（机械电子工程专业论文）基于plc的工厂自动化生产物流控制系统研究.pdf

摘要 随着当今社会科学技术的日新月异 各类物料输送的生产线对自动化程度的要求也 越来越高 本文根据焊接生产线的运行特点和控制要求 设计了基于p l c 的焊接生产 线的控制方案 控制系统采用西门子公司s 7 2 0 0 系列的c p u 2 2 6 作为控制器进行了硬 件方面的设计和软件的编制和调试 本文主要进行了四个方面的研究 一是根据系统的控制内容和控制目标对生产线进 行了总体设计 包括控制方式的选择 控制方案的确定 运输小车的结构设计 运输小 车的驱动方案设计和工位操作台的设计 二是对控制系统进行了硬件方面的设计 包括 控制器的选型 i o 接口的分配和安全电路的设计 三是根据控制系统的逻辑关系编写 了系统的流程图并运用西门子编程软件s t e p7 完成了控制程序的编写 四是控制程序 的调试工作 包括利用触摸屏对程序进行的实验室调试和现场调试 该控制系统经过实验仿真 现场调试证明其工作稳定 可靠 完全达到了设计目标 与之前的人工方式相比 大大提高了工作效率和可靠性 同时也验证了在强干扰环境下 所设计的硬件及软件完全可以稳定工作 本系统具有一定的代表性 对于其他类似生产 4 1 d 线的设计具有一定的借鉴意义 关键词 自动化生产线 运料车 控制系统 p l c a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y t h ed e m a n d o fa l lk i n d s o fa u t o m a t i cc o n v e y i n gl i n ea r eh i g h e ra n dh i g h e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n t r o ls c h e m e b a s e do np l ca c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o lr e q u i r e m e n t so ft h e w e l d i n gl i n e t h i sc o n t r o ls y s t e mm a i n l yd e s i g n st h eh a r d w a r es y s t e ma n dd e v e l o p st h e s o f t w a r ep r o g r a m m i n gu s i n gs i e m e n ss 7 2 0 0s e r i e so fc p u 2 2 6 t h i sp a p e rs h o w st h es t u d i e so nf o u ra s p e c t s 1 t h eo v e r a l ld e s i g no fp r o d u c t i o nl i n e a c c o r d i n gt ot h es y s t e m sc o n t r o lc o n t e n ta n dc o n t r o lt a r g e t i n c l u d i n gt h ec h o i c eo fc o n t r o l m o d e t h ed e t e r m i n a t i o no fc o n t r o ls c h e m e t h es t r u c t u r ed e s i g no ft h et r a n s p o r t e r t h ed r i v i n g s c h e m ed e s i g nt r a n s p o r t e ra n dt h ed e s i g no ft h ew o r k s t a t i o nc o n s o l e 2 t h ep a r tc o m p l e t e s h a r d w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m i n c l u d i n gc o n t r o l l e rt y p es e l e c t i o n i oi n t e r f a c e d i s t r i b u t i o na n dt h es a f e t yd e s i g no ft h ec i r c u i t 3 t h i sp a r tc o m p l i e st h es y s t e mf l o wc h a r t a c c o r d i n gt ot h el o g i c a lr e l a t i o n s h i po f t h ec o n t r o ls y s t e ma n dc o m p l e t e do fc o n t r o lp r o g r a m c o d eu s i n gs i e m e n sp r o g r a m m i n gs o f t w a r es t e p7 4 t h ed e b u g g i n gw o r ko ft h ec o n t r o l p r o g r a m i n c l u d i n gp r o g r a ml a b o r a t o r yt e s tu s i n gt o u c hs c r e e na n dc o m m i s s i o n i n g t h i sc o n t r o ls y s t e mh a sb e e np r o v e dt h a ti tc a nw o r ki nt h es t a b l ea n dr e l i a b l ec o n d i t i o n a n dh a sa c h i e v e dt h ed e s i g ng o a lt h r o u g hs i m u l a t i o na n dc o m m i s s i o n i n g i tg r e a t l yi m p r o v e s t h ew o r ke f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yc o m p a r e dw i t ht h ep r e v i o u sm a n u a lm o d e i ta l s op r o v e d t h a tt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec a nc o m p l e t e l ys t a b l yw o r ki ns t r o n gi n t e r f e r e n c e e n v i r o n m e n t t h i ss y s t e mh a sc e r t a i nr e p r e s e n t a t i v e n e s sa n dh a sac e r t a i ns i g n i f i c a n c ef o r o t h e rs i m i l a rd e s i g n k e y w o r d s a u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n e t r a n s p o r t e r c o n t r o ls y s t e m p l c 长安大学硕士学位论文 1 1 生产物流概述 第一章绪论 1 1 1 生产物流的概念和组成 1 1 1 1 生产物流的概念 广义的物流系统指的是利用现代技术和设备 将物品从供应地向接收地准确的 及 时的 安全的 保质保量的 先进的服务流程 根据作用领域的不同 物流分为生产物 流和流通物流 1 1 本文论述的是企业内部的生产物流 生产物流一般过程为有关部门采购原材料以及配套件 然后经过加工制造后进 行质量的检验 再经过装配 包装进入成品存储的环节 最后发送及销售 在整个 生产过程中需要借助一定的运输设备在各个环节进行流转 因此 生产物流的开始 为投入原材料 进入成品仓库后截止 2 1 整个过程如下图1 1 所示 图i i 现代生产系统的物流过程 生产物流管理的目的就是降低生产成本 是通过将企业的物流进行协调化 快速化 等设计来达到这样目的的 缩减企业的生产物流时间可以缩减整个产品的生产周期 将 整个生产过程自动化和标准化之后可以保证产品的作业质量 对生产车间的空间进行优 化设计 可以提高设备的利用率 从而使时间可空间上达到平衡 控制库存量和在制品 数量 可以将更多资金用于其它地方 通过控制生产过程中的流动资金 可以减少生产 过程中占用和消耗的流动资金 提高的流动性 降低生产的成本 3 1 1 1 2 生产物流的构成 生产物流是指生产过程中的物料流动 一般都具有结构复杂 信息量大 物流节奏 快 实时性要求高 物流路线复杂等特点 4 以机械制造系统为例 生产物流系统包括 仓储系统 输送系统 物流信息系统 物流控制系统和废弃物处理系统 其基本组成如 第一章绪论 图1 2 所示 孙 输送系统 妻l l 输 输l l 送 蓑l l 车 雏 雏 图1 2 生产物流系统构成 1 1 2 生产物流的特点 第一 影响生产工艺过程的一个重要因素就是生产物流 生产物流和生产工艺是密 不可分的 他们有很多种的关系 有的物料的加工和制作是在生产物流的过程中完成的 而有的生产物流是在产品的制作中完成的 不同的加工工艺也可以通过生产物流来进行 连接贯通 第二 生产物流有很强的 成本中心 作用 在生产过程中 生产成本的一个重要 组成部分是物流对生产资源的占用和消耗 在生产中 物流对成本的影响很大是因为物 流几乎穿插在生产的每个过程中 生产物流的观念从某种意义上说很大的影响着生产成 本 第三 生产物流同时也是一种 定制 物流 它必须完全适应生产过程中的各种 要求 它是针对企业的特定生产物流设计的 有固定的物流需求 因此 生产物流的一 大特点是有一定的针对性 正是这种特点使得 定制 物流具有较高的生产效率 第四 生产物流的目的就是实现精益生产的模式 生产企业的生产规模之间影响着 生产物流的规模 这是由生产物流的特点决定的 毕竟企业的生产规模是有限的 并且 在一定时间内具有一定的稳定性 因此设计的生产物流可以经过精密的策划 同时通过 管理的手段 使物流能够形成一个整体 从而使生产精益化 5 1 1 1 3 生产物流发展的几个阶段 第一阶段是物流功能明确化的阶段 在这个阶段之前 物流在各个企业普遍存在 2 长安大学硕士学位论文 但是没有构成整体的物流概念 因此在企业不同的地方存在着分散的物流活动 它们各 自运行 互相之间没有一定的交集 第二阶段是集合各个物流功能阶段 在明确了物流的观念之后 企业就可以尽量将 各个领域的物流活动进行组合 从而使原来不相干的物流活动得到统一 第三阶段是对企业整体的物流活动进行组织的阶段 当整体的物流观念在优化企业 生产工艺 增加各个工艺衔接等方面发挥了巨大作用之后 生产企业自然而然就建立了 专门的物流部门 对企业内部的物流工作进行综合管理 从而推进企业生产物流的发展 第四阶段是过程集合阶段 当企业的物流运作到一定的时期时 就可以将不同领域 的物流活动进行组合 而且不会影响企业正常的生产和运作 这就是通过信息手段 通 过系统的角度对不同领域和部门的物流过程进行组织和优化 可以提高企业生产物流的 生产效率 第五个阶段是虚拟化的组合阶段 随着信息技术的飞速发展 物流管理可以是一种 虚拟的 准管理组织 这种组织存在于网络中的 但是夜可以整合系统的资源 优化 和管理整个生产过程 一个生产物流作业计划依赖于制造过程的构成 根据制造过程 制造的生产 工艺 规模 专业化和协作化水平 制定生产过程的物流计划 并进行有效控制 使整个生产物流过程达到连续性 平行性 节奏性 比例性和适应性 生产物流 计划的任务就是要保证生产计划的顺利完成 由此 需要研究物料在生产过程中 的运动规律 以及在各工艺阶段的运动周期性 以次来安排经过各个工艺阶段的 时间和数量 按物流作业计划有节奏地 均衡地组织物流活动 1 2 国内外物流研究现状和发展趋势 1 2 1 国外物流研究现状 在宏观政策方面 各国政府都高度重视和大力扶持本国物流业发展 并积极制定各 项法律法规及标准来规范其市场竞争秩序 为国外物流发展现状指明了方向 各国在基 础设施方面都比较完善 为国外物流发展现状提供了必要的物质基础 美国物流之所以 发达 相当程度上要归功于其密集而先进的综合交通网络 各国人才培训和教育体系日 趋完善 为物流业的持续发展提供了智力支撑 在美国 已建立了多层次的物流专业教 育 包括研究生 本科生和职业教育等 3 第一章绪论 美国物流模式强调 整体化的物流管理系统 是一种以整体利益为重 冲破按部分分 管的体制 从整体进行统一规划管理的方式 而欧洲在物流产业上具有明显的特色 科 技进步 尤其是i t 技术的发展及相关产业的合并联盟 促进了欧洲物流业的快速发展 欧洲各国的物流管理体制基本采取的是政府监督控制 企业自主经营的市场运作模式 日本的物流管理起源于1 9 5 6 年 此后大力建设本国物流现代化设施 并大力发展 和研究物流运输业改革 将其作为国民经济中的核心课题 日本生产物流管理手段在汽 车制造工业的发展中得到了充分的利用 开发了一系列物流新概念 例如 零库存 管 理 准时制生产管理 j u s ti nt i m e 开发了物流中心等新的物流管理软件 日本物流发 展的特点是 政府系统规划 物流配送社会化程度高 重视精细物流的发展 物流信息 系统发达 从发达国家的物流发展现状看 物流业已进入较为成熟的阶段 发展主要是物流内 涵的拓展 过程的延伸 覆盖面的扩大以及物流管理的日益专业化 信息化和标准化 1 2 2 国内生产物流研究现状 上世纪7 0 年代以前 中国的经济研究中几乎没有出现过 物流 一词 8 0 年代初 由日本引入物流概念之后 我国才开始了对物流的研究 我国于8 0 年代末9 0 年代初开 始重视和引进国外的先进物流管理的技术与设备 据不完全统计 2 0 0 3 年在我国签约建 设的自动化立体仓库就约为3 0 4 0 座 并且预计在未来的几年内 其数量将会以每年2 0 的速度增长 规模也将大幅度提高 6 目前 从行业看我国物流业与发达国家相比差 距较大 与国外物流发展水平相比 我国物流业目前尚处于起步期 改革开发以来 交通 通讯等基础设施的投资不断加大 物流技术装备水平逐渐提高 对物流的认识水平也不 断提高 这些都为提高物流效率提供了良好的基础条件 制造企业的生产物流是一种现代物流活动 是以企业经营为核心的 是具体的物流 活动的典型领域 它渗透在生产企业经营活动的各个环节 我国的生产制造企业一直以来都非常重视对新产品的开发研究 工序的改进 加工 或组装技术以及加工设备的更新 而生产制造息息相关的生产线的设计 设备的布置 物料的存储及流动 对订单的反应 库存控制等方面 却很少引起一定的重视 因而车 4 长安大学硕士学位论文 间在制品 原材料的存量往往会产生堆积现象 这些问题会严重的影响设备的利用甚至 会对企业的生产经营带来很多的连锁反应 造成了不良影响 因此 快速发展我国现代物流 有利于生产物流和流通物流的融合 提高运行效率 将粗放的经营模式集约化 促进国民经济持续快速健康发展 3 1 2 3 物流管理发展趋势 随着现代科学水平的不断提高和物流环境的不断变化 许多新的理念逐渐出现 并 且出现了许多新的发展趋势 主要表现在 供应链管理 电子物流 第四方物流以及绿色 物流等 1 物流技术飞速发展 物流管理水平不断提高 自动化物流技术已经将计算机通 信网络技术 识别技术 数据传输跟踪技术 数据库技术 智能技术等知识融入其 中 使其在控制速度 精度以及可靠性上取得了长足进步 2 专业的物流管理已经有一定的规模 集中配送成为主导 生产企业采用了集中配 送之后就可以降低流通成本 节省的资金和进来集中可以提高其他的业务水平 3 电子化物流发展迅速 快递业 冲锋陷阵 随着互联网技术的发展 促进了电 子商务的迅猛突起 使其有了实质性的发展 2 1 世纪物流发展的领军业务将是电子物流 4 绿色物流将成为一种新趋势 绿色物流是以可持续发展作为理论基础 在系统观 和整体观的指导性 确保物流过程中供应链内的物质流对环境的危害最小 实现人类社誊 会的可持续发展 5 随着物流业的发展 对专业人才的要求越来越高 对专业人才的培训日益系统化 培训体系日益合理化 1 3 课题研究的背景和意义 1 3 1 课题研究的背景 纵观国内制造业市场 随着自动化的进一步提高 我国的机械行业面临着严峻的挑 战 如何提高我国的机械制造行业的核心竞争力 在其在与世界先进发达国家的激烈竞 争中立于不败之地 是每一个机械制造行业人士需要面对的问趔7 很显然 降低生产 成本以及提高生产过程的自动化水平成为各个厂商提高自身竞争力的首要选择 自动化控制技术经过几十年的发展已经达到相当高的水平 由最初的继电器 接触 5 第一章绪论 器系统发展到现今广泛应用的p l c 控制和工业p c 机的控制 甚至近些年出现了现场总 线控制系统 总之 随着科技的发展 自动化物流技术已经将计算机通信网络技术 识别技术 数据传输跟踪技术 数据库技术 智能技术等知识融入其中 使其在控 制速度 精度以及可靠性上取得了长足进步 因此 对工厂加工生产线进行自动化改造 完全符合现代化生产的要求 它不但可 以满足生产要求 还可以提高整个生产过程的效率 本文所要研究的即是基于p l c 的 工厂自动化生产线控制系统 西开公司在近年的迅速发展过程中 对焊接类壳体的需求 量增长很快 因此 企业迫切需要建立一条工序衔接紧密 物流顺畅 高效快捷的中型 铝壳体自动化生产线来提高产能 建立此生产线所面临的问题是如何在有限的空间设计 合理的控制方案使其物流生产线能够安全 有序 高效的进行生产 1 3 2 课题研究的意义 制造行业物流的特点是 物料的种类多 生产工艺不稳定 运输过程比较频繁 库存 的空间及时间要求比较大 8 1 生产物流是整个物流系统的起点 可以连接供应商和销售 商 形成一个物流一体化 它的运行效率直接影响整个周期 是生产企业提高利润的重 要来源 9 如果生产物流运行不畅 就会造成空间和时间的极大浪费 成为企业生产效 率的提高的极大障碍 1 0 1 对物流系统进行自动化设计可提高生产生产率 标准化作业质量 方便采集和跟踪 产品数据 使整个物流系统的管理和监控水平得到提高 1 可大量减少工作量 提高劳动力的使用率 减轻工作强度 2 可大幅度缩短生产周期 加速资金周转 3 可降低生产成本 增加企业利润 提高企业经济效益 4 提高产品质量 促进技术改造 为企业发展提出新的要求 6 文明生产 安全生产 综上所述对生产线物流系统进行自动化设计将有效提高物料处理效率 减少工件库 存的数量 保证物料的及时供应 减小物料搬运费用 减d n 造设备所需的空间等 从 而减少产品的生产周期 削减物流成本 提高工厂利润和生产率 为工厂赢得竞争优势 6 长安大学硕士学位论文 本文主要研究的内容 本文研究的主要目标是对工厂生产线的控制系统进行硬件与软件方面的设计 由于 控制系统设计与整个物流系统的电气机械结构 工艺流程 p l c 组态和程序开发工具 控制单元之间通讯方式等部分存在密不可分的联系 因此本论文对这些部分也进行了相 应的设计研究工作 本文重点介绍控制系统的设计开发过程 在第二章进行了p l c 控制系统的总体设计 首先对生产线的运行特点以及生产工 艺流程进行了详细的介绍 并介绍了整个车间的设备布局 其次根据生产线控制系统的 控制内容和控制目标对生产线进行了总体的设计 包括控制方式的选择 控制方案的确 定 运输小车的结构设计 运输小车的驱动方案设计和工位操作台的设计 在第三章主要对p l c 控制系统进行了硬件方面的设计 首先对可编程控制器的组 成和工作原理进行了研究 其次根据控制系统的性能结构 i o 点数 存储容量以及特 殊功对控制器进行了选型和i o 接口的分配 并结合现场的实际安装环境进行了控制器 安全电路的设计 以保证控制器使用的可靠性 文章第四章主要运用西门子编程软件s t e p7 对控制系统进行了软件方面的开发 首先对可编程控制器的编程语言和编程环境进行了研究 其次根据控制系统的逻辑关系 编写了系统的顺序功能流程图 本章最后介绍了控制系统的部分程序 孳 文章的第五章介绍了控制系统的调试工作 控制系统的调试分为实验室调试和现场 调试 实验室调试是利用触摸屏的工具对编写的p l c 程序进行初步的调试和修改 现 场调试是利用现场的实际设备对控制程序进行最后的调试 7 长安大学硕士学位论文 第二章p l c 控制系统总体设计方案 2 1 生产线控制系统概述 2 1 1 焊接生产线系统介绍 1 生产线工序和生产特点介绍 本论文所探讨分析的焊接自动化控制系统是西开公司为其壳体焊接生产线而开发 的自动化系统 其主要任务就是完成电力高压开关壳体工件的焊接生产 每一道工序完 成后就马上转移到下一道工序 使整个生产线的生产能够井然有序 同时焊接自动化控 制系统是十分重要的支持系统 它是保证焊接质量和效率的重要条件 中型铝壳体焊接生产线改造后 原来分块制造的灭弧室罐和主母线制造单元合并 形成一条集成焊接生产线 壳体车间中型铝壳体焊接生产线上生产的主要产品为 2 5 2 3 6 3 k v 焊接母线 内含 三通和六通两类产品 和1 2 6 2 5 2 3 6 3 k v 灭弧室罐两大类产品 其生产工序如下 一装一一焊一冷却一翻边孔划线打磨一二装一二焊 再划线一三装 三焊 打磨一交检 主母线和灭弧室罐采取轮番制造的方式 即主母线和灭弧室罐在不同的时间在同一 条生产线上生产 两种产品主要作业特点如下 各工序作业周期相差大 见表2 1 其中长周期工序为一焊 二焊 成品打磨 短周期工序为一装 二装 此特点决定了生产线工艺设备的基本配置模式 表2 1 各工序加工时间 单位 m i n 磅 划线三装 一装 一焊冷却 二装二焊再划线打磨 产品 打磨三焊 三通主母线 1 58 06 04 01 53 52 22 61 2 0 六通主母线1 58 06 01 2 01 51 2 72 03 01 7 0 灭弧宣罐 1 56 06 05 51 04 194 03 8 生产线的产能由瓶颈工序一焊 二焊 打磨所决定 由于一焊工序产能变动需要 增加大型成套的焊接设备 而其它工序可以通过增 减能够快速移动的小型设备解决 所以生产线产能可根据一焊工序能力计算 9 第二章p l c 控制系统总体设计方案 三通主母线和六通主母线同时加工生产 其一焊的工作量相同 而二焊工作量相 差约3 倍 即六通主母线的二焊作业时间约为1 2 7 分钟 而三通主母线的二焊作业时间 约为3 5 分钟 生产线平衡必须随产品投入组合进行动态调整 2 生产线平衡设计 生产线平衡主要任务是对生产的全部工序进行平均化 调整作业负荷 使各作业时 间尽可能相近 以消除作业问不平衡的效率损失以及生产过剩 根据加工产品的作业特点 本系统的生产线平衡通过工位数量的配置和产品的投入 组合来解决 由于各个工序的加工时间相差很大 可以在不同的工序配备不同数量的设备来平衡 生产 实现方法为首先计算出流水线的生产节拍 然后根据节拍计算流水线的需要的工 位数量 流水线生产节拍的计算公式如下 c 旦 2 1 式中c 为流水线的节拍 f 为预计有效工作时间 为预计生产产量 在计算流水线节拍的基础上 就可以根据产品的工艺流程进行工艺设备数量设计 工艺设备的计算公式如下 丁 a2 警 2 2 式中 为某个工序的设备数量 丁 为某工序的单件时间定额 c 为流水线生产节 拍 根据式可以得出各个工序的设备数量 如表2 2 所示 表2 2 各个工序的设备数量 工序一装一焊 冷却 划线打磨二装 二焊 再划线三装三焊打磨 数量 l42l1 4 ll6 由于三通主母线和六通主母线同时上线加工 即使在各个工位达到的生产负荷的平 衡 但随着投产顺序地不同 不同规格的产品在不同的工位也会产生生产不均衡的现象 因此合理安排两种产品的投产顺序非常重要 1 0 长安大学硕士学位论文 根据三通主母线和六通主母线二焊生产时间的比例 在同一批次的产品中 六通主 母线和三通主母线的投入顺序为每投入一个六通主母线接下来投入三个三通主母线 以 此来保证生产线的平衡 2 1 2 生产线控制系统的平面布局 设施布置的主要工作是研究产品从原料到成品的加工的全过程 以最合理 有效的 方式对生产环节中的各类物质 设旌从空间上进行综合设计 合理布局和布置 使效率 管理 成本 安全等各项指标达到最佳状态 保证人力 物流和信息畅通无刚n 1 一个好的设施布置能够使流动规划有效合理 生产物流基本的流动模式有直线形 l 形 u 形 环形和s 形五种 根据车间的布局结构以及流水线的特点 初步选定流水 线的流动模式为u 形 本文中的生产线设备布局采用s l p 的方法进行设计 绘制出焊接车间的总平面图如 图2 1 所示 车间主要分为一装工作区 一焊工作区 冷却区 二装工作区 二焊工作区 三装 三焊工作区 库存区 物流区和人行道区 其中 生产设备用灰色表示 分别为平台 十字焊机 滚轮架和偏心变位器 物流区将整个车间分为两个部分 物流区左边的区域称为西二跨 右边的区域称为 西三跨 本文的控制系统相应分为西二跨控制系统和西三跨控制系统 西二跨和西三跨 之间的物流连接是通过人工的方式来进行 口 口 口 r a 口 第二章p l c 控制系统总体设计方案 口0 图2 1 焊接车间的总平面图 1 2 叶li il j ulii 口iii 口iii uiii iii ili diii 口0 二装工作组 一焊工作组 一装工作组 三装三焊工作组 长安大学硕士学位论文 2 2 生产线控制系统的内容和目标 生产线控制系统主要内容是根据焊接生产的控制与管理要求 对整条焊接生产线进 行p l c 控制系统设计和开发 控制的过程主要为未焊接件在装料工位被装在一运输小 车上 以下称为原料车 由控制系统控制运送到需要原料的焊接工位 该焊接件被卸 到相应工位后 原料车返回 当某焊接工位焊接完成 在卸料工位的运输小车 以下称 为成品料车 前来接料 由它运送焊接件到卸料工位 并在卸料工位将焊接好的零件卸 下进入生产线下游 两辆运料车运行在同一条轨道上 图2 2 为生产线轨道布置图 成品料车原料车 台台舀台自古自古 图2 2 生产线轨道布置图 本控制系统的主要目标是在立足现代工厂自动化技术的基础上 进行焊接生产线控 制系统的开发和设计 使控制系统性能优越 生产效率得到较大提高 同时现场生产操 作更加直观简便 使工厂的生产能够自动化和流水线化 现场p l c 控制系统主要控制流水线上的原料运输车和成品料运输车 原料运输车 用于运输焊接壳体到指定焊接工位 成品料运输车用于运输焊接完毕的壳体到卸料工 位 两辆运输车应协同工作 不能出现互相抵触的动作 当某一工位正在使用运输车时 其它工位暂时不能控制该小车 小车速度不能大于2 0 m m i n 运输小车停止时不能有过 多的滑行 本文设计的控制系统主要实现以下控制目标 1 系统能判断物流运输车的当前位置 2 系统具有避免运输车相撞的功能或措施 3 每个工位均可召唤和送出运输车 4 每个工位具有显示目前运输车是否可用的功能 5 每个工位具有寻求帮助的功能 6 系统具有重要故障报警功能 7 系统具有紧急停车功能 8 系统具有基本的启动自检功能 1 3 第二章p l c 控制系统总体设计方案 9 系统具有一定的防止误操作功能 1 0 系统具有一定的可扩展性 2 3 生产线控制系统的总体设计 本控制系统的设计主要包括控制部分设计和机械部分设计 其中控制部分的设计主 要有控制方式的选择 控制方案的确定以及控制工位台的设计 机械部分设计主要有运 输小车的结构设计 运输小车的驱动方案设计以及吊装设备的选择 2 3 1 控制方式对比与选择 随着电子元件迅速发展 而且越来越多的先进技术应用于工业控制领域 工业自动 化控制系统的控制方式也变得多种多样 我们可以根据本系统的实际情况来选择控制方 式 目前 在工业控制领域主要存在两种普遍应用的控制系统 分别为p l c 控制方式 和继电器 接触器控制方式 继电器 接触器控制方式是许多厂家广泛采用的基本电气 控制形式 它主要由继电器 接触器 按钮和行程开关等构成 因为其控制方式是不连 续的 所以也称为断续控制系统 它具有控制简便 方便实用 价格便宜 便于维护和 抗干扰能力强等优点 而以微处理器为核心的可编程控制器p l c 是以软件手段实现各 种控制功能的 是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一种新型工业控制设备 它的主要特点是 通用性强 可靠性高 编程简单易学 现场连接安装方便d 2 1 继电器一接触器控制系 统和p l c 控制系统主要有以下不同之处 1 控制方法 继电器一接触器控制系统是利用硬件接线和机械触点的串联或并联组成控制系统 来实现逻辑控制 它的连线多并且复杂 这会影响系统的可扩展性和灵活性 而以计算 机技术为基础的p l c 技术 是以是通过存放在存储器的程序来实现控制逻辑的 只需 要改变程序就可以改变控制逻辑 因此可以很容易改变系统的功能 2 控制速度 继电器一接触器控制的工作原理是基于机械触点的通断的 控制速度比较慢 触点 易抖动 而p l c 的实现方式是程序指令控制半导体 速度很快 没有触点 所以也没 有抖动现象 1 4 长安大学硕士学位论文 3 定时和计数控制 继电器一接触器系统的时间控制是通过时间延时来完成的 容易受由于温度的影 响 因此定时精度不准确 而p l c 的定时是通过程序中的定时值控制半导体来实现的 定时精度高 而且不受环境影响 p l c 系统较继电器一接触器系统的优越之处为具有计 数功能 4 可靠性和可维护性 由于继电器控制系统控制的实现方式是通过机械触点的形式 存在机械磨损等问 题 使用时间短 系统的连线多 因此具有比较差的可维护性和可靠性 而p l c 的实 现方式是通过程序指令控制半导体电路来实现的 使用时间长 可靠性高 而且p l c 具有检查自身故障的功能 同时可以动态地监视控制程序的执行情况 便于现场调试和 维护 本文中的焊接生产线占地面积大 生产用电气设备操作比较复杂 控制系统灵活性 要求较大 此外 壳体焊接车间生产环境非常恶劣 所采用的控制系统必须具有很高的 可靠性和抗干扰性 且系统的控制速度和控制精度的要求也较高 因此 本文采用现代 成熟的p l c 技术来实现生产线控制要求以达到生产工艺要求的缜密性和协调性 这也 懈 是目前最先进的控制技术和最优的选择之一 2 3 2 控制方案的确定 k 系统控制目标中要求每个工位具有呼叫运输车以及寻求帮助的功能 可以在每个工 位安装工位控制台 操作人员通过工位控制台上的按钮直接向p l c 发出请求信号 判断运输车位置的控制要求可以通过在轨道上安装限位开关的方法解决 运输车触 动限位开关后 p l c 可直接得到一个反馈信号 运输车的使用情况以及故障报警可以通过安装在工位控制台上的指示灯来显示 而运输车的防撞等功能可以通过软件的方法解决 基于p l c 的自动生产线控制系统方案如图2 3 所示 p l c 作为整个控制系统的核心 采集来自工位控制台和限位开关的实时信号 经系统程序对信号进行逻辑判断和处理 后 输出信号至电动机驱动运输车的行走 至各个指示灯显示运料车的使用情况 同时 p l c 可以与控制中心的工控机进行相关数据的通讯 1 5 第二章p l c 控制系统总体设计方案 图2 3 控制系统方案示意图 2 3 3 运输小车设计方案 本文中的运输小车采用轨道电动平车的形式 顾名思义 首先它需要在轨道上运行 因此地面上必须铺设轨道 本文中轨道形式选用标准轻轨 其次它是电动车辆 在电机 驱动下自动运行 再次大多数情况下它是一种平板车 台面无厢盖 这种车辆具有结构 简单 使用方便 承载能力强 结实耐用 维护容易 使用寿命长等特点 以其方便 壮实 经济 耐用 易清理等各种优点 成为工厂内部短距离定点频繁运输重物的首要 选择 已知电动小车设计要求运输的零件有多种 其中最大尺寸为0 0 9 6 x 3 8m 最大重 量为8 0 0 k g 小车平均速度为2 0 m r a i n 设计要求结构紧凑 美观 为完成运转任务的 运输小车的整体结构如图2 4 所示 运输小车采用型钢制造 结构坚固耐用 为了保护加工的工件 牛角支架和工件接 触的部位安装一层减震胶板 为了保证停车的稳定性 运输小车的传动机构安装有减速 机 行走电机和集电器都安装在运输小车上 由电机驱动小车前进或后退 集电器与轨 道的滑线相连接 从而获得运输小车的电源和控制信号 1 6 长安大学硕士学位论文 2 3 4 运输小车驱动方案的选择 1 电动机的选择 图2 4 运输小车结构设计图 目前市场上广泛使用的电机有直流电机和交流电机两种类型 直流电机一般在有恒 转矩要求或高启动转矩的情况下使用 尤其是一些带冲击性负载的情况下 直流电机可 以在低速的情况西安保持比较稳定的转速转矩 交流电机在低速和快速启动的情况下获 得稳定的转矩特性比较困难 负载可以很大程度上影响速度的稳定性 本文中的运输小 车启停的次数较多 且运行速度较低 因此选用直流电机更为合理 已知电动小车设计要求运输的零件最大尺寸为 0 9 6x3 8m 最大重量为8 0 0 k g 小 车平均速度为1 0 3 3m s 滚轮与导轨间滚动摩擦系数为f 0 1 车轮 四个 直径为 d 1 6 0 m m 运料车受力分析 运料车受力分析如图2 5 所示 已知总重 g 8 0 0 m g 2 3 1 7 第二章p l c 控制系统总体设计方案 其中m 为小车重量 已知m 5 0 0 k g 为启动安全起见 取m 5 0 0 k g 故由计算得 总重g 1 3 0 0 0 n 摩擦阻力 f f x g 根据受力平衡 得 驱动力f c 1 3 0 0 n 图2 5 运料车受力分析图 电动机功率的计算 电动机所需功率按式2 5 计算 其中仇为传动系统的总效率 另 到r f k w 7 c 7 7 叩 叩 2 4 2 5 2 6 其中7 7 为减速机的传动效率 7 7 为链条传动效率 7 7 为各个联轴器的传动效率 取7 7 1 2 0 7 5 7 72 2 0 9 7 73 2 0 9 5 又知工作机所需功率 所以得 乞 念 2 7 长安大学硕士学位论文 b 3 盘 眩 经计算 电动机所需功率约为0 t k w 传动比的计算 运输小车的传动系统由链传动系统和减速机构传动系统组成 所以运输小车传动系 统总的传动比如式2 9 所示 i i l z 2 2 9 其中 f 为链传动的传动比 z 为减速机构的传动比 链传动的传动比 f 亟 2 1 0 死2 荔 其中d 为主动链轮的直径 d 为从动链轮的直径 得z 2 1 3 为了使运输小车得到控制信号迅速停车 减速系统需要有较大的减速比 根据这一 要求 本文采用减速机实现运输小车的制动 减速机是一种动力传输机构 它是利用齿轮的速度转换器 将电机 马达 的转速 减速到所要的转速 同时获得较大转矩的机构 减速机按照传动类型可分为齿轮减速 器 蜗轮蜗杆减速器和行星齿轮减速器 蜗轮蜗杆减速机与其他类型减速机相比具 有反向自锁功能 可以有较大的减速比 输入轴和输出轴不在同一轴线上 也不在 同一平面上 根据运输小车系统的运行特点 本系统选用蜗轮蜗杆减速机 减速比 选用5 0 1 即i 5 0 将f f 代人式2 9 计算得总传动比 6 5 运输小车转速的计算 运输小车车轮转速按下式计算 6 0 x 1 0 0 0 v 肛 万 2 1 1 其中 d 为运料小车车轮直径 电动机转速的计算公式如下 第二章p l c 控制系统总体设计方案 即d z n 2 1 2 经计算得电动机转速为2 5 6 0 r m i n 根据电动机所需功率和转速 本系统的电动机选用功率为1 1 k w 转速为3 0 0 0 r m i n 的z x t 系列永磁直流电动机 它具有体积小 重量轻 转速可逆 用途广泛等特点 作为小功率直流电动机可在各种装置中用作驱动元件 功率及速度的校核 根据功率所得的运输小车速度计算公式如下 v q q q 2 扭 2 1 3 5 1 二二 z i 将所选电动机的功率代入得v 0 5 4 m s 可以满足系统的需要 根据转速所得运输小车的速度计算公式如下 v 丝墨竺 2 1 4 6 0 1 0 0 0 f 将所选电动机的转速代人得0 3 9 m s 可以满足系统需求 所以所选功率为1 1 k w 转速为3 0 0 0 r m i n 的z x t 系列永磁直流电动机可以满足系 统的需求 3 供电方式的选择 运输小车按供电方式主要有以下几种 电缆拖缆供电方式 轨道供电方式 滑触线 供电方式和蓄电池供电方式 电缆拖缆供电方式以交流3 8 0 v 供电 交流3 8 0 v 给小车的电机提供电力 电机 拖动运输小车运行 运输小车运行时电缆拖缆自动滑动电缆 受拖缆供电长度影响 一般最大运行距离小于2 0 0 m 轨道供电方式利用降压变压器控制柜设备将单相交流3 8 0 v 降压至单相3 6 v 后连 通电至轨道 通过轨道供电给直流电机 再经车载升压变压器升压为单相交流3 8 0 v 滑触线供电方式是在轨道一侧安装滑触线 并给滑触线通3 6 v 单相电源 运料 小车运行时通过安装在小车一侧的集电器与滑触线的铜条接触将电能直接传导至直 流电机 蓄电池供电方式通过蓄电池给直流电机提供电力 由直流电机拖动运输小车运 长安大学硕士学位论文 行 基于本系统的生产线距离长且车间的操作人员多的现状 采用3 8 0 v 脱缆供电的方 式具有一定的危险性 所以供电电压采用3 6 v 轨道供电方式成本相对比较高 轨道旌工要求严格 需要保证轨道的绝缘性 超过一定的运行距离时需要在轨道上加铜排补偿线 运行距离较长时还需要增加降 压变压器数量 由于焊接车间的绝缘性能不是很高 焊接中产生的碎屑容易影响轨 道的通电性能 因此本系统不宜采用轨道供电方式 蓄电池供电的运输小车具有机动性和安全性能好 运行距离不受限制的优点 但 是由于车间不具备给电瓶车充电的实际条件 所以不宜采用此供电方式 所以本文采用滑触线供电驱动方式 轨道的一侧安装有1 2 条滑触线 分别用于向同一轨道的原料车和成品料车提供电 源 每个小车分别使用4 条 其他备用 小车通过集电器与滑触线相连接 2 3 5 工位控制台设计方案 工位控制台用于该工位的操作人员控制运输车辆接送原料及成品料 显示目前运输 状态或故障报警等 西二跨和西三跨工位控制台均为有六个 一个装料工位 一个卸料 工位和四个焊接工位 由于装料的工序不同 西二跨和西三跨的装料工位有所不同 焊接工位从左到右 站在操作工位面向轨道 分别称a b c d 工位 其结构相 同 工位台主要能够满足以下几个功能 呼叫原料车和成品料车 显示原料车和成品料 车的使用情况 出现故障时急停功能和求助功能 因此 在工位台设计的按钮和指示灯 必须满足以上功能 各个工位的工位控制台设计图如2 5 所示 为了方便工人的操作 呼叫按钮选用可复位旋转按钮 工位台指示灯采用红绿两种颜色 可以用来醒目地显示 运输小车的使用情况 急停 按钮采用红色按压按钮 便于在紧急情况下迅速使系统 断电 求助 按钮采用切换开关的形式 求助按钮 按下后 该工位前方的求助灯 警 灯形式 2 4 v 以明显方式显示 故障排除后再次按下该按钮使其复位 相应的灯灭 工位控制台设计应便于操作 外形美观 作工精细 整体色调以暗色为主 注意防止焊 渣及灰尘进入 2 1 第二章p l c 控制系统总体设计方案 图2 5 各个工位的工位控制台设计图 西二跨装料控制台主要用来输入和显示 装载完成 信号 同时也具有 急停 和 求助 功能 为了完成以上功能 西二跨的装料工位台设计图如图2 6 所示 装载完 成 按钮采用可复位按压开关的形式 按下后可输入装载完成信号 为了醒目地提醒操 作人员进行装载工作 装载完成 指示灯为红色显示 当 装载完成 信号输入后 红色灯灭 求助 按钮和 急停 按钮的设计同上 装料工位控制台的高度要合理 避免与吊装件相碰 图2 6 西二跨装料工位台设计图 西三跨除了输入 装载完成 信号外 还需能够指示要料工位 因此 在设计西三 跨的工位台时还需要设计要料工位的指示灯 西三跨的装料工位台设计图如图2 7 所示 当没有要料信号时 要料工位指示灯均为灭状态 当某工位呼叫原料车时 该工位的要 料指示灯为红色显示 其他同西二跨 长安大学硕士学位论文 i o p 0 io i i 瀵蕊j j 令擎 羲j j 参0 i ji j 爱 懑警萋粤一 oo i 誊碧 i 挚缔 z 蠹薹薹i i j 誊爹 善j j 图2 7 西三跨装料工位台设计图 卸料工位控制台上有 急停 按钮 带有红灯可复位的 料车准备好 按钮 卸 料完成 指示灯和 求助 按钮 其设计方案与装料控制台相同 卸料工位控制台的高 度要合理 避免与吊装件相碰 卸料工位台的设计图如图2 8 所示 图2 8 卸料工位台设计图 2 3 6 吊装设备的选择 二台下支撑悬臂起重机用于四个工位对焊接件的吊运 二部高架起重机分别用于原 料存放区及临时存放区焊接件的吊运 西三跨线需一台下支撑悬臂起重机完成装料工 作 悬臂起重机选择臂长的时候要充分考虑工位之间的距离以及安装位置和柱子之间 的距离 以免发生两个悬臂起重机之间或悬臂起重机和柱子之间的碰撞 基于以上考虑 悬臂起重机的臂长选用4 m 悬臂起重机的回转角度的确定与工件的放置范围有关 工 位之间的悬臂起重机旋转角度选用2 7 0 0 而西三跨装料的悬臂起重机旋转角度1 3 5 0 产 品选用海马格的悬臂吊起重机 其结构原理图如图2 9 所示 现场实物图如图2 1 0 所示 第二章p l c 控制系统总体设计方案 2 4 本章小结 图2 9 悬臂起重机结构原理图 2 1 0 悬臂吊实物图 本章主要进行了p l c 控制系统的总体设计 首先对生产线的运行特点以及生产工 艺流程进行了简单的介绍 并介绍了整个车间的设备布局 其次根据生产线控制系统的 控制内容和控制目标对生产线进行了总体的设计 包括控制方式的选择 控制方案的确 定 运输小车的结构设计 运输小车的驱动方案设计和工位操作台的设计 2 4 长安大学硕士学位论文 第三章控制系统的硬件设计 3 1 可编程控制器p l c 概述 3 1 1p l c 的定义 可编程控制器 简称p l