PLC控制的自動化流水線實驗臺

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）,簡稱PLC，是以微處理器為基礎，把計算機技術、自動化技術和通信技術融為一體的，面向控制過程、面向用戶，適應工業環境、操作方便、可靠性高的新一代通用工業自動裝置。
隨著科學技術的發展和高新技術推廣應用的普及，自動化技術已逐步深入到生產、生活的各個角落，生產從機械化轉變為自動化，在機械加工、汽車制造、電腦裝配、食品生產、藥品包裝等等方面都在向自動化方向轉變，它們都有共同的規律（按一定規則節拍地動作），從而產生了自動化流水線（生產線、裝配線）。教育要服務于社會，就必須跟上科技發展的步伐，不斷滿足高新技術推廣應用的需求。為此我們研制了一臺自動化制造流水線實驗臺。
1、實驗臺系統
1.1 結構和組成
該實驗臺由上料工位、加工工位、熱處理工位、裝配工位、檢測工位、剔除工位、機械手工位、立體倉庫工位等八工位組成。它的外形結構如圖1如示。

圖1自動化制造流水線機電綜合實驗臺示意圖
1. PLC 2. 接線區 3. 按鈕區 4. LED顯示毛壞數數碼管 5. 上料工位 6. 大工件 7. 紅黃綠開始警示燈 8. 加工工位 9. 溫控儀熱處理工位 10. 輸送帶 1. 小工件 12. 裝配工位 13. 檢測工位 14. 剔除工位 15. LED顯示成品數數碼管 16. 旋轉機械手工位17. 變頻器18. 立體倉庫工位 19. 紅黃綠結束警示燈 20. 工作臺

1.2 主要功能
自動化制造流水線系統主要功能如下（以自動為例）：開始按鈕按下后綠燈亮，電機以一定頻率帶動輸送帶正轉，等待幾秒后，出料氣缸推出大工件； 當加工工位傳感器感應到有工件時，直流電動機帶動刀具旋轉并一起向下移動加工，同時毛壞數碼管計數，這時出料氣缸又推出大工件; 加工完成后由輸送帶把加工好的大工件送到下一個工位熱處理工位，這時由溫控儀設定溫度，溫度傳感器感應溫度，從而對大工件進行加溫，實現熱處理。熱處理完成后同樣由輸送帶送到下一個工位裝配工位，當裝配工位接近開關感應到有工件時，黃燈亮，機械手從原點位置（垂直氣缸應伸出，水平氣缸應縮回，夾爪氣缸應伸出處于松開狀態）出發，垂直氣缸向下運行，運行到底后，夾爪氣缸夾緊小工件并一直保持到松開，然后垂直氣缸向上運行，運行到頂后, 水平氣缸向前推出，推到行程后，垂直氣缸向下運行，到底后松開小工件，然后垂直氣缸向上到頂，水平氣缸向后縮回，這樣就回到了原點。當小工件已裝到大工件中后，左面定位插銷氣缸向后縮回，工件隨傳送帶向后移動。當中間接近開關感應到有工件時，檢測裝置上垂直氣缸向下移動，到底時停留幾秒，檢測有無小工件，然后垂直氣缸向上恢復原位，右面定位插銷氣缸向后縮回，工件隨傳送帶向后移動，如果有小工件裝在大工件中，就一直運送到成品入口處，由旋轉機械手夾起送到立體倉庫基點，中途會被右邊接近開關感應到，那時成品計數器就自動加1。另一方面，大工件中如果沒有小工件，紅燈亮，剔料氣缸就會伸出，大工件就能退出傳送帶，進入廢品入口處。在立體倉庫基點處，由檢測傳感器確定裝配性質，通過傳動系統送到相應的立體倉庫倉號中。
電子發卷系統：為進一步適應機電一體化專業的教學，配合本系統我們開發了電子發卷系統。本系統由PC機設計試卷代碼，通過軟件將該代碼送給單片機系統，控制流水線控制電路的通斷，產生故障。由學生排除該故障。并通過組態軟件實時監控故障排除情況，為學生打分。
1.3 電路連接
整個電路的總電源是市電220V，50Hz，由它來供應PLC，變頻器，穩壓電源工作，由PLC控制變頻器向電動機送電，從而驅動電動機旋轉；穩壓電源向電磁閥供電，從而控制氣缸的運動。

圖2 實驗臺系統電路連接圖
1.4 功能圖舉例
整個系統功能圖分八個部分：上料并啟動電機功能圖、鉆削加工功能圖、熱處理設置功能圖、機械手裝配功能圖、檢測剔除廢品功能圖、機械手搬運功能圖、立體倉庫上伺服電機運行功能圖。以檢測剔除廢品功能圖為例，如圖3如示。
1.5 本機電綜合實驗臺所能開設的實驗
(1)認識性實驗：各個公司的PLC 及其軟件、變頻器、直流電動機、三相異步電動機、步進電機、伺服電機、減速器、帶傳動、滾珠絲杠、傳感器、機械手、穩壓電源、按鈕、各種傳感器、溫控儀、單片機、接近開關、接觸器、繼電器、空氣壓縮機、氣壓缸、電磁閥、警示燈、LED數碼管、電鈴、蜂鳴器、立體倉庫等。
(2)應用性實習：邏輯控制、順序控制、定時控制、計數控制、步進控制、運動控制、模擬量控制、立體倉庫控制、數字變頻調速控制、無級變頻調速控制、組態王設計、電子發卷、故障設置、查找、排除等。
(3)設計性實習：警示燈和電鈴及蜂鳴器控制、十字路口交通燈控制、彩燈順序控制、直流電機控制、機械手控制、步進電機控制、交流電動機正反轉及調速控制、數碼管顯示控制、檢測剔除控制等。
(4)創新性實習：溫度控制、伺服電機控制、網絡控制、離線實時控制等。

1.6 本機電綜合實驗臺的主要特點
和傳統實驗臺相比，本實驗臺具有以下幾個主要特點 :
（1）采用機、電、氣及計算機一體化綜合控制，開發柔性好、抗干擾性強及自動化程度高 ；
（2）氣壓傳動清潔衛生，取之不盡，用之不完，不花成本；
（3）本實驗裝置相對獨立，只要接入220Ｖ的交流電源，接好輸入輸出端線，弄清地址分配即可進行各種實驗，所需的各種直流電源也由實驗系統提供；
（4 ）具有很好的柔性，實現回路改變或增減不會改變PLC 的硬件設備，只須改變應用程序即可 ；
（5）具有很高的可靠性，PLC 沒有機械觸點，更能適應實驗環境;
（6）功能完善、靈活性好，PLC 具有標準化的硬件設施及軟件設計，能在該實驗臺上實現邏輯、順序、定時、計數控制、人機交互功能，還有顯示、報警等功能；
（7）元件按實物配置，便于學生觀察元件的結構和工作原理 ，易于提高其學習興趣；
（8）接線簡單，安裝調試方便；
（9）綜合很多機電學科，給機電專業學生生產實習前提供了必要的教學實習；
（10）實習容量較大，能滿足高職高專學生停課實習一個月；
（11）能為電器元件，PLC，機械基礎，機械傳動及設計、氣壓傳動、傳感器、變頻器、電工基礎、編程軟件、組態王等相關課程提供教學實驗實習、課程設計以及畢業設計，從而搭建了一個良好的實驗實習平臺；
（12）融合了很多當代機電一體化技術：PLC，單片機，PC，傳感器，組態王，網絡，氣壓傳動，變頻器，伺服傳動，機械手等等。
以上只是粗略地介紹了我們研制的自動化制造流水線實驗臺，經學生的實際使用，很好地實現了預定的功能，經過這次自行研制實驗臺系統，使老師和學生的動手能力得到了大大的提高，激發了學生學習機電課程的興趣。