基于PROFINET的柔性机电一体化工学一体生产线系统设计

基于PROFINET的柔性机电一体化工学一体生产线系统设计

李晓格

淄博市技师学院  255000

摘要：随着科技的飞速发展，市场对于工业产品的需求量增加、质量和功能要求提高。传统的自动化生产技术已经无法紧跟产品的发展和市场需求了。在这种背景下，柔性自动化生产线以其柔性可变、创新多样、降低成本等优点，为工业自动化智能制造提供了发展方向。而柔性自动化生产线需要大量技能型人才。目前高职院校的教学实训资源有限，不能实现学生在校培养与企业岗位就业做到完美对接，所以研究设计一套既能对接企业岗位需求，同时适合学生学习操作的柔性自动化实训生产线尤为重要。

本文研究分析了柔性自动化生产线系统的现状及发展趋势，对控制系统相关理论及关键技术进行深入研究，制定系统总体设计方案，并完成系统设计。设计建立一条完整柔性自动化实训生产线系统的过程，系统中各模块单元可以根据需求单独运行，也可采用 PROFINET 技术，由工控机统一数据控制，组成一个完整的柔性自动化实训生产线系统。系统根据不同教学任务和目标进行设计和组合，能够满足实践教学的需要，体现自动化专业的核心能力，对技能型人才的培养发挥重要作用，对高职类电气专业的教学与实践具有实际指导意义和应用价值。

关键词：柔性自动化；实训生产线；PLC；PROFINET

随着人们将自动化生产技术的发展重点转移到中、小批量生产领域，结合自动化生产线和NC机床的特点，将NC机床和物料传送设备通过计算机联系起来所形成的系统，就是所谓的柔性制造系统(FMS，Flexible Manufacturing System)，可以圆满地解决机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾，采用计算机集成统一数据控制系统，实现高效的的物料分类、搬运仓储、数控加工。可以根据新产品需求快速响应，适应目标并做出调整，生产加工多批量多类型的工艺产品，具有柔性可变、创新多样、高效稳定的特点。保证产品质量的同时减少人工付出，缩短产品产出周期，降低产品成本。为实现工业制造加工自动化带来了契机，为工业自动化智能制造提供了发展方向，已经成为制造业主流的生产模式。

柔性制造系统涉及微电子学、计算机、机械设计和系统工程等技术，它是一条完整的、技术复杂、高度自动化的生产制造系统。运营柔性制造生产线需要大量技能型人才，需要大力弘扬工匠精神，通过技能型人才来发展我国的实体经济。作为培育“工匠”的摇篮，职业教育发展前景广阔。作为智能制造业的后备力量，在校学生如果能够更好的掌握柔性制造技术，将会对柔性制造技术的发展起到极大的推动作用。如能将传统的自动化技术教学模式搬到实验室中，采用柔性自动化实训生产线作为教学设备，让学生在实验中能够独立完成柔性自动化生产线的设计，能够实现多门专业课程和实训课程的实践，将教学理论与实践相结合，让学生“学中做，做中学”，激发学生学习积极性，将技能操作与理论知识有机地融合在一起，培养学生创新能力、实践能力、研究能力，从而为社会和企业培养出现代化技能型人才。而目前一些高职院校的教学实训资源有限，实际操作的设备功能单一、数量有限，不能满足实际教学的需要。一些院校通过专业教仪厂商采购的实训设备组成复杂，造价成本高昂。自动化生产线往往是用来训练学生参加相关技能大赛的。为了维护设备，一般日常和实训教学，只会让学生观察演示整体设备的动作运行，不会让参与具体的安装调试和动作设计。

针对这个问题，本文设计一条由供料、分拣、搬运、加工、装配、仓储模块单元组成的柔性自动化实训生产线，融合了可编程控制、机械设计、气路设计、变频调速和传感器技术等，阐述了建立一条完整的柔性自动化实训生产线的全过程。系统可以根据不同教学任务和目标进行设计和柔性组合，能够满足不同实践教学和实训需求。学生通过理论学习，参与到实训教学中，从单元到系统，由点到面，由浅入深，层层展开。

提高了企业岗位需要的综合能力，体现了自动化专业的核心能力。此柔性自动化实训生产线系统对技能型人才的培养发挥着重要作用，对高职类电气专业的教学与实践具有实际指导意义和应用价值。

1. 设计的总体目标和要求

根据柔性自动化实训生产线国内外的现状及发展趋势，本文设计的柔性自动化实训生产线要能够广泛应用到高校日常教学和实训当中，系统要涵盖工业网络通讯技术、PLC 控制技术、气动技术、传感器检测技术、直流电机驱动技术、步进电机驱动技术、伺服电机驱动技术、触摸屏应用技术、变频调速技术、系统故障检测技术、机械结构与系统安装调试技术、运动控制技术、数字温度显示技术等，同时还能进行团队精神、组织能力的培养等训练。

系统要满足涉及的《PLC 原理及应用》、《工业网络技术》、《机电一体化系统设计与应用》、《气动技术》、《传感器检测技术》、《变频调速技术》等课程的教学要求。同时也能够根据企业现场的生产要求，清晰的体现出来生产线中典型的供料、搬运、分拣、仓储等环节。系统的电气和机械设备结构要最大程度上贴合工厂普遍的设计要求。

一体化教学中涵盖对柔性自动化生产线的设计组装、编程调试、排故检修等实践目标技能训练要求。总体系统的设计理念既要符合实际工业现场的标准，又要满足工学一体化教学要求。最终实现了教学实训与企业实习的无缝对接。本柔性自动化实训生产线不仅可以作为大中专院校自动化、机电一体化专业教学、培训、竞赛的装置，还可作为教师通用技术的研发平台。让学生可以掌握 PLC 基本指令、高级指令编程训练、步进电机驱动训练、直流电机驱动训练、伺服电机驱动训练、触摸屏控制训练、变频调速训练、工业以太网组网训练，以及供料环节、仓储环节、加工环节、装配环节、搬运环节、分拣环节等各流程的程序设计训练，培养学生具备一定的程序设计及应用能力。

在具体的设计过程中，为了让系统完整流畅的运行，对于系统的设计应具有以下要求：

1）安全保护

系统应该具有牢固的机械结构，保证安装时候的稳定性，各模块间的布局和衔接合理并且符合标准。设备运行时整个模块运转平稳没有偏移和晃动。系统还应该设有基本的电路漏电保护、短路保护、急停保护。在送电操作过程中可确保人身与设备的安全以达到系统的安全稳定运行。

2）先进可行

在系统的设计和研究过程当中，要充分使用目前现代工业控制中发展各种先进的设备。并且使用逻辑功能及运动控制功能强大的 PLC，主流先进的变频器以及伺服驱动装置，保证整个实训系统控制的可行性。

3）精准控制

保证各个单元模块能够达到预期的设计动作要求，实现自动化生产线中供料、分拣、搬运、加工、装配、仓储等环节的精准控制，比如气缸动作过程完整，电磁阀选用合理并信号准确，电机驱动安全并且能够根据调速要求实现电机速度的快速响应，传感器根据模块要求选用合理，识别精准避免出现重复识别或者漏测和缺失。各个单元模块之间能够协调运行流畅无卡顿，系统整体的输入信号采集和输出信号完整，整体网络通信流畅，数据采集交换稳定。

4）柔性灵活

系统应具有单独功能的模块单元，模块都可以单独组装。每个模块单元都有对应的培训内容。各个模块又能组成工作单元，通过工作单元再扩展成一个完整的柔性自动化生产线系统。系统中的各个模块单元能够独立出来完成单一动作流程。模块单元逐一递增组合形成简单到复杂的工艺流程，让学生由浅入深，层次分明的进行有梯度的训练。

从单元基础操作技能和知识点为起点，实现从知识点、技能点到复杂的生产线拓展训练。各模块单元能根据实际生产顺序规划出不同的教学内容。学生也可根据自身能力自由选择单一模块或多个模块组合学习。

5）交互推广

该柔性自动化实训生产线的设计目的是为了解决目前高校柔性自动化实训生产线设备简单、无法自主开发的现状。要满足大多数教学实训环境和设备需求，同时系统要具备工业现场的人机交互功能，实现人机界面控制，采集系统数据并进行实时监控。

2. 总体方案设计

一个完整的生产线应该由入料口进料，然后经过传输和加工，再将成品物料送出产线入库。为了模拟实现完整生产线的要求，设计供料单元控制生产线的物料供应，设计分拣单元对物料进行区分，设计搬运单元以实现对区分后物料的传输，设计简单的加工、装配单元以模拟真实的生产，并制作一个仓库以储存出库的物料。故将整个系统细分为供料单元、分拣单元、搬运单元、加工单元、装配单元、仓储单元 6 个模块，为了方便物料的传输和加工，将物料设计成规则的圆柱形。为了实现柔性制造，每一个模块都独立设计电源，对复杂的模块设置控制器单独控制，然后各个模块也可以由总控制器集中统一控制，共同组成一个完整的柔性自动化生产线系统。

对于无精准定位要求的往返循环运动，执行机构由气缸动作完成，通过电磁阀得电间接控制气路接通与否，控制气源由空气压缩机提供。分拣单元传送距离加大，采用皮带轮结构，由普通交流电机驱动，并通过变频器控制交流电机实现调速功能。搬运单元和加工单元模块精度要求稍高，采用步进电机驱动以实现精准定位，装配单元模块精度最高，装盘采用伺服电机驱动。在整个系统运行中，配合加入多种传感器，检测位置信号和识别区分物料，以实现系统的自动化流程。所以整个控制系统硬件包括控制器、气缸气路系统、交流变频系统、步进电机、伺服系统，涉及到了基本常见的自动化方案，可以很好的满足教学实训贴合企业岗位需要。

2.1 系统研究路线

为了本文设计柔性自动化实训生产线的需要，需要确定合理的设计研究路线，以对整体系统的工作流程以及核心技术问题有总体的了解，也便于后期实物设备搭建的有利开展和实施，让整个系统的完成更具有目的性和准确性。具体应满足机械设备动作合理、外形美观、结构牢固；气路流畅稳定、易于检修；电气设备要求高效的 PLC 控制功能，编程方便；系统通信组网高效合理，兼容性强；人机界面智能全面。

为满足以上设计要求，对系统要实现的功能进行单元模块化分解；然后对供料、分拣等 6 个单元模块进行机械结构设计，机械结构是设备的根本，也是控制系统控制的对象，机械结构包括机加件、螺丝等标准件以及成型的元器件，结构设计需按照功能需求，通过机加件和标准件将元器件合理使用上，以参数化建模的方式得到各个零件的尺寸和配合关系；有了机械结构后，将供料、分拣、搬运、仓储等模块按照逻辑顺序进行相关气路设计和控制程序设计，以实现设备的运作。最后以工业以太网 PROFINET 技术将各模块组态融合为一个完整系统，通过 HMI 触摸屏和 WINCC 组态软件实现良好的人机交互和仿真监控，完成系统的设计和研究。

根据系统实现的主要功能，将整个生产线划分为供料单元、分拣单元、搬运单元、加工单元、装配单元、仓储单元 6 个模块，然后采用三维建模软件对各个模块进行参数化建模。控制硬件选用三台 PLC，一台 S7-1500 PLC 作为主站，实现对其他两台 S7-1200的上级控制，作为控制器控制供料、分拣、装配、仓储单元，包含变频和伺服控制。一台 S7-1200 PLC 作为从站控制搬运单元，包含一台步进电机控制。一台 S7-1200 PLC 作为从站控制加工单元，包含两台步进电机控制。采用 TIA 软件平台编写控制程序。并选择基于 PROFINET 工业以太网通信的方式实现设备之间的通讯；最后通过 HMI 触摸屏和 WINCC 组态软件，实现人机交互和仿真监控。

将系统的设计研究路线确定之后，开始具体设计实施。设计一个完整的柔性自动化实训生产线需要各个环节的协调配合和无缝链接，能够将各个单元模块的功能和动作流程清晰完整的实现，最后由 HMI 触摸屏和实物按钮实现双重控制。整体生产线的硬件组成和模块搭建的稳定性和流畅度都要符合高效自动化生产线的要求，实现本系统供料、分拣、搬运、仓储、加工、装配等功能。

在确定研究路线后，逐步进行工作的开展。首先是平台的搭建，需要进行必须设备的选型，基础的控制器 PLC 种类和型号、触摸屏人机界面、运输线皮带驱动电机、实现不同功能的气缸和传感器等等。

通过硬件设备选型而精心设计出来的柔性自动化实训生产线平台，才能为后期动作协调流畅打下良好的基础，最终保证实训生产线的投入使用。

2.2 系统工作流程设计

本系统工作流程可以按照各单元模块单一运行和整体联调运行两大工作流程。本系统分为供料、分拣、搬运、仓储、加工、装配 6 个单元模块，以供料→分拣→搬运→加工→装配→仓储的先后顺序进行。有了清晰的逻辑运行关系，选取西门子新一代先进的逻辑编程优异的 S7-1500 和 S7-1200作为系统的控制元件，具体 S7-1500 控制供料、分拣、搬运、仓储四部分功能，两台 S7-1200 分别控制加工和装配。PLC 中为其去确定合理有效的输入和输出通道，最后通过TIA Portal 软件平台进行程序编写。

在各单元模块的流程确定中，一定要注意进行合理的动作流程。比如说系统上电后的状态，所有单元模块应该处于等待启动的信号状态，这种状态可以通过信号指示灯闪烁或者 HMI 触摸屏的画面指示为表现形式，以达到清晰的指示要求。当启动信号产生，系统开始正式运行，运行的指示灯的变化和 HMI 画面的变化一定要体现出来。供料单元的供料环节是否进行要进行判断，分为井式料仓有料或者无料的情况，当有料时供料气缸推料的动作要考虑到推料到位完整动作的时间余量。物料到达运输带上皮带开始转动，运输带的转动要稳定在一定的转速上，不能发生物料的晃动。供料单元进行下一供料循环时要保证上一物料的供料动作全部完成方可进行，不然会导致物料堆积和供料单元卡顿。分拣物料时对各个材质的物料分拣一定要选取合适的传感器，尤其是本系统中黄色和蓝色物料的颜色判断，由色标传感器进行识别和判断，要调节色标传感器的开关阈值以达到传感器接收信号的稳定性。当分拣蓝色空芯物料之后由搬运机械手放置加工单元，这其中搬运单元和加工单元的移动由步进电机控制，用 S7-1200 的强大的运动控制功能来实现精准定位。加工完成的物料由搬运单元机械手转至装配单元，装配单元的转盘的驱动由 V90 伺服驱动系统完成，动作流程中要注意转盘启动后首先要完成自检，寻找转盘的原点后方可运行，推料气缸配合压料气缸完成物料加芯。最后机械手将装配完成的物料放置仓储单元中，8 个工位按照次序依此物料存放入库。完成循环工作流程，分拣完成后一定要等待上一物料仓储入库完毕后才能进行下一轮的加工和装配，以保证系统运行流程流畅。

3. 系统的硬件设计

机械结构是设备的根本，也是控制系统控制的对象，根据要实现的功能，通过参数化建模的方式得到各个零件的尺寸和配合关系。首先通过 SolidWorks 三维建模软件对生产线整体进行建模[38]。综合单元模块的动作流程和市场典型的模块部件，分别对本系统的各个组成单元模块主体以及零部件进行硬件建模，直观展现实训生产线的整体和细节，根据所建模型进行系统平台的全面搭建。柔性自动化实训生产线以供料→分拣→搬运→加工→装配→仓储的顺序进行单元模块的合理布局。

4.网络通讯设计

采用通信速率高和集中控制能力优越的工业以太网 PROFINET 自动化总线标准，替代传统柔性自动化实训生产线的 CC-link、PROFIBUS-DP 等现场总线网络，方便访问调试和控制管理，满足系统中运动控制、实时通信等要求。实现搬运和加工功能，设备可以精准定位、稳定运行。

5.小结

确定了系统的总体功能目标，根据功能目标进行总体方案设计，制定了研究路线和总的系统流程图，为后续研究了指明了方向。研究本系统设计路线所涉及到的关键技术——PLC 控制技术、变频驱动技术、伺服驱动技术和 TIA Portal 软件平台。