摘要：分析了供料與加工的工藝過程，給出了核心的監控方案。利用光電開關等傳感器實現信號采集，并利用輸送電機、電磁閥等實現送料及加工過程的控制。采用了RFID識別供料信息;利用TIA博途軟件進行軟件設計及組態界面。采用以太網實現CPU與觸摸屏通信，并利用WINCC設計了監控畫面。最后對程序模擬調試及監控運行畫面調試，驗證了設計程序的可靠性，實現了自動化生產線的氣缸推料、氣爪搬運、高度檢測、鉆孔加工的過程。
關鍵詞：自動化生產線;PLC;S71200;TIA
小型工藝生產線主要采用西門子1200系列產品作為軟件，結合機械手、傳送帶、傳感器、氣缸等硬件，形成一條完整的生產線系統，同時本系統采用軟件自動控制，更加方便快捷1]。本系統主要采用PLC控制，SFC語言進行編程處理，采用傳感器進行檢測，機械手控制，傳送帶輸送物料，同時完成WINCC監控界面設計，PC機與PLC之間通信;該生產線由PLC控制，實現全自動生產線的目標，監控系統實時監控生產線運行狀況，以確保系統的安全性與可靠性4]。
1系統方案設計
1.1工藝過程分析本設計系統分為部分(供料單元和加工單元)，工藝如圖所示。工藝過程主要包括進料、推料、抓取、檢測、加工及棄料等環節。每個特定工位均設置相應的傳感器或者限位開關，識別物料的狀態及位置，來驅動電磁閥和氣缸動作。
系統運行時，當檢測到有物料時，傳送帶將原料運送到色標傳感器處，并記錄物料顏色，根據之前記錄的顏色信息，氣爪將物料放置到不同的料倉中;通過觸摸屏上的下單按鍵選擇需要加工的配料類型，氣缸會推出相應顏色的物料，然后電機帶動傳送帶，使物料向前移動;同時擺渡氣爪抓取物料，完成物料到圓盤傳送，并由RFID讀取芯片數據信息，氣爪返回平臺位置。
物料放入轉盤后，圓盤轉動到檢測模組位置，對物料高度進行測試，如果物料檢測合格，圓盤順時針移動一定角度到加工模組位置，定位氣缸伸出將物料固定，由升降電機A和鉆孔電機B啟動，完成對物料進行加工;如果不合格，進入清除廢料工序;如果下一站沒有物料堆積，則推料氣缸上側氣缸推出，將物料推到傳送帶上，RFID將物料測量結果寫入芯片，之后下方傳送帶開始工作，物料到推料氣缸處停止，推料氣缸下側氣缸推出，將物料推入下一站，完成后推料氣缸回到初始位置[5-6]。
1.2系統構成
本設計主要由WINCC監控畫面來模擬代替下位機完成工件自動加工過程的控制，采用自定義運動變量來模擬演示自動化供料、加工的過程，使用開關量代替控制推料、取料、檢測、加工、分揀中各執行器件的相關動作。本設計中采用西門子的S7-1214CPLC作為控制器，實現小型加工生產線的供料與加工工序自動測控，實現上位機組態監控界面設計，自動化生產線系統可以分成以下幾個層次：控制層、通信層、執行層、監控層[7]。PC機采用博圖軟件進行系統組態，利用監控畫面監測生產線運行狀態;控制器采用西門子S7-1214CDC/DC/DCPLC，被控對象為小型生產線，由供料單元和加工單元組成。
2硬件設計
2.1CPU選型
該生產線控制器采用西門子S7-1200系列，該控制器硬件組成具有高度靈活性，CPU模塊將微處理器、電源、數字量輸入輸出電路、模擬量輸入輸出電路、以太網接口、高速運動控制功能組合到一個緊湊的外殼中，系統擴展十分方便。
2.2擴展模塊選型根據需求，數字量輸入采用SM12216ES7221-1BH32-0XB0，有8點和16點數字量輸入。輸出模塊采用SM12226ES7222-1BH32-0XB0，具有16點數字量輸出。本系統中需要用到RFID射頻識別系統，故需要進行通訊模塊擴展。采用RF120C通訊模塊(6GT2002-0LA00)實現與西門子工業識別系統的通訊。S7-1200CPU1214C通過RF120C通信模塊，連接RF260R(6GT2821-6AC10)讀寫頭，在TIAPortalV14軟件環境下，使用SIMATICIdent指令塊對數據載體進行讀寫操作。由于PLC需要24V電源供電，采用PM1207電源模塊把220V轉換成PLC可接受的24V電源。
2.3觸摸屏選型本設計中，生產線自動監控過程需要實時顯示，采用觸摸屏實現監控界面的顯示，適用于不太復雜的可視化應用，集成接口支持以太網通信方式，因此選用西門子KTP700basic觸摸屏。
2.4RFID選型
(1)閱讀器選型閱讀器通過集成的天線從發送應答器讀取信息，然后發送到SIMATICS7控制器。根據存儲的發送應答器信息，SIMATICS7控制器執行不同的控制任務。本設計選用閱讀器型號為SIMATICRF685R。(2)發送應答器選型發送應答器貼到工件夾具上。標簽的空間方向始終相同。按此部署，每次只需檢測1個發送應答器(單標簽)。本方案中的發送應答器是SIMATICRF640T類型的發送應答器。
3軟件結構設計
3.1主程序設計
小型生產線監控系統主要實現物料的供料、檢測和加工的運行，為實現這一控制目標，將整個控制程序模塊化。主要模塊包括供料單元、機器手傳送物料、檢測物料高度、加工物料、推料、料倉無料報警。
3.2加工單元流程設計物料在加工站工作時首先判斷檢測模組上是否有物料堆積，無物料堆積時，物料被放入檢測工位，進行物料高度檢測，并判斷物料高度是否合格;如果不合格進入棄料工序;如物料高度合格，物料到下一工位進行鉆孔加工。加工完成后推到成品料倉[8]。
3.3供料單元流程設計根據要求設計氣爪搬運物料的流程如圖6所示，首先使每個氣缸歸回初始位置，然后當傳送帶末端光電傳感器檢測到有物料時，氣爪開始工作，氣爪夾緊物料后氣爪x軸方向氣缸啟動，然后y軸氣缸啟動使氣爪到達檢測工位上方，之后x軸氣缸啟動放下氣爪，到達工位后氣爪松開，完成工序后氣爪回到初始化狀態[9]。
3.4設備組態本設計核心選擇CPU1214CDC/DC/DC，訂貨號是6ES7214-1AG40-0XB0，對PLC進行設備組態，添加1個擴展通信模塊RC120C、4個16DI的輸入擴展模塊SM1221和2個16DO輸出擴展模塊SM1222，將它們組態到1個導軌上;添加HMI觸摸屏，選擇添加觸摸屏型號，本設計采用SIMATIIC精簡系列面板中7寸顯示屏KTP700Basic，訂貨號是6AV2123-2GB03-0AX0。
4模擬調試過程
4.1畫面布局
畫面設計部分包括總貌畫面、供料和推料畫面、檢測和加工畫面、抓取畫面。畫面上顯示該生產線所實現的功能以及具體實現過程。其中總貌畫面包括供料站運行狀態、機械手運行狀態、加工站的運行狀態、檢測站的工作狀態和系統的報警情況，控制部分包括自動運行按鈕和急停按鈕。
4.2仿真調試
準備就緒后，開始觸摸屏仿真調試。首先在總貌畫面中按下自動運行按鈕，供料站運行狀態指示燈、機械手運行狀態指示燈、加工站運行狀態指示燈和檢測站工作狀態指示燈亮綠燈，系統沒有故障報警燈不亮燈，傳送帶電機開關按下電機開始工作，系統啟動生產線自動有序地運行。
在供料和氣爪搬運畫面中對供料和搬運功能進行仿真調試，檢測下殼上料點有料時，且物料傳送到顏色檢測位時，會選擇顯示顏色信息，物料繼續傳送，至傳送帶末端抓取點時，提升機氣爪運行向下抓取物料，進行一系列運送動作送至前后料倉中，當供料站前后側料倉物料不充足的時候，報警燈亮紅燈。
自動化論文范例：變電站電氣自動化與電力安全運行解析
5結論
本系統設計針對小型自動化生產線供料及加工站對象，參考工業自動化對該系統進行分析設計，并使用TIA完成該生產線程序、畫面的設計，使用HMI人機交換設備完成對該生產線控制系統的監控設計。實時監控生產線運行狀況，及時修正問題，確保該生產線正常運行，提高生產線的安全性、可靠性、時效性。
參考文獻：
[1]劉喜慶,李衛庭.PLC技術在自動化生產線中的應用[J].信息系統工程,2021(1):84-85.
[2]李倩.PLC控制系統在小型棒材生產線上的應用[J].自動化應用,2015(7):71-72.
[3]于洋,劉桓龍,王國志,等.基于PLC的小型模擬自動生產線[J].機械,2007(3):12-14.
[4]張琳吝.PLC控制下的工業自動化生產線設計[J].電子世界,2021(5):184-185.
[5]陳力.搬運機械手PLC控制系統的研究[J].天津職業院校聯合學報,2020,22(12):103-108,128.
[6]梁進.基于PLC的模塊化自動生產線設計分析[J].電子技術與軟件工程,2020(20):109-110.
作者：王衍皓，楊匯軍，陳翔麟
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