艾默生PLC在電子裝配流水線上的應(yīng)用

艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司中試部生產(chǎn)線(以下簡稱中試生產(chǎn)線)是建于1998年的一條整體呈長方形循環(huán)運(yùn)行的產(chǎn)品裝配線。生產(chǎn)線采用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行控制，操作人員可通過選擇運(yùn)行模式來將整條生產(chǎn)線劃分為1~3個(gè)小段，各段分別獨(dú)立及組合運(yùn)行;可手動(dòng)/自動(dòng)切換運(yùn)行;具有多種故障報(bào)警燈指示。目前PLC采用艾默生自己制造的EC20型產(chǎn)品，該型產(chǎn)品指令豐富，編程方便，運(yùn)行可靠，兼容性強(qiáng)，能夠較好的滿足電子行業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 裝配線平面布局

圖1為生產(chǎn)線的平面布置圖。

圖1 中試生產(chǎn)線平面圖

2.2 中試生產(chǎn)線設(shè)備構(gòu)成和功能簡述

(1) 中試生產(chǎn)線由兩條長長的平行傳送帶A和B作為其主體設(shè)備，生產(chǎn)用的工裝臺(tái)就放置在這兩條傳送帶上，依次順序運(yùn)行到一個(gè)個(gè)裝配測試工位。兩條傳送帶A和B運(yùn)行方向相反，因此，工裝臺(tái)就是從A這邊去，從B那邊回。
(2) 傳送帶A和B兩端通過末端的單向移載傳送帶連通成環(huán)形的整體，工裝臺(tái)在運(yùn)行到某一條傳送帶的末端，就通過末端的單向移載傳送帶轉(zhuǎn)移到另一條傳送帶的起點(diǎn)。圖1中左邊的末端單向移載傳送帶簡稱“左一”，右邊的末端單向移載傳送帶簡稱“右一”。
(3) 在傳送帶A和B之間，還有兩條中間的雙向移載傳送帶，左邊的簡稱“左二”，右邊的簡稱“右二”。通過選擇運(yùn)行模式，這兩條雙向移載傳送帶可以投入運(yùn)行，在從而實(shí)現(xiàn)將生產(chǎn)線分解成1~3小段組合運(yùn)行的功能。這樣可以在生產(chǎn)線各小段分別安排不同工序流程的多種產(chǎn)品進(jìn)行同時(shí)加工，提高了生產(chǎn)效率，滿足多產(chǎn)品排產(chǎn)的要求。
(4) 圖1中最左邊為控制柜，內(nèi)裝PLC及其外圍輸入輸出電路，還有電機(jī)主電路的設(shè)備，包括變頻器、空氣開關(guān)、接觸器等。
(5) 在傳送帶中，布置了很多的行程開關(guān)、微動(dòng)開關(guān)，用于檢測工裝臺(tái)運(yùn)行的位置，轉(zhuǎn)換成為開關(guān)量數(shù)字信號(hào)輸入PLC控制器，使PLC能根據(jù)這些工裝臺(tái)的位置進(jìn)行運(yùn)行程序的運(yùn)算和控制輸出。
(6) 在裝配測試工位上，還有一些手自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)、腳踏開關(guān)、阻擋氣缸釋放按鈕等，多是開關(guān)量數(shù)字信號(hào)輸入(除了氣缸按鈕不是)，可通過這些裝置人工操作工裝臺(tái)和傳送帶的運(yùn)行。
(7) 電機(jī)是由PLC輸出的開關(guān)信號(hào)來進(jìn)行啟?？刂频?氣缸的頂升和下降是由電磁閥控制生產(chǎn)用壓縮空氣對(duì)氣缸的進(jìn)氣和排氣來實(shí)現(xiàn)的，而電磁閥則也是由PLC輸出開關(guān)信號(hào)來控制的。
(8) A和B傳送帶的運(yùn)行速度分別由兩臺(tái)變頻器來調(diào)節(jié)速度大小，運(yùn)行中采用定速運(yùn)行，滿足運(yùn)行工藝要求。

2.3 運(yùn)行和控制流程

(1) 上電后A和B傳送帶并行反向運(yùn)行，其速度由變頻器面板設(shè)置，固定運(yùn)行，調(diào)試成功后不需要更改。
(2) 兩端的移載傳送帶負(fù)責(zé)把工裝臺(tái)在兩條A和B傳送帶之間循環(huán)移載。例如當(dāng)工裝臺(tái)沿A線運(yùn)行到“右一”前A1位置碰到檢測的行程開關(guān)，則當(dāng)“右一”處于空閑時(shí)(無工裝臺(tái)在上面，也沒有工裝臺(tái)堆積在B傳送帶起點(diǎn)B1時(shí))，“右一”將會(huì)進(jìn)入單向移載程序。這時(shí)工裝臺(tái)繼續(xù)運(yùn)行到就位位置A1’觸動(dòng)行程開關(guān)，則“右一”氣缸會(huì)頂升，把工裝臺(tái)頂起來，“右一”傳送帶啟動(dòng)運(yùn)行，把工裝臺(tái)送到對(duì)面的B1起點(diǎn)，然后氣缸放氣，工裝臺(tái)放下。這就完成了一次單向移載?！白笠弧边\(yùn)行方式同上述方式的順序是一致的。
(3) 在選擇不同的小段組合工作運(yùn)行模式時(shí)，如果兩條傳送帶被分成兩段或三段循環(huán)運(yùn)行，則中間的兩段移載傳送帶負(fù)責(zé)把工裝分別在各自的循環(huán)路徑上移載，實(shí)現(xiàn)分段運(yùn)行。例如當(dāng)工裝臺(tái)沿A傳送帶運(yùn)行到“左二”前位置A3，則開始進(jìn)行移載檢測，如果“左二”處于空閑時(shí)(無工裝臺(tái)在上面，也沒有工裝臺(tái)堆積在B傳送帶出口點(diǎn)B3時(shí))，“左二”將會(huì)進(jìn)入移載程序，這時(shí)工裝臺(tái)繼續(xù)運(yùn)行到就位位置A4觸動(dòng)行程開關(guān)，則“右一”氣缸會(huì)頂升，把工裝臺(tái)頂起來，“右一”傳送帶啟動(dòng)運(yùn)行，把工裝臺(tái)送到對(duì)面的B4點(diǎn)，然后氣缸放氣，工裝臺(tái)放下。這就完成了一次A向B的工裝臺(tái)移載。而對(duì)面的工裝臺(tái)也可按相仿的順序從B5點(diǎn)轉(zhuǎn)移到A5點(diǎn)。
(4) 中間移載傳送帶根據(jù)各循環(huán)路徑上工裝到位的先后順序來排隊(duì)，先到先走，解決兩邊沖突的問題。
(5) 移載傳送帶通過氣缸頂升和皮帶滾輪傳送來實(shí)現(xiàn)工裝移載。
(6) 現(xiàn)場有手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)、腳踏開關(guān)用以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作。
(7) 整條線運(yùn)行前先根據(jù)要求選擇運(yùn)行模式(即小段組合運(yùn)行方式)。

3 PLC控制設(shè)計(jì)

3.1 PLC配置設(shè)計(jì)

控制柜是整個(gè)試生產(chǎn)線的中核心，其中關(guān)鍵的設(shè)備是PLC。中試生產(chǎn)線選用的是艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司的新產(chǎn)品EC20系列的PLC及擴(kuò)展模塊。

EC20系列PLC是高性能的通用PLC可擴(kuò)展多個(gè)模塊，擴(kuò)展模塊有數(shù)字型、模擬型、溫度型的模塊。

EC20的編程采用界面友好的窗口軟件，支持多種編程方式(梯形圖、指令列表、順序功能圖)，方便地監(jiān)控和調(diào)試，可在線修改程序。

(1) PLC設(shè)備配置

1個(gè)主模塊EC20-3232BRA，繼電器型輸出，220VAC電源，32輸入和32輸出;
1個(gè)擴(kuò)展模塊EC20-0808ER，繼電器型輸出，8輸入和8輸出。

(2) 輸入設(shè)備配置

輸入設(shè)備有:

●旋臂式行程開關(guān)，用于工裝臺(tái)的位置檢測;
●限位開關(guān)，用于工裝臺(tái)、運(yùn)動(dòng)機(jī)械、氣缸的到位檢測;
●腳踏開關(guān)，用于裝配工位上的人工操作;
●轉(zhuǎn)換開關(guān)，用于操作模式的選擇，在控制柜和裝配工位上，控制柜上是整體運(yùn)行模式的選擇，裝配工位上是手/自動(dòng)切換。EC20輸入端是漏型輸入，因此輸入設(shè)備采用EC20模塊的COM點(diǎn)為輸入接線回路端。

(3) 輸出設(shè)備配置

輸出設(shè)備有:

●繼電器-電磁閥-氣缸，PLC輸出點(diǎn)通過控制繼電器來控制電磁閥，電磁閥再控制氣缸的進(jìn)氣和排氣，從而實(shí)現(xiàn)氣缸的頂升和下降，繼電器-電磁閥-氣缸的組合是通過電氣輸出的接點(diǎn)控制氣動(dòng)操作設(shè)備的一種有效手段;
●繼電器-接觸器，PLC輸出點(diǎn)通過控制繼電器來控制接觸器，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停操作、設(shè)備的開關(guān)及其它電路的通斷，繼電器-接觸器的組合是用小容量的輸出點(diǎn)來控制大容量的電氣回路的正確方法;
●繼電器，PLC部分輸出控制可通過繼電器直接進(jìn)行，如指示燈、蜂鳴器等小容量電路。

一般情況下要注意PLC的輸出點(diǎn)不應(yīng)用于直接接入和控制各種被控制電氣回路，要通過繼電器等元件來提高控制容量，以及起到隔離的作用。

3.2 PLC的順序步驟程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)

環(huán)形生產(chǎn)線的運(yùn)行，主要的流程都是按順序進(jìn)行操作的。大多數(shù)情況下工程技術(shù)人員采用的是梯形圖的編程方式，也有少量采用指令列表的方式。順序功能圖的方式還不十分為廣大技術(shù)人員熟悉。這里討論的是采用梯形圖編程時(shí)的順序步驟程序設(shè)計(jì)。

在編程前，需要把設(shè)備的流程轉(zhuǎn)變?yōu)轫樞虻倪壿嬃鞒虉D。第二節(jié)中所討論的流程，是一種操作的外在現(xiàn)象和設(shè)計(jì)思想，而程序的邏輯流程圖，則是準(zhǔn)確到包含以下及其他未說明的精確設(shè)計(jì):輸入檢測和受控設(shè)備的動(dòng)作配合、步驟的準(zhǔn)確銜接、操作的延時(shí)長短設(shè)置、操作的條件和限定、對(duì)人和設(shè)備保護(hù)防護(hù)設(shè)限、動(dòng)作先后判斷及優(yōu)先選擇、故障的診斷和顯示、故障后的保護(hù)和恢復(fù)等。

如果設(shè)計(jì)和編制程序時(shí)，不編制流程和順序控制點(diǎn)，不設(shè)置順序控制點(diǎn)的代表元件，則程序做出來的可讀性、可維護(hù)性會(huì)很差。比如一臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)，如果僅是套用一堆輸入、延時(shí)、條件、限制邏輯在PLC輸出線圈之前，其中沒有一個(gè)代表順序的觸點(diǎn)元件，那么就是上述無序編程的典型做法。當(dāng)程序點(diǎn)數(shù)增多，最后就可能導(dǎo)致程序的編制難以控制，出錯(cuò)可能性大，調(diào)試非常困難、維護(hù)和調(diào)整難以下手。

中試生產(chǎn)線的編程，采用了兩項(xiàng)主要的編程方法。

(1) 順序步驟程序設(shè)計(jì)

順序步驟程序設(shè)計(jì)，是將一長串流程分解為一個(gè)個(gè)步驟，每個(gè)步驟單獨(dú)完成一項(xiàng)邏輯運(yùn)算和動(dòng)作。在每個(gè)步驟上，都設(shè)置一個(gè)人為的標(biāo)志位，用以明確表示當(dāng)前運(yùn)行的步驟，并通過此標(biāo)志位限定設(shè)備的輸出，達(dá)到使整個(gè)系統(tǒng)按照步驟嚴(yán)格運(yùn)行的目的;并使得整個(gè)程序的條理清晰，各步驟邏輯簡潔明確，有利于日后的維護(hù)和修改。

如圖2為中試生產(chǎn)線上“左一”單向移載傳送帶的編程示例:

圖2 生產(chǎn)線的“左一”梯形圖

如圖2中所示，“左一”單向移載傳送帶的流程劃分為五個(gè)步驟，分別以標(biāo)志位M100、M101、M102、M103、M106來表示。在運(yùn)行中，M100~M106順序地被置位，在每個(gè)步驟中，相應(yīng)的操作運(yùn)算由相應(yīng)的標(biāo)志位來開通，使得設(shè)備運(yùn)行得以按順序進(jìn)行，程序脈絡(luò)十分清晰。

例如第1行，當(dāng)X47置位，表明工裝臺(tái)進(jìn)入了圖1中“左一”的B2位置，當(dāng)A2處無工裝板積壓，則M100就被置位并自保持，“左一”開始進(jìn)行這塊工裝臺(tái)的移載操作(步驟M100)。到了第2行，Y21會(huì)因?yàn)镸100置位而復(fù)位，使該Y21對(duì)應(yīng)的阻板氣缸下降，將這塊工裝臺(tái)放行，隨B傳送帶進(jìn)入“左一”傳送帶上。第3、4行，當(dāng)工裝臺(tái)進(jìn)入“左一”完畢(此時(shí)觸動(dòng)了X44行程開關(guān))，延時(shí)1s(T1時(shí)間繼電器)，然后就根據(jù)條件將M101置位并自保持，程序進(jìn)入步驟M101?？梢姡绦?qū)?huì)按順序進(jìn)行，直到工裝板被準(zhǔn)確送出“左一”傳送帶為止。

到了步驟M106，M106短暫地置位后，將在下一個(gè)掃描周期內(nèi)復(fù)位M100和T0，使得M100~103全部步驟都復(fù)位，系統(tǒng)就開始等待下一次移載操作。

(2) 狀態(tài)標(biāo)志替代方法

在“左二”和“右二”雙向移載傳送帶的操作時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)A線和B線兩塊工裝臺(tái)同時(shí)到達(dá)的現(xiàn)象。在這種情況下，“左二”、“右二”如何處理這個(gè)矛盾？哪個(gè)工裝臺(tái)會(huì)先運(yùn)行？這里，就有個(gè)優(yōu)先狀態(tài)標(biāo)志的設(shè)置和判斷。如果兩邊各用一個(gè)行程開關(guān)來置位相應(yīng)標(biāo)志位，程序并不好寫，因?yàn)橹梦缓蟮臉?biāo)志位沒有“優(yōu)先”的特征，都是“1”，還是會(huì)造成混亂。如果用“輸入端中斷”來編程，則會(huì)因?yàn)楦鞣N原因(如輸入誤動(dòng)作)導(dǎo)致系統(tǒng)的錯(cuò)誤操作—在這種生產(chǎn)線上是很容易出現(xiàn)輸入的誤動(dòng)作的。

在這里，程序設(shè)計(jì)者用了一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志替代方法，用2個(gè)累加數(shù)的大小來代表工裝臺(tái)，如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的梯形圖

如圖3所示，程序中采用了D100和D102兩個(gè)32位長整型寄存器用來做累加比較。當(dāng)工裝臺(tái)同時(shí)進(jìn)入時(shí)圖1中的A3、B3時(shí)(這個(gè)“同時(shí)”還是有些微差別的)，如圖3所示的程序，M200和M250都置位，A和B兩邊都進(jìn)入了移載程序的第一步，第4、5行就是對(duì)D100和D102進(jìn)行累加，則當(dāng)運(yùn)行到第6行時(shí)，D100和D102的差別比較就會(huì)出來了。在D100大于和等于D102時(shí)，M120被置位;在D100小于D102時(shí)，M121被置位。這樣，通過累加和比較，會(huì)得出一個(gè)優(yōu)先的判斷并固定用兩個(gè)標(biāo)志位M120及M121來表示(實(shí)際上，這樣編程就能得到“先到者優(yōu)先”的結(jié)果，現(xiàn)場所謂工裝臺(tái)“同時(shí)”達(dá)到對(duì)PLC來說還是非同時(shí)的)。隨后的編程則將兩邊的步驟可以分開來寫，并且還能相互添加一些聯(lián)鎖，保證兩邊的步驟不互相干擾。

4 結(jié)束語

在PLC順序控制應(yīng)用大多數(shù)是在機(jī)械行業(yè)。目前電子設(shè)備裝配生產(chǎn)流水線市場上，主流的PLC產(chǎn)品是以三菱為首的日系品牌，包括松下、歐姆龍等，還有西門子S7-200、B&R等等品牌也有一席之地。艾默生EC20的PLC在輸入輸出、指令、編程元件資源、中斷、指令速度上，與目前市場上的多種產(chǎn)品有較好的兼容性,在編程環(huán)境和文檔上以中文平臺(tái)為基本開發(fā)思想,具有通用的友好界面和操作方式。設(shè)備制造類的用戶可以很快地掌握艾默生產(chǎn)品的應(yīng)用和編程。在設(shè)計(jì)上，性能要比同級(jí)別的各種產(chǎn)品高，比如指令數(shù)量、中斷源、高速計(jì)數(shù)等。因此，在這種裝配線上，采用艾默生的產(chǎn)品，會(huì)是一個(gè)很好的突破口。

在這些場合應(yīng)用中，由于生產(chǎn)線可能會(huì)長期運(yùn)行，其可靠性要求要較高;同時(shí)有可能會(huì)因?yàn)橛脩羯a(chǎn)產(chǎn)品和工藝的變更，對(duì)生產(chǎn)線可能會(huì)要求做修改、改造，因此PLC需要考慮生產(chǎn)線改造時(shí)有一定的兼容性、擴(kuò)展性。