自动化生产线控制系统分析方法探讨

山东理工职业学院 李 强

自动化生产线是在流水线基础上发展起来的，在我国工业企业中得到了广泛应用。与传统生产线相比，采用自动化生产线能够减少生产线员工数量、减轻工人劳动强度、提高产品生产效率和降低生产成本，并且产品质量稳定和生产周期缩短，能给企业带来显著的经济效益。自动化生产线的正常运行对于保证企业的可靠生产具有重要意义。企业需要大量自动化生产线调试、维修与管理甚至改造的人员，而自动化生产线具有综合性和系统性的特点，随着自动化生产线智能化水平的不断提高，企业原有的设备维修人员面对复杂的自动化生产线，容易出现无从下手的情况。自动化生产线控制系统是自动化生产线的核心，帮助一线技术人员掌握自动化生产线控制系统的分析方法具有重要意义。本文在研究了北京德普罗尔科技有限公司推出的一套以PLC为控制器的智能工厂自动化工程综合实训平台——IFAE平台基础上，提出了一种基于流的分析方法。实践证明，采用流分析方法能够帮助技术人员清晰地理解自动化生产线控制系统。

1 自动化生产线IFAE平台

IFAE（智能工厂自动化工程综合实训平台）抽象自真实工业中的自动化生产线，能够使学习者参与自动化生产线控制系统的设计、构建和调试。它是通过采用一套能自动进行供料、检测、组装、装卸运输的机器设备，组成高度连续、完全自动化的生产线，来实现产品的生产。

这套自动化生产线共有六个工作站，具体包括主件供料站、次品分拣站、旋转工作站、方向调整站、产品组装站、产品分拣站组成。该实训平台共使用了六台西门子S7-1200系列PLC。每个工作站均设置一台PLC承担控制任务，各工作站可自成一个独立的系统，同时也可以通过由交换机构成的以太网实现互连，构成分布式的控制系统。

2 自动化生产线中的流分析

现代机电一体化系统都是在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下，通过物质与能量的有规则运动实现相应功能。自动化生产线本身就“流”的特性，作为典型的机电一体化系统中同样存在着物料流、信息流与能量流。所谓的流分析法，就是通过研究自动化生产线中的物料流与信息流，使原本复杂的自动化生产线工作过程变得清晰。

2.1 自动化生产线中的物料流

广义物料包括企业中生产经营中用到的各种物资，而在研究自动化生产线时，物料主要是指用于产品生产的各种原材料与零部件，所谓的物料流就是围绕产品生产任务使各种物料在空间位置上的移动过程。对于制造企业，产品的生产活动都有一定的流程性，即要按照一定的生产工艺把原材料加工成产品。自动化生产线物料流需要关注的是从物料进入自动化生产线到离开生产线所经历的过程。对于不同的生产线，物料流会有很大差异，但一般都是从物料供料开始到根据加工工艺加工或装配工艺装配的各环节，最后到产品的分拣和入库。物料流分析的起点是产品的组成和工艺分析。IFAE平台属于自动化装配生产线，通过对该生产线的产品分析，可以看到生产线所用物料主要包括产品主件、推杆和顶丝三部分。物流分析要根据不同物料的物流进行分析，其中主件物料由主件供料站经次品分拣站、旋转工作站、方向调整站送到产品组装站。产品组装站再提供推杆和顶丝，与主件完成产品组装，最后由产品分拣站进行分拣。物料流分析的过程是不断细化的过程，对于主件物料经过的每个工作站都可以进行详细的物料流分析，例如对于主件供料站，物料是产品主件。产品主件物料放置在带滚轮的斜坡滑道上后，物料滑动到滑道末端的物料平台上。气爪夹取物料，由传送带从供料站左侧搬运到工作站右侧。在第二站空闲情况下，物料被放置到下一站次品分拣站承载料平台上。

2.2 自动化生产线中的信息流

现代机电一体化设备与传统机械设备的本质区别就是有信息流。在现代机电一体化系统中信息系统对于系统正确运行具有重要意义。现代制造企业的整个生产过程都伴随着信息的采集、传递与加工处理。信息流涉及信息的读取、识别、传送、变换、处理和存储等过程，是构成任何机电一体化系统设计方法的基础。自动化生产线控制的关键就是实现对生产信息流的控制。自动化生产线的信息流主要在检测与传感器装置、人机界面设备和控制器等组成控制系统中“流动”。控制器根据从检测装置上获取的检测信息和来自于人机界面的指令信息进行分析、变换、处理、决策，然后输出控制信息并显示相关信息。在自动化生产线中控制器是核心，一般采用PLC作为控制器。PLC是可编程控制器，主要通过完成入出的信息变换达到控制功能。在生产线上通常会安装一定量的传感器，在自动化生产线运行过程中，各种检测信息会提供给PLC。PLC通过运行控制程序，向继电器、电磁阀、指示灯等电器发出控制信息，从而实现对生产线控制。随着工业互联网技术的发展，自动化生产线上一般采用多个PLC组成控制网络，每个PLC会根据分工去完成相应的信息处理和控制功能。例如组装好的产品到达IFAE平台产品分拣站，工作站安装的颜色识别传感器会向PLC发出颜色检测信息。根据产品分拣规则，PLC会记录检测结果，向气动电磁阀发出命令，驱动气爪把产品放置到不同滑道。

3 物料流和信息流在控制系统分析中的应用

PLC使用方便、可靠性高、可以实现复杂的控制功能，能够满足自动化生产线的控制需要。IFAE平台生产线由PLC控制实现，要了解其控制原理就需要深入控制现场，熟悉被控对象，全面详细地了解被控对象的机械工作性能、基本结构特点、生产工艺和生产过程。结合自动化生产线的特点，在IFAE平台控制系统研究中，可以针对不同的工作站进行物料流和信息流分析，不仅能够清晰直观地查看到物料移动情况，而且能够看到物料流上每个点位所产生和接收的信息，以及相关执行元件所接收的控制信息。

如图1所示是IFAE平台次品分拣站流分析图。图中用虚线箭头表示物料流、实线箭头表示信息流。根据物料在次品分拣站上的实际运行情况，可以进行相应的物料流分析。首先物料是产品主件，从图1可以看到上一站来的物料被放置到承载物料平台，然后经过高度检测位后，被搬运到到工作站右侧位。之后部分物料被推入废料仓，部分物料被推入下一站。对于每一个物料位，一般都会安装有相应的传感器，可以向PLC提供物料信息。物料在不同位置的移动，离不开相应的执行装置。这些执行装置本身一方面会接收PLC发出的控制信息，另一方面会向PLC提供相应的动作、位置等检测信息。例如物料平台位安装有搬运初始位和上料点有料检测传感器。通过这两个传感器PLC可以获取搬运装置是否处于初始位，物料平台上是否放置物料的信息。PLC向同步带驱动电机发出使能和方向控制指令到继电器K1和K2，从而控制同步带带动物料移动到高度检测位。高度检测位同时向PLC提供高度检测点是否有料和物料高度信息。根据以上分析，就可以在物料流基础上绘制出相应的信息流。此外，还可以在图中添加标注指令信息、端口信息、显示信息等以完善整个系统信息方便系统的后期实现。

图1 次品分拣站中的流分析图

根据自动化生产线各工作站流分析图，能够方便地确定PLC控制系统的点数和主要的I/O分配，并且据此能方便地绘制出系统程序功能图。利用程序控制功能图，既可以帮助用户理解PLC程序，又可以帮助用户修改PLC程序，为自动化生产线控制系统设计、改造与维修提供条件。

结束语：自动化生产线本身就具有“流”的特征，存在物料流和信息流。因此根据控制要求和生产工艺，通过对自动化生产线采用物料流和信息流分析，可以帮助用户能更清晰地认识自动化生产线的控制系统，从而能实现对自动化生产线控制系统更好地使用和维护。