引言

    現代工業生產中，自動化生產線的應用極大提高了生產效率和生產質量。而生產線的設計、制造、控制及應用技術同樣在生產過程中起著重要的作用。

    20世紀70年代以前，工業生產中對于大批量的生產通常采用以繼電器為核心的自動化生產線。這種生產線雖然大幅度提高了生產效率，但其靈活性、可維護性等都受到較大限制。美國通用公司首先提出設計一種可編程邏輯控制器來代替繼電器為核心的電路的思路，由此產生了可編程控制器（Programmable Logic Controller,PLC）并從此廣泛應用于工業生產中。

    現代社會要求制造業對市場需求做出迅速反應，生產出小批量、多品種、多規格、低成本和高質量的產品，為了滿足這一要求，生產設備和自動生產線的控制系統必須具有的可靠性和靈活性[2]。可編程控制器可以滿足這一要求且已被廣泛應用于各種機械設備和生產過程的自動控制系統中。

    本文所介紹的控制系統是為一大型企業的焊接生產線而設計的。該生產線的主要特點是電磁干擾很強、生產節拍較弱、生產管理要求高等。這里所設計的控制系統從硬件、軟件等多個角度解決了現場控制中遇到的問題。

1系統功能

    該生產線上有4個焊接工位，1個裝料工位和1個卸料工位，分別負責焊接件的焊接、裝載和卸下（如圖1所示）。其中焊接工位從左到右分別稱A、B、C、D工位。未焊接件在裝料工位被裝在一運料車上（以下稱為原料車），由控制系統控制運送到需要原料的焊接工位，該焊接件被卸到相應工位后，原料車返回。當某焊接工位焊接完成，在卸料工位的運料車（以下稱為成品料車）前來接料，由它運送焊接件到卸料工位，并在卸料工位將焊接好的零件卸下進入生產線下游。兩輛運料車運行在同一條軌道上。

圖1生產線布置圖

針對生產要求，該生產線的控制系統有以下主要功能要求：

1）系統能判斷運料車的當前位置；

2）系統具有避免運料車相撞的功能或措施；

3）每個工位均可召喚和送出運料車；

4）每個工位具有顯示目前運料車是否可用的功能；

5）每個工位具有尋求幫助的功能；

6）系統具有重要故障報警功能；

7）系統具有緊急停車功能；

8）系統具有基本的啟動自檢功能；

9）系統具有防止誤操作功能；

10）系統具有一定的可擴展性。

2硬件系統

2.1控制器的選型

    PLC是專為工業控制設計的，一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工業環境中使用。根據PLC的特點及本項目的要求，控制系統的控制器選擇西門子的S7-200系列CPU226，它具有24個輸入及16個輸出端口。

2.2輸入、輸出點數的確定

    從系統的功能要求來看，需要的輸入點數30個，輸出點數為29個。所以，為了滿足需要，還需另外擴展模塊，這里選取一塊EM22316入DC24V/16繼電器出模塊。圖2為PLC控制器及擴展模塊輸入輸出配置圖。

2.3硬件中的抗干擾性設計

由于系統運行的環境非常惡劣，在抗干擾性設計上專門采用了一些措施：

1）設計中將低壓電纜與高壓電纜分開走線；

2）使PLC及其相關裝置的所有公共導線連接均接地至一個單點，該單點應當直接與系統接地相連；

3）將所有的直流電公共回線在同一個單點接地相連并將24VDC傳感器電源公共導線（M）與地連接；

4）所有的接地線路使用較粗的14AWG電纜；

5）為系統設計適宜的斷路器并設置電涌抑制設備；

6）使用屏蔽線路，獲得防止電氣噪聲的最佳保護并在PLC控制柜位置將屏蔽線路接地；

7）本系統所有輸出加裝繼電器，以提高系統可靠性；

8）軌道兩端設置限位開關，防止運料車沖出軌道。

3軟件系統

3.1控制功能

    控制軟件設計采用模塊化結構，使用“起保?！钡脑O計方法編制控制軟件，將兩輛運料車的動作分別劃分為若干步，這樣設計可以在邏輯上非常清晰，有利于對軟件的維護。圖3所示為控制軟件的順序功能圖。軟件編制中充分利用了現有資源，在操作靈活性與防止誤操作方面都設置了相應的措施。

3.2自檢功能

圖2生產線控制系統PLC端口布置圖

    系統加電后，在PLC首次掃描期間，程序將逐個檢查所有開關、按鈕的狀態，如有故障，將報警并停止下一步工作。PLC控制器增加運行前的自檢功能，可以防止誤操作，提高了設備工作的可靠性。

3.3計算功能

    PLC具有數學運算（函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。本文編制的PLC程序采集相應的數據并對數據進行處理，從而可以判斷運料車的運行狀態、呼叫工位、料車位置等。

3.4故障報警功能

    系統設置了完善的報警停機功能，設置有運料車動作超時、工位誤操作等報警，對生產過程中各參數都進行了實時監測，異常時自動報警。系統若有故障，所有工位的紅色指示燈將閃爍，系統停止運行并等待故障解除，同時PLC將故障代碼存貯起來?？刂迫藛T可以查看故障代碼分析報警原因，以便采取應對措施。

3.5安全保障功能

    由于兩輛運料車處于同一條軌道，防止其相撞成為最主要的安全考慮問題。軟件設計上，首先從邏輯上防止此現象的發生，其次，采用判斷運輸車行走時間來防止事故出現，也就是所有的工位操作或運料車動作都有時間限制，若有超時現象發生時，系統會自動報警并切斷生產線的動力。這樣可以最大限度防止操作失誤及撞車事故的發生。

3.6通訊功能

    為了完成生產管理，提高生產效率，控制系統的控制及狀態參數都通過ProfiBus-DP總線與總控室的上位機通訊。它具有高速低成本，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。所以系統具有較高的傳輸速率（可達12Mbps），傳輸距離可以達到1000m。此部分軟件主要在上位機完成。

圖3實現控制功能的順序功能圖

4實驗與調試

4.1實驗及仿真

    控制系統軟件實驗采用調試板和觸摸屏相結合的方法來完成。調試板用來模擬所有輸入信號，觸摸屏用來顯示所有輸出狀態及運料車位置、故障代碼及其它各種信息。

    所采用的觸摸屏為威綸通的MT506T。MT506T系列人機界面的組態工具EasyBuilder500軟件操作容易而功能強大，可以方便地設置PLC和觸摸屏之間的通信參數以及進行人機界面的設計。

    控制系統硬件部分的初步調試也在實驗室內完成。將調試成功的軟件用于硬件調試，調試完畢后，所有控制系統進入現場調試階段。

4.2現場調試

    根據設計要求，生產線系統及控制系統安裝完畢后，直接進入聯合調試階段。由于在實驗室內對所有裝置和軟件都進行了仔細調試，所以現場調試過程很順利，調試方法采用實際工況下的生產模擬運行。經過生產線操作人員的確認及對相關數據分析，整個生產線系統工作正常，調試結果滿意。按照企業的初步統計，目前該生產線的運行效率相比過去的分散式生產，至少提高了50%。經過一段時間的運行，該生產線的效率還會有一定的提高潛力。

5結論

    該控制系統經過實驗仿真、現場調試及正式交付使用，到目前為止，其工作穩定、可靠，完全達到了設計目標。同時也驗證了在強干擾環境下，所設計的硬件及軟件完全可以穩定工作。