1 MES網(wǎng)絡型柔性自動化生產(chǎn)線

    MES系統(tǒng)是面向車間層的生產(chǎn)管理技術與實時信息系統(tǒng)。自動統(tǒng)計生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品數(shù)量、次品數(shù)量、產(chǎn)品缺陷。可以為用戶提供一個快速反應、有彈性、精細化的制造業(yè)環(huán)境，幫助企業(yè)降低成本和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，為多品種生產(chǎn)的制造提供良好的生產(chǎn)信息管理。

    柔性自動生產(chǎn)線是能實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程自動化的一種機器體系，通過采用一套能自動進行加工、檢測，安裝、運輸?shù)臋C器設備，組成高度連續(xù)的、完全自動化的生產(chǎn)線，來實現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)，從而提高工作效率，降低生產(chǎn)成本，提高加工質(zhì)量。在各個不同的應用領域，不同種類的自動線的結(jié)構不同，大小也不同，功能也不同。他們基本都包括檢測、機械本體、CPU信息處理、(輸入輸出)接口部分、執(zhí)行機構及通信模塊六部分。

    MES網(wǎng)絡型柔性自動化生產(chǎn)線是一套集MES系統(tǒng)和柔性生產(chǎn)線優(yōu)點的完全自動化的機器設備生產(chǎn)線。在提高工作效率、降低生產(chǎn)成本的同時，可遠程獲取設備實時運行的狀況；可實時從生產(chǎn)設備中讀取出生產(chǎn)數(shù)據(jù)等；可遠程控制設備的作業(yè)動作，實現(xiàn)對設備的智能化管理。使過去的柔性生產(chǎn)線具有生產(chǎn)信息的實時傳遞，并通過觸摸屏軟件實時監(jiān)控生產(chǎn)過程，實現(xiàn)遠程控制設備的作業(yè)動作，實現(xiàn)對設備的智能化管理。一個現(xiàn)代化的具有競爭力的企業(yè)要具有如圖1所示的生產(chǎn)與管理關系過程。

圖1 現(xiàn)代化企業(yè)生產(chǎn)與管理關系

    從圖1可看出：MES在企業(yè)信息化層次結(jié)構中起著承上啟下的樞紐作用。它接受上級發(fā)布的生產(chǎn)計劃，依據(jù)從車間獲取的實時現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)管理調(diào)度一級的管理人員提供大量豐富的生產(chǎn)調(diào)度信息。管理人員掌握了這些信息后，可以對車間生產(chǎn)層下達切實可行的生產(chǎn)指令，對企業(yè)決策層可以匯報真實有據(jù)的生產(chǎn)情況。如果沒有中間的一個生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，過程控制層與決策管理層就會出現(xiàn)信息的斷層，MES網(wǎng)絡型柔性自動化生產(chǎn)線具有過程控制層和實時數(shù)據(jù)庫，可為企業(yè)的生產(chǎn)的計劃管理層及時提供生產(chǎn)信息，為決策管理層快速獲得第一手現(xiàn)場數(shù)據(jù)，使企業(yè)能有效地組織生產(chǎn)，從客戶訂單到任務下達、產(chǎn)品生產(chǎn)、交貨，周期縮短，提高了企業(yè)的競爭力。

2 MES網(wǎng)絡型柔性自動化生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)總體設計方案

    MES網(wǎng)絡型柔性自動化生產(chǎn)線實訓系統(tǒng)是根據(jù)制造現(xiàn)場設計的實驗仿真系統(tǒng)，強化各種控制技術和工程實踐能力。本實訓系統(tǒng)由檢測、機械本體、CPU信息處理、執(zhí)行機構、通信模塊和觸摸屏六部分組成，包括上料檢測單元、搬運單元、加工檢測單元、橫臂單元、傳送帶單元、安裝單元、安裝搬運單元、分類單元、主控單元組成。工作過程如下：各個從站復位后，系統(tǒng)可開始運行；料檢測單元將大工件按順序排好后提升送出；搬運站將大工件從上料檢測單元搬至加工站；；01132站將大工件加工后送出工位；分揀站將加工過的正常的工件搬運到傳送站，如果是廢料，分揀機械手將工件搬運到廢料處理機構；傳輸站將正常的大工件送至尾端，將廢料分揀到廢料槽里；安裝搬運站將大工件從傳輸站搬至安裝工位放下。安裝站再將對應的小工件裝入大工件中。而后，安裝搬運站再將安裝好的工件送分類站，分類站再將工件送入相應的料倉。

    控制系統(tǒng)選用三菱FX2N一48MR的PLC進行控制，具有較好的柔性，即每單元各有一套PLC控制系統(tǒng)獨立控制，在基本單元模塊培訓完成以后，又可以將相鄰的兩個單元、三個單元、八個單元使用cc-Link總線進行通訊，cc-Link將各站的PLC連接在一起保證系統(tǒng)中各站能聯(lián)網(wǎng)運行，使獨立的各站間能交換信息，加工過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如工件顏色、裝配信息等，向下站傳送，處理控制和信息數(shù)據(jù)，以保證工作正確(如分類正確、安裝正確等)。本實訓系統(tǒng)FX2NPLC控制器采用cc-Link通信，實現(xiàn)八個單元與主站之間的網(wǎng)絡控制方案，如圖2所示。通過三菱QPLC主機采集并處理各站的相應信息，完成八個單元間的聯(lián)動控制。將cc-Link聯(lián)線首端出線的網(wǎng)絡聯(lián)接器接到三菱QPLC主機的通信口上，其它網(wǎng)絡聯(lián)接器依次接到八個單元的cc-Link模塊通信口上，將聯(lián)線末端網(wǎng)絡聯(lián)接器上的終端電阻開關打到“ON”位置，其它網(wǎng)絡聯(lián)接器上的終端電阻開關全部打到“OFF”位置。

    組網(wǎng)后，系統(tǒng)從站主要用于控制與驅(qū)動設備層，并對現(xiàn)場反饋的信號進行采集，主站采集各從站數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)各站運行，并為上位機的監(jiān)控程序提供數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)采用彩色工業(yè)觸摸屏完成系統(tǒng)控制網(wǎng)絡的集成。實現(xiàn)遠程控制設備的作業(yè)動作，生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品信息自動統(tǒng)計后通過觸摸屏軟件實時監(jiān)控生產(chǎn)過程，實現(xiàn)對設備的智能化管理。

圖2 計算機與主站、主站與從站組網(wǎng)結(jié)構及信息傳輸示意圖

3 生產(chǎn)線典型分站的設計

3.1 上料單元

    上料單元是柔性自動化生產(chǎn)線不可或缺的單元，本仿真系統(tǒng)上料單元的主要功能是將工件從回轉(zhuǎn)上料臺依次送到檢測工位，提升裝置將工件提升并檢測工件顏色，并把到料信息提供給搬運單元、顏色信息傳遞給安裝單元、分揀單元。這個單元的主要零部件有回轉(zhuǎn)臺、工件滑道、光電傳感器、可編程序控制器、直流減速電機、電磁閥及氣缸等。

    上料站系統(tǒng)框圖如圖3所示。上料單元需要完成直流減速電機帶動回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，其工作流程為：上料檢測單元運行，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，工件從轉(zhuǎn)盤經(jīng)過滑道送人貨臺上，當檢測工件光電傳感器檢測到物料時，氣缸驅(qū)動提升機構升至到等待位置，如果工件在30s內(nèi)沒有送到物料臺時警示黃燈亮，物料臺卡住時(3s內(nèi)氣缸沒有運行到上限位)警示紅燈亮。顏色檢測光電傳感器檢測工件顏色，并把顏色信息傳遞給后續(xù)的其它從站單元，當磁性傳感器檢測到提升機構倒位時，在PLC網(wǎng)絡中給出網(wǎng)路完成信號，下一站開始動作。

圖3 上料站系統(tǒng)框圖

    每一單元都有上電信號(按鈕)、開始按鈕、復位按鈕、調(diào)試按鈕和停止按鈕五個按鈕關開，手動／自動、單機／聯(lián)機兩個選擇開關通過一塊控制面板把信號送到PLC，使每個單元按要求進行工作；貨臺上限傳感器、貨臺下限傳感器、顏色檢測傳感器和到料檢測傳感器四個傳感器通過另一塊控制面板把信號送給PLC，PLC把料盤電機和氣缸的控制信號通過此面板送給料盤電機電磁閥和氣缸電控閥，PLC主機、空氣開關、開關電源、I／0接口板、各種接線端子等安裝在電氣網(wǎng)孔板上。把各個部分按設計電路圖連接起來即構成上料站單元模塊。

    本單元的PLC控制器中，傳感器信號占用4個輸入點，上電信號、開始按鈕、復位按鈕、調(diào)試按鈕、手動／自動、單機／聯(lián)機和停止按鈕各占一個輸入點。輸入信號占用11個輸入點；料盤電機、貨臺電磁閥、報警綠燈、報警黃燈、報警紅燈、開始燈和復位燈需要七個輸出信號，占用七個輸出點。本單元主機采用三菱FX2N一48MR系列PLC和FX2N一32CCL的CC—LINK通信模塊。其PLC控制原理圖如圖4所示。系統(tǒng)設計好以后，按系統(tǒng)工作流程和控制要求，即可在上位機中編寫PLC程序并下載到本站PLC中，使系統(tǒng)按控制要求進行工作。

圖4 上料站PLC控制原理圖

3.2 主控單元設計

    本實訓系統(tǒng)采用一臺Q系列的PLC(Q01CPU)作為主站，連接8個FX2N遠程設備站，各站之間使用CC—Link總線進行通訊。從站主要用于控制與驅(qū)動設備層，并對現(xiàn)場反饋的信號進行采集，主站采集各從站數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)各站運行，并為上位機的監(jiān)控程序提供數(shù)據(jù)，系統(tǒng)還配有10.4英寸彩色工業(yè)觸摸屏，可以完成系統(tǒng)控制網(wǎng)絡的集成。

    該單元的停止信號、啟動信號、復位信號、單杌／聯(lián)機信號、停止信號均從觸摸屏發(fā)出(同時，可操作控制按鈕板上相對應的按鈕)，經(jīng)主站Q PLC采集處理后，向各從站發(fā)送控制要求，以實現(xiàn)各單元的復位、開始、停止等操作。

    各從站在運行過程中的狀態(tài)信號，應存儲到該單元PLC規(guī)劃好的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行。

    在本實訓系統(tǒng)的上位機上裝有GX Developer編程軟件8.86和EV5000-V1.6組態(tài)軟件，在上位機中根據(jù)控制要求編寫各從站程序并下載到各站PLC、編寫主站和網(wǎng)絡控制程序并下載到主站PLC中，在上位機上用EV5000-V1.6組態(tài)軟件創(chuàng)建觸摸屏工程并下載到觸摸屏，主站采集各從站數(shù)據(jù)，觸摸屏與主站實現(xiàn)通訊后，當設備工作時，10.4英寸彩色工業(yè)觸摸屏即顯示工件加工總量、廢品量等信息，本實訓系統(tǒng)的典型特點就是具有實時從生產(chǎn)設備中讀取出生產(chǎn)數(shù)據(jù)，遠程獲取設備實時運行的狀況，可遠程控制設備的作業(yè)動作，實現(xiàn)對設備的智能化管理。

3.3 實驗仿真系統(tǒng)生產(chǎn)線的調(diào)試

    為了確保自動生產(chǎn)線實驗仿真系統(tǒng)平臺符合設計要求，需要對仿真系統(tǒng)作整體調(diào)試。系統(tǒng)調(diào)試可分為硬件電路的連接與調(diào)試、PLC程序功能的調(diào)試、生產(chǎn)線網(wǎng)絡功能的連接與數(shù)據(jù)傳輸調(diào)試等。現(xiàn)場調(diào)試時需要對設備出現(xiàn)的各種故障進行分析及診斷，在調(diào)試過程中曾出現(xiàn)了觸摸屏無法進行遠程控制與實時監(jiān)控，原因可能是CC-Link通訊出現(xiàn)故障，對聯(lián)線進行檢測后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中一個站的通訊聯(lián)線沒連接好，進行檢修后恢復正常。對故障進行分析很關鍵，對外圍線路或系統(tǒng)進行正常檢測，確定故障的有無，同時對故障定位，找到故障具體位置進行修正，使得系統(tǒng)恢復正常運行。

4 結(jié)論

    本仿真系統(tǒng)吸收了近10年來在國際上迅速發(fā)展的MES系統(tǒng)的優(yōu)點，采用氣動應用技術、PLC、傳感器自動檢測技術、組態(tài)技術和信息通信技術相結(jié)合的方法，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫與生產(chǎn)控制。本仿真系統(tǒng)在接近工業(yè)生產(chǎn)制造現(xiàn)場基礎上，針對教學進行了專門設計，強化了各種控制技術和工程實踐能力。根據(jù)每個工作單元課程需要設計不同的工作方式，保證初學者容易入門并有足夠的學習空間，工作單元之間通信后也可設計不同的工作過程，學習復雜系統(tǒng)的控制、編程、裝配和調(diào)試技術。為學員提供一個復雜和大型控制系統(tǒng)的學習平臺。教師可以在教學中根據(jù)需要設置故障，具有很好的柔性，應用到教學上也非常直觀，該實驗平臺系統(tǒng)可有效地結(jié)合教學和實驗，驗證了整個設計方案的可行性。

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