duì)程序模擬調(diào)試及監(jiān)控運(yùn)行畫面調(diào)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)程序的可靠性，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)線的氣缸推料、氣爪搬運(yùn)、高度檢測(cè)、鉆孔加工的過程。

自動(dòng)化生產(chǎn)線；PLC；S7-1200；TIA

小型工藝生產(chǎn)線主要采用西門子1200系列產(chǎn)品作為軟件，結(jié)合機(jī)械手、傳送帶、傳感器、氣缸等硬件，形成一條完整的生產(chǎn)線系統(tǒng)，同時(shí)本系統(tǒng)采用軟件自動(dòng)控制，更加方便快捷[1]。

本系統(tǒng)主要采用PLC控制，SFC語(yǔ)言進(jìn)行編程處理，采用傳感器進(jìn)行檢測(cè)，機(jī)械手控制，傳送帶輸送物料，同時(shí)完成WINCC監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，PC機(jī)與PLC之間通信；該生產(chǎn)線由PLC控制，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)線的目標(biāo)，監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)線運(yùn)行狀況，以確保系統(tǒng)的安全性與可靠性[2-4]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 工藝過程分析

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為2部分(供料單元和加工單元)，工藝如圖1所示。工藝過程主要包括進(jìn)料、推料、抓取、檢測(cè)、加工及棄料等環(huán)節(jié)。每個(gè)特定工位均設(shè)置相應(yīng)的傳感器或者限位開關(guān)，識(shí)別物料的狀態(tài)及位置，來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥和氣缸動(dòng)作。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到有物料時(shí)，傳送帶將原料運(yùn)送到色標(biāo)傳感器處，并記錄物料顏色，根據(jù)之前記錄的顏色信息，氣爪將物料放置到不同的料倉(cāng)中；通過觸摸屏上的下單按鍵選擇需要加工的配料類型，氣缸會(huì)推出相應(yīng)顏色的物料，然后電機(jī)帶動(dòng)傳送帶，使物料向前移動(dòng)；同時(shí)擺渡氣爪抓取物料，完成物料到圓盤傳送，并由RFID讀取芯片數(shù)據(jù)信息，氣爪返回平臺(tái)位置。

物料放入轉(zhuǎn)盤后，圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)到檢測(cè)模組位置，對(duì)物料高度進(jìn)行測(cè)試，如果物料檢測(cè)合格，圓盤順時(shí)針移動(dòng)一定角度到加工模組位置，定位氣缸伸出將物料固定，由升降電機(jī)A和鉆孔電機(jī)B啟動(dòng)，完成對(duì)物料進(jìn)行加工；如果不合格，進(jìn)入清除廢料工序；如果下一站沒有物料堆積，則推料氣缸上側(cè)氣缸推出，將物料推到傳送帶上，RFID將物料測(cè)量結(jié)果寫入芯片，之后下方傳送帶開始工作，物料到推料氣缸處停止，推料氣缸下側(cè)氣缸推出，將物料推入下一站，完成后推料氣缸回到初始位置[5-6]。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

本設(shè)計(jì)主要由WINCC監(jiān)控畫面來(lái)模擬代替下位機(jī)完成工件自動(dòng)加工過程的控制，采用自定義運(yùn)動(dòng)變量來(lái)模擬演示自動(dòng)化供料、加工的過程，使用開關(guān)量代替控制推料、取料、檢測(cè)、加工、分揀中各執(zhí)行器件的相關(guān)動(dòng)作。

圖2 原理示意圖

本設(shè)計(jì)中采用西門子的S7-1214C PLC作為控制器，實(shí)現(xiàn)小型加工生產(chǎn)線的供料與加工工序自動(dòng)測(cè)控，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)可以分成以下幾個(gè)層次：控制層、通信層、執(zhí)行層、監(jiān)控層[7]。PC機(jī)采用博圖軟件進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)，利用監(jiān)控畫面監(jiān)測(cè)生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)；控制器采用西門子S7-1214C DC/DC/DC PLC，被控對(duì)象為小型生產(chǎn)線，由供料單元和加工單元組成，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPU選型

該生產(chǎn)線控制器采用西門子S7-1200系列，該控制器硬件組成具有高度靈活性，CPU模塊將微處理器、電源、數(shù)字量輸入輸出電路、模擬量輸入輸出電路、以太網(wǎng)接口、高速運(yùn)動(dòng)控制功能組合到一個(gè)緊湊的外殼中，系統(tǒng)擴(kuò)展十分方便。

2.2 擴(kuò)展模塊選型

根據(jù)需求，數(shù)字量輸入采用SM1221 6ES7 221-1BH32-0XB0，有8點(diǎn)和16點(diǎn)數(shù)字量輸入。輸出模塊采用SM1222 6ES7 222-1BH32-0XB0，具有16點(diǎn)數(shù)字量輸出。

本系統(tǒng)中需要用到RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)，故需要進(jìn)行通訊模塊擴(kuò)展。采用RF120C通訊模塊(6GT2 002-0LA00)實(shí)現(xiàn)與西門子工業(yè)識(shí)別系統(tǒng)的通訊。S7-1200 CPU1214C通過RF120C通信模塊，連接RF260R(6GT2 821-6AC10)讀寫頭，在TIA Portal V14軟件環(huán)境下，使用SIMATIC Ident指令塊對(duì)數(shù)據(jù)載體進(jìn)行讀寫操作。

由于PLC需要24 V電源供電，采用PM1207電源模塊把220 V轉(zhuǎn)換成PLC可接受的24 V電源。

2.3 觸摸屏選型

本設(shè)計(jì)中，生產(chǎn)線自動(dòng)監(jiān)控過程需要實(shí)時(shí)顯示，采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)監(jiān)控界面的顯示，適用于不太復(fù)雜的可視化應(yīng)用，集成接口支持以太網(wǎng)通信方式，因此選用西門子KTP700 basic觸摸屏。

2.4 RFID選型

(1)閱讀器選型

閱讀器通過集成的天線從發(fā)送應(yīng)答器讀取信息，然后發(fā)送到SIMATIC S7控制器。根據(jù)存儲(chǔ)的發(fā)送應(yīng)答器信息，SIMATIC S7控制器執(zhí)行不同的控制任務(wù)。本設(shè)計(jì)選用閱讀器型號(hào)為SIMATIC RF685R。

(2)發(fā)送應(yīng)答器選型

發(fā)送應(yīng)答器貼到工件夾具上。標(biāo)簽的空間方向始終相同。按此部署，每次只需檢測(cè)1個(gè)發(fā)送應(yīng)答器(單標(biāo)簽)。本方案中的發(fā)送應(yīng)答器是SIMATIC RF640T類型的發(fā)送應(yīng)答器。

3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

小型生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)物料的供料、檢測(cè)和加工的運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)這一控制目標(biāo)，將整個(gè)控制程序模塊化。主要模塊包括供料單元、機(jī)器手傳送物料、檢測(cè)物料高度、加工物料、推料、料倉(cāng)無(wú)料報(bào)警。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求，繪制出主程序流程圖，如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 加工單元流程設(shè)計(jì)

物料在加工站工作時(shí)首先判斷檢測(cè)模組上是否有物料堆積，無(wú)物料堆積時(shí)，物料被放入檢測(cè)工位，進(jìn)行物料高度檢測(cè)，并判斷物料高度是否合格；如果不合格進(jìn)入棄料工序；如物料高度合格，物料到下一工位進(jìn)行鉆孔加工。加工完成后推到成品料倉(cāng)[8]。

3.3 供料單元流程設(shè)計(jì)

根據(jù)要求設(shè)計(jì)氣爪搬運(yùn)物料的流程如圖6所示，首先使每個(gè)氣缸歸回初始位置，然后當(dāng)傳送帶末端光電傳感器檢測(cè)到有物料時(shí)，氣爪開始工作，氣爪夾緊物料后氣爪x軸方向氣缸啟動(dòng)，然后y軸氣缸啟動(dòng)使氣爪到達(dá)檢測(cè)工位上方，之后x軸氣缸啟動(dòng)放下氣爪，到達(dá)工位后氣爪松開，完成工序后氣爪回到初始化狀態(tài)[9]。

3.4 設(shè)備組態(tài)

本設(shè)計(jì)核心選擇CPU 1214C DC/DC/DC，訂貨號(hào)是6ES7214-1AG40-0XB0，對(duì)PLC進(jìn)行設(shè)備組態(tài)，添加1個(gè)擴(kuò)展通信模塊RC120C、4個(gè)16DI的輸入擴(kuò)展模塊SM1221和2個(gè)16DO輸出擴(kuò)展模塊SM1222，將它們組態(tài)到1個(gè)導(dǎo)軌上；添加HMI觸摸屏，選擇添加觸摸屏型號(hào)，本設(shè)計(jì)采用SIMATIIC精簡(jiǎn)系列面板中7寸顯示屏KTP700 Basic，訂貨號(hào)是6AV2 123-2GB03-0AX0。

生產(chǎn)線所需設(shè)備添加成功后，對(duì)該生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行組態(tài)處理[10]。

在添加完P(guān)LC、PC、HMI、RFID后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由以太網(wǎng)連接起來(lái)，網(wǎng)絡(luò)視圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)視圖

4 模擬調(diào)試過程

4.1 畫面布局

畫面設(shè)計(jì)部分包括總貌畫面、供料和推料畫面、檢測(cè)和加工畫面、抓取畫面。畫面上顯示該生產(chǎn)線所實(shí)現(xiàn)的功能以及具體實(shí)現(xiàn)過程。其中總貌畫面包括供料站運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)、加工站的運(yùn)行狀態(tài)、檢測(cè)站的工作狀態(tài)和系統(tǒng)的報(bào)警情況，控制部分包括自動(dòng)運(yùn)行按鈕和急停按鈕。

4.2 仿真調(diào)試

準(zhǔn)備就緒后，開始觸摸屏仿真調(diào)試。首先在總貌畫面中按下自動(dòng)運(yùn)行按鈕，供料站運(yùn)行狀態(tài)指示燈、機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)指示燈、加工站運(yùn)行狀態(tài)指示燈和檢測(cè)站工作狀態(tài)指示燈亮綠燈，系統(tǒng)沒有故障報(bào)警燈不亮燈，傳送帶電機(jī)開關(guān)按下電機(jī)開始工作，系統(tǒng)啟動(dòng)生產(chǎn)線自動(dòng)有序地運(yùn)行，運(yùn)行狀態(tài)如圖6所示。

圖6 總貌畫面

在供料和氣爪搬運(yùn)畫面中對(duì)供料和搬運(yùn)功能進(jìn)行仿真調(diào)試，檢測(cè)下殼上料點(diǎn)有料時(shí)，且物料傳送到顏色檢測(cè)位時(shí)，會(huì)選擇顯示顏色信息，物料繼續(xù)傳送，至傳送帶末端抓取點(diǎn)時(shí)，提升機(jī)氣爪運(yùn)行向下抓取物料，進(jìn)行一系列運(yùn)送動(dòng)作送至前后料倉(cāng)中，當(dāng)供料站前后側(cè)料倉(cāng)物料不充足的時(shí)候，報(bào)警燈亮紅燈。物料充足時(shí)，當(dāng)下端傳感器檢測(cè)到料倉(cāng)下端有料后，推料氣缸工作，推料計(jì)數(shù)加1。仿真調(diào)試過程如圖7所示。

圖7 供料倉(cāng)畫面

檢測(cè)工位有料時(shí)，檢測(cè)物料高度是否合格，如果合格轉(zhuǎn)盤電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)2 s使物料到加工工位，加工電機(jī)和鉆孔電機(jī)同時(shí)工作向下鉆孔加工，直到電磁鐵吸合鉆孔電機(jī)停止工作，加工電機(jī)上升同時(shí)轉(zhuǎn)盤電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)2 s使物料移動(dòng)到圓盤下料工位；如不合格紅燈亮起，轉(zhuǎn)盤電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)4 s使物料直接到下盤工位進(jìn)行棄料工序。仿真圖如圖8所示。

圖8 檢測(cè)和加工畫面

5 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)小型自動(dòng)化生產(chǎn)線供料及加工站對(duì)象，參考工業(yè)自動(dòng)化對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并使用TIA完成該生產(chǎn)線程序、畫面的設(shè)計(jì)，使用HMI人機(jī)交換設(shè)備完成對(duì)該生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)計(jì)。實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)線運(yùn)行狀況，及時(shí)修正問題，確保該生產(chǎn)線正常運(yùn)行，提高生產(chǎn)線的安全性、可靠性、時(shí)效性。

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Study on Automatic Monitoring System of Small-scale Processing Line

WANG Yan-hao, YANG Hui-jun , CHEN Xiang-lin

（School of Electrical Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

The feeding and processing process is analyzed in this design, the core monitoring scheme is also given. In this paper, the signal acquisition is realized by using photoelectric switch and other sensors, and the control of feeding and processing process is realized by using conveying motor and solenoid valve. RFID is used to identify the feed information, and the software design and configuration interface are carried out by using TIA software. The communication between CPU and touch screen is realized by Ethernet, and the monitoring screen is designed by WINCC. Finally, the program simulation debugging and monitoring running screen debugging verify the reliability of the design program, and also realizes the process of cylinder pushing, gas claw handling, height detection and drilling in automatic production line.

automated production line; PLC; S7-1200; TIA

TN911

A

1674-3261(2021)04-0257-04

10.15916/j.issn1674-3261.2021.04.010

2020-11-07

遼寧工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(2020052)

王衍皓(1999-)，男(滿族)，遼寧本溪人，本科生。

楊匯軍(1970-)，女，遼寧凌海人，副教授，碩士。

責(zé)任編校：孫 林