摘 要： 教師要重視競賽選拔題，可視化自動生產(chǎn)線在設(shè)計(jì)、調(diào)試過程中要做到循序漸進(jìn)，使得學(xué)生更容易掌握典型自動生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、調(diào)試的一般過程，將條件復(fù)雜的競賽題靈活簡便典型化后應(yīng)用于教學(xué)中，使廣大學(xué)生在學(xué)習(xí)中得到提升，學(xué)會復(fù)雜問題可視化處理流程，助學(xué)生更快地成才。

關(guān)鍵詞：競賽；教學(xué)；自動生產(chǎn)線；人才培養(yǎng)

一、前言

2012年穗港澳青年技能競賽機(jī)電一體化項(xiàng)目廣州選拔賽，采用自動生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)裝備是一臺由供料、搬運(yùn)、分揀等工作單元構(gòu)成一個典型的自動生產(chǎn)線的實(shí)訓(xùn)平臺，系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)采用了電動、氣動、變頻器驅(qū)動等技術(shù)。競賽中，選手因各種原因，在調(diào)試過程中經(jīng)常出現(xiàn)中斷，甚至有的選手程序設(shè)計(jì)不合理，造成多個動作同時執(zhí)行，使得設(shè)備在運(yùn)行過程中出現(xiàn)碰撞的危險。程序中斷后需要手動操作機(jī)械機(jī)構(gòu)才能復(fù)位，既消耗了選手寶貴的比賽時間，又在一定程度上加大了設(shè)備的損耗。

本設(shè)計(jì)基于以上因素，模擬競賽過程，使學(xué)生在課堂得到一個非常接近于實(shí)際的競賽設(shè)備環(huán)境，通過教學(xué)設(shè)計(jì)使廣大學(xué)生體會設(shè)計(jì)流程，從而縮短了競賽、理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用之間的距離。

可視化設(shè)計(jì)教學(xué)從自動生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、調(diào)試過程選取典型的循序漸進(jìn)，從手動、單步、單周期逐步進(jìn)行調(diào)試，設(shè)置的典型的生產(chǎn)流程，再由學(xué)生采用容易掌握指令設(shè)計(jì)自動生產(chǎn)線在設(shè)計(jì)、調(diào)試的一般過程，采用對比方式教學(xué)，逐漸增加控制的實(shí)用性，例如急停功能，最后達(dá)到競賽選拔題設(shè)置的難度及控制要求，活學(xué)活用并學(xué)以致用。

二、可視化設(shè)置教學(xué)設(shè)計(jì)中自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)基本要求及典型解決例程

1. 系統(tǒng)基本控制要求

系統(tǒng)啟動前需進(jìn)行復(fù)位，滿足原點(diǎn)后按下啟動按鈕，系統(tǒng)開始運(yùn)行，送料電機(jī)驅(qū)動放料盤旋轉(zhuǎn)，物料充足的情況下，工件由送料槽滑到物料提升臺，物料檢測光電傳感器檢測到物料滑到提升臺上時，轉(zhuǎn)盤停止轉(zhuǎn)動。提升臺上升，機(jī)械手手臂伸出下降，氣指夾緊抓物，然后提升回縮，手臂向右旋轉(zhuǎn)到右限位，手臂伸出下降，氣指放松將物料放到傳送帶上，機(jī)械手返回原位。傳送帶輸送物料，傳感器則根據(jù)物料性質(zhì)和顏色（金屬和非金屬白色、非金屬藍(lán)色），控制相應(yīng)的氣缸動作，將工件推下相應(yīng)料槽，對物料進(jìn)行分揀。提升臺下降，完成一次流程。

2. 提出可視化改進(jìn)設(shè)置要求及典型解決例程

除按照上述流程實(shí)現(xiàn)自動循環(huán)運(yùn)行外，系統(tǒng)增加手動控制、一次運(yùn)行和單步運(yùn)行三種運(yùn)行模式，以及缺料報警，遇到緊急情況下急停、運(yùn)行狀態(tài)指示等功能。通過增加控制的模式，使學(xué)生在編程、調(diào)試過程中能更接近實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)備的調(diào)試過程，加深對PLC控制系統(tǒng)的認(rèn)識。

（1）設(shè)置基本模式運(yùn)行要求。

手動：每個執(zhí)行器有一個按鈕控制，按相應(yīng)的按鈕通斷控制這個執(zhí)行器就開始動作。

回原點(diǎn)：啟動回原點(diǎn)程序后，所有執(zhí)行器按照順序收縮，最終回到起始位置。

單步：按一下啟動按鈕就啟動一個執(zhí)行器，動作完畢就停止，不再激活下一個執(zhí)行器，除非再按一次按鈕，總之每按一次按鈕就動作一個執(zhí)行器，并且是按照正常工作的順序一個一個順序啟動。只是動作完成一個則需要再按一次啟動按鈕才能執(zhí)行下一個動作。

單周期：啟動程序后順序執(zhí)行每個動作，動作完最后一個后停止，不再循環(huán)。

連續(xù)：啟動后按順序一個個動作執(zhí)行，執(zhí)行完最后一個動作后再返回第一個再……直到按停止按鈕。

（2）提出改進(jìn)后的模式運(yùn)行要求。

①手動控制。每一個動作由觸摸屏上的按鈕控制，所有手動按鈕設(shè)置在一個頁面上。

②原點(diǎn)條件。供料單元：放料盤處于非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，提升氣缸處于下限位置，沒有缺料報警；機(jī)械手搬運(yùn)單元：橫臂靠近供料單元，豎臂處于上限位置，氣抓放松；分揀單元：推桿一、推桿二、推桿三均處于縮回位置，傳輸帶停止運(yùn)行；指示燈：不符合原點(diǎn)條件，黃燈熄滅，符合原點(diǎn)條件，黃燈長亮。

③缺料報警。如物料不足，送料電機(jī)驅(qū)動放料盤旋轉(zhuǎn)5秒內(nèi)仍然無法補(bǔ)充工件到物料提升臺，系統(tǒng)自動停機(jī)，加料后重新啟動需通過復(fù)位解除缺料報警。指示燈：缺料報警期間黃燈閃亮（0.5秒亮，0.5秒滅），解除缺料報警后黃燈閃亮消失。

④復(fù)位。如果系統(tǒng)不符合原件條件，可通過手動控制各個動作復(fù)位，也可自動復(fù)位。自動復(fù)位：按下復(fù)位按鈕（黃色），系統(tǒng)將按照原點(diǎn)條件的要求進(jìn)行有序復(fù)位，解除缺料報警。指示燈：復(fù)位完成后，黃燈長亮。

⑤停止。1）正常停機(jī)：正常停機(jī)時，按下停止（紅色）按鈕，系統(tǒng)完成本次程序后停止。指示燈：系統(tǒng)在正常停機(jī)（不包括急停）狀態(tài)下，紅燈長亮。2）緊急停機(jī)：按下急停按鈕，系統(tǒng)緊急停機(jī)，所有動作停止，保持當(dāng)時的狀態(tài)，如繼續(xù)運(yùn)行，松開急停按鈕，系統(tǒng)接著急停前的狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。指示燈：急停鎖定時，紅、綠燈交替閃爍（0.5秒紅燈亮綠燈滅，0.5秒紅燈滅綠燈亮）解除急停后，紅綠燈交替閃爍消失。

⑥運(yùn)行模式。系統(tǒng)要求有手動操作、自動循環(huán)運(yùn)行、一次運(yùn)行和單步運(yùn)行四種模式。

⑦整體控制要求。1）在滿足原點(diǎn)條件下，按啟動按鈕，系統(tǒng)開始工作。如不滿足原點(diǎn)條件，需按下復(fù)位按鈕，讓系統(tǒng)滿足原點(diǎn)條件后才能啟動。指示燈：正常工作過程中綠燈長亮，黃燈、紅燈熄滅。2）送料電機(jī)驅(qū)動放料盤旋轉(zhuǎn)，補(bǔ)充工件到物料提升臺。工件滑到提升臺后，轉(zhuǎn)盤停止轉(zhuǎn)動；1秒鐘后物料提升臺上升。如物料不足，無法在5秒內(nèi)補(bǔ)充工件到物料提升臺，系統(tǒng)自動停機(jī)，并發(fā)出缺料報警信號。3）機(jī)械手手臂伸出，伸出到位后手臂下降。4）氣指夾緊，抓住工件，1秒鐘后機(jī)械手臂上升，上升到位后向右旋轉(zhuǎn)到右限位。5）機(jī)械手手臂向前伸出，手爪下降，氣指放松，工件下落至傳輸帶上。6）機(jī)械手手爪上升，手臂向后縮回，左旋轉(zhuǎn)到左限位。7）傳輸帶落料檢測光電傳感器檢測到工件在傳輸帶上，傳輸帶電機(jī)以高速正轉(zhuǎn)。當(dāng)電感式傳感器檢測到金屬工件，傳送帶停止運(yùn)行，1#推料氣缸伸出，把工件推入第一條槽內(nèi)；當(dāng)顏色檢測傳感器檢測到白色工件，傳送帶停止運(yùn)行，2#推料氣缸伸出，把工件推入第二條槽內(nèi)；當(dāng)電容傳感器檢測到藍(lán)色工件，傳送帶停止運(yùn)行，3#推料氣缸伸出，把工件推入第三條槽內(nèi)。8）推料氣缸伸出1秒后回縮，回縮到位后物料提升臺下降到下限位，完成本周期工作。

3. 可視化自動生產(chǎn)線控制設(shè)計(jì)教學(xué)典型環(huán)節(jié)

（1）手動模式。選擇開關(guān)撥到手動方式這一擋時（或通過觸摸屏按鈕進(jìn)入手動控制界面），狀態(tài)繼電器S5為ON，由圖1可知，按下提升臺升/降按鈕，M31閉合，指令使Y10接通，Y10輸出信號使電磁閥線圈得電，提升臺升高。同樣，可完成機(jī)械手前伸、后縮、夾緊、松開、上升、下降、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)、傳送帶啟停、推料桿伸/縮等動作。

（2）原點(diǎn)條件。如圖2所示，

如果系統(tǒng)滿足原點(diǎn)條件，使得原

點(diǎn)標(biāo)志位M1得電，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，等待單步、單周期、自動循環(huán)等進(jìn)一步的操作。如不能滿足原點(diǎn)條件，M1不能得電，需要運(yùn)行回原點(diǎn)程序。這樣，能有效地防止程序在設(shè)備沒有回到原點(diǎn)的情況下運(yùn)行而造成程序運(yùn)行混亂。

圖2 原點(diǎn)條件

圖3 流程初始狀態(tài)

（3）回原點(diǎn)。流程初始狀態(tài)如圖3，當(dāng)撥到回原點(diǎn)方式時（PLC輸入端為X0，觸摸屏輸入端為M21），因狀態(tài)繼電器S1為ON，執(zhí)行到復(fù)位程序段（見圖4）。先復(fù)位Y007至Y022，所有電動設(shè)備停止，單作用氣缸復(fù)位，但雙作用氣缸還需進(jìn)一步處理，根據(jù)條件判斷機(jī)械手的位置， 不在原點(diǎn)位置的按序復(fù)位，完成回原點(diǎn)動作后，M1得電。

（4）單步。如圖5，當(dāng)撥到單步這一擋時（PLC輸入是X005，觸摸屏M22），使M8040接通，禁止所有狀態(tài)轉(zhuǎn)移。但是，每次按下啟動按鈕時，M8040失電，可以使?fàn)顟B(tài)按順序轉(zhuǎn)移一步，即按狀態(tài)流程圖完成一步動作。

（5）單周期。如圖6，當(dāng)撥到單周期這一擋時（PLC輸入是X004，觸摸屏M23），系統(tǒng)完成一個循環(huán)工作后，因轉(zhuǎn)移條件即停止工作，相當(dāng)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中按下停止按鈕，自鎖斷開，M0失電，不能循環(huán)，只能完成單周期運(yùn)行。

（6）急停功能。為了使急停發(fā)生后，系統(tǒng)停止工作而狀態(tài)保持，以便急停復(fù)位后能從急停前的斷點(diǎn)開始繼續(xù)運(yùn)行，可以用二種方法，一是用條件跳轉(zhuǎn)（CJ）指令實(shí)現(xiàn)，另一方法是用主控指令實(shí)現(xiàn)。這里暫且只討論用跳轉(zhuǎn)（CJ）指令實(shí)現(xiàn)的方法。

用條件跳轉(zhuǎn)指令實(shí)現(xiàn)急停信號的處理的程序示意圖如圖7所示。圖中，當(dāng)急停按鈕按下時，X003 OFF，跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行條件滿足，程序跳轉(zhuǎn)到指令所指定的指針標(biāo)號P0開始執(zhí)行。安排在跳轉(zhuǎn)指令后面的步進(jìn)順控程序段被跳轉(zhuǎn)而不再執(zhí)行。

圖7 用條件轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)急停處理的程序示意

由于執(zhí)行CJ指令后，被跳轉(zhuǎn)部分程序?qū)⒉槐粧呙?，這意味著，跳轉(zhuǎn)前的輸出狀態(tài)（執(zhí)行結(jié)果）將被保留，步進(jìn)順控程序段的狀態(tài)將被保持，直到急停按鈕復(fù)位后又繼續(xù)工作。但須注意的是，如果急停恰好發(fā)生在Y7得電（供料轉(zhuǎn)盤電機(jī)轉(zhuǎn)動），則需要在此設(shè)置使得Y7復(fù)位（供料轉(zhuǎn)盤電機(jī)停止轉(zhuǎn)動），解除急停后，Y7將保持原來的狀態(tài)。同理傳送帶（Y0和Y1）也需要同樣的設(shè)置。程序跳轉(zhuǎn)后，因此需要在FEND指令與END指令之間加上第281-292步的程序段。

急停按鈕未按下時，X003 ON，程序按順序執(zhí)行，直到主程序結(jié)束指令FEND為止。

三、系統(tǒng)調(diào)試

完成梯形圖編寫后，在單步調(diào)試完成后進(jìn)行單周期測試，通過單步調(diào)試的設(shè)備在單周期和自動循環(huán)模式，最后在自動循環(huán)模式下運(yùn)行，測試系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過逐步調(diào)試，能有效減少設(shè)備的損耗，同時提高設(shè)備調(diào)試的效率。

四、結(jié)束語

在本文中主要完成了以下幾個方面可視化設(shè)計(jì)教學(xué)的典型控制：

1. 初步構(gòu)建自動加工系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，研究系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

自動加工系統(tǒng)的回原點(diǎn)、單步、單周期、自動循環(huán)運(yùn)行等幾種常見運(yùn)行模式。

2. 采用組態(tài)軟件和MELSOFT系列GX Developer軟件，完成上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)、下位機(jī)梯形圖編程等任務(wù)

通過競賽選拔題在教學(xué)中的再現(xiàn)，能更加貼近企業(yè)生產(chǎn)中的真實(shí)工作環(huán)境，使學(xué)生可以在這種環(huán)境中更好地完成各項(xiàng)任務(wù)，縮小競賽、教學(xué)實(shí)訓(xùn)與企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的差距，力求學(xué)生畢業(yè)后到企業(yè)能夠最快地適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境，高質(zhì)量完成工作任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周萬珍，高洪斌.PLC分析與設(shè)計(jì)運(yùn)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]吳作明.工程組態(tài)軟件PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]王仁祥，王小曼.現(xiàn)代可編程序控制器通訊網(wǎng)絡(luò)[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4]何學(xué)文，卜英勇.KingView 組態(tài)軟件與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集儀的通訊[J].測控自動化，2004（6）.