基于PLC 控制的航空電鍍生產(chǎn)線自動輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

　　隨著中國航空事業(yè)的快速發(fā)展和機(jī)型的多樣化，以及航空技術(shù)和材料地不斷更新，對航空器的維修要求也就越來越高。電鍍等表面處理技術(shù)對提高飛機(jī)零部件的耐磨性、耐蝕性具有十分重要的意義。目前，我國用于航空器的電鍍生產(chǎn)線生產(chǎn)方式相對比較落后，依然存在工人手工操作的情況，或者借助一些簡單設(shè)備依靠人工定時(shí)取放工件。人手工操作的方式存在著效率低、勞動強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，并且容易造成昂貴工件的人為損壞，另外工人長期在強(qiáng)酸強(qiáng)堿氰化物等惡劣環(huán)境下工

　　作會對身體造成極大的傷害。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，急需一套自動化生產(chǎn)設(shè)備來取代現(xiàn)在的操作方式。針對國內(nèi)電鍍生產(chǎn)線發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套自動化電鍍生產(chǎn)線系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于PLC控制，利用帶觸摸屏的控制面板設(shè)置參數(shù)和工序進(jìn)行操作。其融合了機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)、自動控制四大技術(shù)精髓，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)線上電鍍時(shí)間的設(shè)置、任意工序的選擇、工件的自動裝卸和運(yùn)輸。

　　1 系統(tǒng)的工作流程及主要功能

　　1.1 工作流程

　　由于不同工件所需電鍍時(shí)間不同，在所需時(shí)間較長的工件電鍍期間可以進(jìn)行其他工件的電鍍。相應(yīng)的，本系統(tǒng)工作流程分為放工件和取工件兩種操作。放工件依次進(jìn)行：工件提升臂上升，到位后輸送車運(yùn)行到指定槽位，提升臂下降到位工件開始工作，工作完成后提升臂上升接槽液盤彈出，輸送車前進(jìn)(或后退)到下一槽位進(jìn)行下一到工序，工藝完成后工件放置在指定槽位進(jìn)行工作自動輸送車回到放工件臺準(zhǔn)備下一工藝;取工件依次進(jìn)行：工件提升臂下降，到位后輸送車運(yùn)行到指定槽位取工件后提升臂上升，到位后接槽液盤彈出，輸送車前進(jìn)(或后退)到下一槽位繼續(xù)工作，工藝完成后自動輸送車回到放工件臺準(zhǔn)備下一工藝。

　　1.2 主要功能

　　本系統(tǒng)自動化程度要求較高，自動控制參數(shù)比較多，工作流程也比較復(fù)雜。主要功能如下：

　　1)具有自動和手動控制兩種功能，并能實(shí)現(xiàn)二者的自由切換

　　2)根據(jù)電鍍工藝要求完成任意槽位順序的控制

　　3)接槽液盤可以有效防止不同槽液之間的相互污染以及對槽體過槽板的腐蝕

　　4)不同工件可實(shí)現(xiàn)同時(shí)工作，最大限度的利用電鍍槽，大大提高生產(chǎn)效率

　　5)時(shí)刻監(jiān)控工件工作情況，一旦出現(xiàn)異常，可準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)

　　6)具有緊急停車和復(fù)位功能

　　7)系統(tǒng)安全性和可靠性高

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本自動輸送系統(tǒng)，主要由軌道銅排供電滑觸線、自動輸送車(包括行走機(jī)構(gòu)、工件提升機(jī)構(gòu)、接槽液機(jī)構(gòu)、電控柜、帶觸摸屏的控制面板)等部件組成，自動輸送車沿固定于車間生產(chǎn)線槽邊地面的方型軌道作雙向直線移動，并配備用以實(shí)現(xiàn)工件升降的提升裝置和防止槽液污染的接槽液裝置，如圖1所示。

　　2.1 銅排供電滑觸線

　　自動輸送車供電采用銅排滑觸線三相供電�？紤]到表面處理車間的生產(chǎn)特點(diǎn)，為確保用電安全，在生產(chǎn)線旁設(shè)置380V 變24V 三相交流變壓器�；�觸線工作在安全電壓24V 的狀態(tài)下，自行輸送車用電由配置于車上的24V變380V三相變壓器升壓。所有滑觸線及其輔件均為阻燃材料制作，從而使設(shè)備使用的安全性得到極大保證。

　　導(dǎo)電刷安裝于槽邊的的不銹鋼方型導(dǎo)軌上，從滑觸線獲得24V電源并送至安裝在取電車上的電源插座，自動輸送車的行走機(jī)構(gòu)、工件提升機(jī)構(gòu)及接槽液機(jī)構(gòu)的用電，通過電源插座獲取。為了保證導(dǎo)電刷和滑觸線有足夠的過流面積，設(shè)計(jì)中采用了由銅基石墨壓鑄而成的雙聯(lián)導(dǎo)電刷，過流能力達(dá)100A。一方面能夠保證自動小車的導(dǎo)電刷在運(yùn)行過程中穩(wěn)定地向電控系統(tǒng)傳輸信號并可靠地給滑觸線供電。另一方面銅基石墨還有潤滑功能，能夠保證導(dǎo)電刷使用耐磨、壽命長。導(dǎo)電刷支座為鉸接式，并通過彈簧連接，保證其與線軌既有一定壓力，又能伸縮自如，防止導(dǎo)電刷在退車時(shí)由于受力的變化而斷裂。

　　2.2 自動輸送車

　　自行輸送車主要由行走機(jī)構(gòu)、工件提升機(jī)構(gòu)、接槽液機(jī)構(gòu)、電控柜、帶觸摸屏的控制面板等部分組成。

　　行走機(jī)構(gòu)設(shè)置動力離合裝置和轉(zhuǎn)向輔助輪，通過渦輪箱、鏈傳動傳遞到主動輪軸上，以克服主動渦輪蝸桿傳動的自鎖。工件提升機(jī)構(gòu)中，動力經(jīng)渦輪蝸桿減速箱帶動鏈條使工件升降，為防止因渦輪箱自鎖失效造成工件下墜，調(diào)試過程中將電機(jī)更換為帶機(jī)械制動的型號，從而杜絕了工件下墜事故的發(fā)生。由于是懸臂提升重物，故在機(jī)架下方放置約300 公斤的配重，以確保輸送車不因載重而發(fā)生傾覆。接槽液機(jī)構(gòu)與工件提升機(jī)構(gòu)相似。電控柜主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的供電，以及PLC 和限位傳感器的控制。帶觸摸屏的控制面板與PLC連接實(shí)現(xiàn)對工藝流程的選擇、工藝參數(shù)的設(shè)置及相關(guān)操作。

　　2.3 可編程控制器PLC和觸摸屏

　　鑒于PLC的I/O點(diǎn)數(shù)限制和避免槽位定位傳感器與自動輸送車之間布線的繁雜，槽位定位傳感器安裝在自動輸送車上而不是槽位定位位置，這意味著所有槽位給入的限位信號共用一個輸入，增加了不同槽位定位的難度，具體實(shí)現(xiàn)方式可通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。

　　PLC 作為本系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)接受控制面板按鈕和各個傳感器的輸入信號，經(jīng)過程序處理后，發(fā)出輸出信號去控制驅(qū)動電路來完成相應(yīng)動作，輸出其他一些信息，如檢測結(jié)果顯示、報(bào)警等功能。

　　本系統(tǒng)選用西門子公司生產(chǎn)的S7-200 系列PLC·CPU 226，S7-200是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200 的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200 系列具有極高的性價(jià)比。CPU 226 集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點(diǎn);可連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248 個數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35 路模擬量I/O點(diǎn);13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間;2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。PLC 控制系統(tǒng)邏輯框圖如圖2 所示。該系統(tǒng)選用西門子觸摸屏TP170B，用西門子組態(tài)軟件WinCC Flexible對其組態(tài)，與PLC通過RS485總線進(jìn)行通信。

　　2.4 硬件設(shè)計(jì)中的幾個問題

　　2.4.1 槽位準(zhǔn)確定位

　　自動輸送車為了裝載大重量的工件，配重將會很大，其在槽間的定位由于慣性的作用很難準(zhǔn)確。本系統(tǒng)利用變頻器控制電機(jī)增加一級緩沖，即在小車的前中后三個位置分別安裝限位傳感器，當(dāng)小車前進(jìn)到位時(shí)首先感應(yīng)到前面的傳感器，此時(shí)利用變頻器使電機(jī)減速，當(dāng)感應(yīng)到中間的傳感器時(shí)實(shí)現(xiàn)制動。小車后退亦然。

　　2.4.2 槽位限位傳感器與PLC的連接

　　鑒于電鍍生產(chǎn)線槽位數(shù)目較多，而PLC的I/O點(diǎn)數(shù)受限，如果擴(kuò)展PLC的I/O點(diǎn)，勢必將增加傳感器的數(shù)目，使成本大大增加。而本系統(tǒng)將槽位定位傳感器安裝在自動輸送車上，只需三個傳感器即可。如果定位傳感器安裝在槽位定位位置，傳感器與自動輸送車之間的布線將相當(dāng)繁雜，意味著小車將托著數(shù)十根連接線行進(jìn)，當(dāng)然也可以采用無線方式，但其投入必將不菲。這樣的設(shè)計(jì)意味著所有槽位給入的限位信號共用一個輸入，從而增加了不同槽位定位的難度，具體實(shí)現(xiàn)方式可通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)控制方式

　　該系統(tǒng)有手動和自動兩種控制方式。一般情況下，操作面板上手自動旋鈕打在自動擋，系統(tǒng)由觸摸屏控制，按照前述工作原理進(jìn)行工作。此外，為了便于調(diào)試、維修和應(yīng)急情況，系統(tǒng)還要求能夠手動控制，即通過選擇控制面板上不同的按鈕，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相應(yīng)的動作。

　　3.2 軟件設(shè)計(jì)思路

由于系統(tǒng)有兩種工作方式，所以軟件的設(shè)計(jì)有兩個分支。對于手動工作方式，主要控制功能是通過不同按鈕實(shí)現(xiàn)不同操作，這時(shí)軟件的功能就是把按鈕的輸入信號直接變成輸出信號，驅(qū)動相應(yīng)的機(jī)構(gòu)動作。對于自動工作方式，軟件的功能是不斷讀取相應(yīng)的輸入信號的狀態(tài)值，同時(shí)根據(jù)這些狀態(tài)值結(jié)合工藝要求做出下一步的動作判斷，并輸出相應(yīng)的信號通過驅(qū)動電路驅(qū)動機(jī)構(gòu)動作。

　　該控制系統(tǒng)采用順序控制設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，就是按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的順序，在各個輸入信號的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間的順序，在生產(chǎn)過程中各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動地有序地進(jìn)行操作。使用順序控制設(shè)計(jì)法時(shí)首先根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程，畫出順序功能圖，再根據(jù)順序功能圖畫出梯形圖。

　　根據(jù)航空電鍍工藝要求，可以在觸摸屏上自行設(shè)置所需的任何工藝，這比現(xiàn)有的基于PLC控制的電鍍生產(chǎn)線的固定工藝增加了靈活性與通用性，這樣大大縮短了系統(tǒng)地設(shè)計(jì)周期，體現(xiàn)了真正意義上的自動控制。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3 所示。

　　3.3 軟件設(shè)計(jì)中的幾個問題

　　3.3.1 動作互鎖

　　為了保證工作的順序性，系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上采用了前后動作互鎖功能，使前后動作不能錯位，并且沒有前面的動作后面的動作就不能進(jìn)行。

　　PLC中的主程序包含每次PLC掃描即按順序執(zhí)行一次的指令。對于本系統(tǒng)，需要以邏輯方式將主程序分為一系列操作步驟，以便反映控制進(jìn)程中的步驟。

　　對于S7-200 系列PLC，以邏輯方式將程序分為多個步驟的一種方法是使用SCR段。通過使用SCR段，可以將程序分為一個連續(xù)步驟流，沒有前一步驟的完成，即使后一個步驟的條件滿足程序也不會執(zhí)行該步驟。這樣有效的實(shí)現(xiàn)了動作的互鎖，加強(qiáng)的系統(tǒng)的可靠性。

　　3.3.2 槽位定位及任意槽位行進(jìn)的處理

　　由于所有槽位給PLC的輸入信號完全一樣，為了區(qū)分不同槽位，本軟件設(shè)置了專門的計(jì)數(shù)器，每前進(jìn)一個槽位計(jì)數(shù)器加1，后退一個槽位減1，相當(dāng)于給每個槽位編制了號碼，計(jì)數(shù)器的值即槽號。為了實(shí)現(xiàn)自動行車在任意槽間行進(jìn)，需要設(shè)置兩個變量A、B 分別表示上一個槽位、當(dāng)前槽位和下一個槽位。工件完成上一個槽的工作后，分別對上述三個變量賦值，當(dāng)A>B時(shí)，小車后退至相應(yīng)槽位;當(dāng)A 車前進(jìn)至相應(yīng)槽位。以進(jìn)行工作的槽位依次為a，b，?，c 為例其流程見圖4。

　　3.3.3 故障應(yīng)急處理

　　當(dāng)遇到電氣、機(jī)械故障或意外情況時(shí)軟件按超時(shí)進(jìn)行處理并終止當(dāng)前進(jìn)行的動作，然后進(jìn)入手動方式進(jìn)行故障處理。例如，小車、提升機(jī)構(gòu)和接槽液機(jī)構(gòu)的超位報(bào)警，工件的電鍍超時(shí)，以及其他意外情況。

　　4 結(jié)束語

　　由于PLC具有使用靈活、性能穩(wěn)定、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、通信等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。該自動輸送車系統(tǒng)采用PLC作為系統(tǒng)的控制中心，實(shí)現(xiàn)了電鍍生產(chǎn)線的自動控制，與之前的人工手動控制方式相比，大大提高了工作效率和可靠性，降低了工人的勞動強(qiáng)度和工作環(huán)境危害，并且降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。本系統(tǒng)已在國內(nèi)某航空電鍍生產(chǎn)線上成功應(yīng)用，基于其工作特點(diǎn)它的應(yīng)用前景也將非常廣泛，可以擴(kuò)展到其它類似的生產(chǎn)線上，例如PCB生產(chǎn)行業(yè)、其他表面處理生產(chǎn)線以及汽車制造流水線。了解更多PLC技術(shù)、資訊、分析報(bào)告文章