工件分拣生产线控制系统分析与设计＊

时间：2024-05-18

庞党锋，王利强，马前帅

（天津职业技术师范大学，天津 300222）

随着经济和科技的快速发展，人们对生活中产品质量功能要求逐渐提高，导致产品的更新速度越来越快，这对制造业生产线的自动化程度要求日趋提高。制造业经历了从继电控制技术生产线到PLC控制技术，再到PCC控制技术。产品功能的多样化对生产线的柔性提出了更高的要求，因此对生产线柔性要求和控制策略更换的要求也不断提高。

本文给出的工件分拣柔性生产线主要包括中控室控制器、加工单元、传感器单元、伺服控制器、变频器和立体仓库，对各主要单元的组成和控制方案进行了分析和设计。课题设计的工件柔性生产线控制系统以可编程计算机控制器和POWERLINK总线为基础，主要研究了工件分拣柔性生产线控制系统的设计理论，对柔性生产线控制系统进行最优控制设计，对柔性生产线控制系统的组成和单元模块进行设计及实现[1]。

1 生产线控制系统设计

图1所示为柔性生产线控制系统结构，根据柔性生产线的总体要求，基于PCC和POWERLINK网络的柔性生产线控制系统主要由计算机、贝加莱X20 PCC、加工单元、传感器单元、机械手伺服控制器、输送带变频器和立体仓库控制器构成。

图1 柔性生产线控制系统框图

控制系统主要由主站和从站构成，主站主要由计算机和主控制器X20 PCC组成，主站计算机作为上位机，可以对主控制器进行编程，同时也可以从主站读取从站上传的数据，主站对总线的数据通信进行控制，从站从现场收集各种参数并将数据发送到主站，ERP企业信息管理系统同时集合在主站的计算机系统中。控制系统主要有两种总线，即工业以太网和POWERLINK总线，主站的计算机和主站控制器之间通过工业以太网连接[2-3]。

2 生产线调度模型

一般来讲，一个完整的柔性生产线主要由3部分组成：分别是加工制造系统、控制系统和物流配送系统，系统的复杂度较高，调度室控制系统接收中控室发送的工艺要求信息和生产计划，系统安排加工顺序，以满足产品需求，提升生产效率。生产线调度问题是系统高效、正常运行的重要因素，调度的优化程度直接影响到生产的工艺和生产的效率。影响柔性生产线调度的因素比较多，所以建立调度模型有利于生产线控制决策的分析。调度主要有以下4个方面的影响因素：①生产的原计划。企业的管理层给生产一线规定一周期的生产任务量。②工件加工工艺。加工工艺要求决定了生产操作间的顺序，同时对生产设备的参数和类型有了一定的约束，工艺文件也提供了生产时间参考，生产计划和工艺构成了生产任务。③生产资源。生产资源包含柔性生产线上的设备类型和数量、人力资源、原材料和其他辅助的生产资源，进行生产调度建模时，需要对资源模型进行简化，一般设备资源是主要考虑因素，其他资源默认可以充足提供。④调度目标。生产调度目标会随着实际生产情况和订单的改变而改变。图2所示为柔性生产调度组成图。

图2 柔性生产调度组成图

较为单一的柔性生产线可以通过人为安排调度实现生产加工，这个过程仅限于加工工件数量少和工件种类单一的情况，如果生产的工件数较多，就需要计算机建模来解决调度问题。

3 控制程序流程

柔性生产线控制程序运行前，控制程序应处于初始状态，系统启动后，运行指示灯点亮，工件仓储提示是否允许推料，供料机推出工件后，系统启动带式传送机。在传送机传输过程中，传感器单元对工件进行检测和分类，根据检测的信号，搬运机械手将工件输送到指定的位置。机械手在运输过程中允许指示灯指示，通过立体仓库将合格工件存放到仓库中[4]。如果传感器检测到工件属于未加工完全的，则控制器控制搬运机械手将未完成的工件输送到待加工库，同时声光报警器提示。若检测到工件为废品工件，则工件由机械手将其存放到指定的次品存储库位，同时设定指示灯提示[4]。

在设计控制程序时还应注意下列事项：当程序中有急停时，应尽量把急停指令放在程序的前面。另外，因为硬件设备的差异，调试程序时，如果出现机械手不能够准确到位的情况，可以适当修改程序中的参数或更改硬件位置。当控制系统停机后，在仓库存储机器和机械手完成最后一个工件的搬运后，将整个控制系统恢复到初始状态。

4 通讯网络设计

POWERLINK是以以太网为介质的开源实时通信总线，是一项主要用于工业控制及数据传输中的新技术。POWERLINK通信总线将标准的以太网作为物理层，其标准是IEEE802.3，所以在基于POWERLINK通信网络的控制系统中，所有挂在总线上的主站和从站设备通信数据都运行在以太网上，因为物理层为开放的以太网，所以其兼容性具有一定的优越性[5]。

POWERLINK技术在运动控制领域应用广泛，比如伺服运动的控制，用于各种机器系统（包装机、纺织机、印刷机、机器人等）。过程控制主要应用在DCS系统和工厂自动化中。POWERLINK物理层采用普通以太网的物理层，因此可以使用工厂现有的以太网布线，从机器设备的基本单元到整台设备、生产线，再到办公室，都可以使用以太网，从而实现一条以太网贯穿整个生产环节。

5 运行测试分析

工件辨识主要是通过安装在输送带上的传感器的组合对物料的组合状态进行检测，工件由始端运行到末端的过程，传感器组合完成工件的识别。系统具有启动、停止两个按钮：“启动”按钮按下后，控制器发送控制命令，启动变频器拖动传送带的电机将工件从左端输送到右端，检测结束后，数码管可以显示检测到的工件类型。工件分拣测试主要程序如图3所示。

图3 工件分拣测试主要程序图

在测试平台通过对6种圆柱体和内芯进行测试，工件检测和辨识单元对工件辨识的准确率在90%以上。

本文设计的控制系统采用B&R ACOPOC系列伺服驱动器，PCC与伺服驱动器之间、驱动器与电机之间采用POWERLINK总线进行控制信息的传递，工业以太网保证了数据的实时性。机械手伺服控制测试系统主要由主令单元、电源单元、PCC主机、伺服驱动、伺服电机和POWERLINK总线构成，控制系统电源采用直流24 V开关电源，所有的模块固定在35 mm导轨上。伺服驱动配置在AS中完成，在Physical View中打开POWERLINK interface，添加POWERLINK通讯卡和编码器，这时可以设定供电模式。如果选择AC供电，则需考虑电机的额定工作电压、额定工作电流、最大工作电流及工作频率设定等。