硬體系統包括什麼5個組成部分

第3章 控制系統硬體設計

對生產線的控制系統設計，需要對生產線的控制要求、工藝流程以及工作環境有充分的瞭解，在此基礎上才能提出科學合理的設計方案。對於生產線硬體系統的設計首先要從瞭解系統規模入手，從而選擇合理的核心控制裝置，接著圍繞控制核心裝置設計控制系統硬體組成結構，根據功能需求選擇不同的通訊方式，從而搭建系統通訊網路。

首先從分析生產線的工藝流程切入，為簡化對控制系統設計，以模組化方法將生產線進行劃分。本文的油桶翻新生產線根據工藝流程可以分為四個主要組成模組：油桶加溫模組、油桶噴砂模組、油桶整形模組和油桶拋光模組。下面首先進行模組的分析，瞭解工藝流程；然後針對各模組流程設計各模組的程式的邏輯流程；接著以加溫模組和噴砂模組為本篇論文的設計例項，進行輸入輸出點分配並給出控制櫃的設計方案。

3。1 功能模組分析

油桶翻新生產線按照工藝劃分四個主要模組，流程順序從加溫模組為起點，依次完成油桶加溫、噴砂、整形、拋光等工藝。油桶翻新生產線基本組成如圖3-1所示。除了四個主要模組之外，還有中間連線生產線的輸送機構，包括轉桶架一、轉桶架二、轉桶架三和噴砂機機械手。本章以加溫模組和噴砂模組為分析重點，噴砂工藝也是油桶翻新的重要工藝之一，生產線中包含五臺噴砂機，分別對油桶不同位置進行除鏽，其中第一噴砂機與第二噴砂機分別是對桶底內外進行除鏽，第三到第五噴砂機是對桶壁不同位置定位除鏽。

圖 3-1 油桶翻新生產線基本組成

3。1。1 油桶加溫模組

油桶加溫模組是生產線的起始部分，要實現的功能是上桶和對油桶的加熱，主要由上桶架、油桶傳送機構，油桶旋轉機構、油桶加溫器等組成。生產線採用人工分揀供桶的方式為生產線提供加工材料，由人工將分揀好的油桶放在託板上，由上桶氣缸完成油桶的傳遞，上桶氣缸收縮到下極限位置，由感測器感應訊號，等待人工裝桶；氣缸伸出到上極限位置，託板翻轉，將油桶翻到滑道。下一步，油桶由滑道進入油桶加溫區域，在加溫區域噴火器由PLC控制點火裝置噴出火焰，電機帶動轉桶輥子使油桶旋轉保證均勻油桶受熱，加熱30s後點火器滅火，電機繼續轉動配合翻桶氣缸控制連桿機構將油桶送出，翻桶氣缸伸出上限與收縮下限由兩個接近開關接收訊號，作為PLC控制輸入訊號。因此控制內容為兩臺電動機、兩個氣缸和兩個點火器，感測器訊號作為控制訊號輸入點。加溫模組機械機構如圖3-2所示。

圖 3-2 加溫模組機械機構

3。1。2 油桶噴砂模組

噴砂模組結構較為複雜，選擇作為本文的重點部分，因此選擇了應用模擬軟體Solidworks對該部分進行建模分析。對噴砂工序流程順序以及機構所實現動作進行分析，噴砂機要依次完成七步工序，共十四個動作。第一步由氣缸控制翻桶架來完成上桶。第二步油桶輸送到噴砂室，噴砂室倉門氣缸動作，使倉門關閉。第三步噴砂室揚起氣缸，使噴砂室揚起指定角度。第四步噴砂打磨，提砂電機、轉桶電機、噴砂電機同時啟動完成提砂、轉桶、噴砂三個動作，在封閉的噴砂室內，提砂電機需將鐵砂提供給噴砂機構，對旋轉的油桶進行噴砂打磨，砂閥氣缸動作，開啟提砂機構與噴砂機構間通道，噴砂電機把鐵砂噴向油桶內壁，對油桶進行噴砂打磨；打磨60秒後砂閥氣缸動作，關閉流砂口；間隔3秒後提砂電機、轉桶電機、噴砂電機停止提砂、轉桶、噴砂動作。第五步噴砂室揚起氣缸動作，噴砂室回位。第六步，噴砂室倉門氣缸動作，開啟倉門。第七步下桶，翻桶架氣缸動作，將打磨好的油桶送出。噴砂模組機械機構如圖3-3所示。

圖 3-3 噴砂模組機械機構

3。1。3 油桶整形模組

整形模組是整條生產線重要的工藝流程之一。整形機主要由託桶小車、整形機構兩大部分組成。託桶小車由進出桶託板、升降桶託板作為控制內容，由進出桶油缸、升降桶油缸作為動作的執行機構組成，對小車的控制需要六個感測器作為訊號輸入點，其中包括上下桶油缸的伸出、收縮的極限位置兩個，進出桶油缸的伸出、收縮的極限位置兩個，還有升降桶託板的的油桶有無檢測兩個，保證油桶位置端正。整形機構由整形輥子、轉動輥子作為控制內容，由整形油缸、電動機作為執行機構組成。對整形機構的控制需要兩個訊號採集點，分別是整形油缸的上極限位置和下極限位置，油缸伸出，整形輥子上提停止整形；油缸縮回，整形輥子下壓整形。整形過程中，電動機需9次啟動停止，每次對油桶整形三分之一，然後停止電動機並調整油桶位置，對油桶桶身進行三週的滾壓整形，保證油桶整形質量。整形模組機械機構如圖3-4所示。

圖 3-4 整形模組機械機構

3。1。4 油桶拋光模組

十工位轉檯的功能是實現油桶的桶底內壁、桶體的內外壁進行剖光、油桶清洗、油桶擦乾以及油桶輸出等，本文設計的油桶翻新生產線是人工方式將加工完畢的桶進行碼垛處理的。十工位轉檯的進桶工位透過進桶小車將整形完畢的油桶輸送到轉檯，然後轉檯的機械手爪對油桶進行抓取，待等小車退出後，轉檯開始轉動工作，讓手爪抓緊油桶從進桶工位移動到桶壁拋光工位，即第一工位，當油桶軸線轉動到與工位的桶刷軸軸線同軸時，轉檯需要及時停止轉動，這裡需要注意的是由於轉檯轉動慣量很大，需要設定一個感測器讓轉檯主軸電動機提前停止工作。當油桶軸線與桶刷軸軸線同軸的時候，手爪夾著油桶開始轉動，1s後第一工位拋光桶刷開始工作。

第一到第九工位主要的組成結構基本相同，都是電動機控制工位進給和退出，由電動機控制桶刷轉動對桶壁進行拋光，在進給和退出都有極限位置感應開關作為電動機動作的輸入訊號。第一到第四工位為桶壁拋光工位，第五到第七工位為桶底拋光工位，第八工位為清洗工位，需要控制水泵對油桶進行噴洗；第九工位為擦乾工位，不同於其他工位的重點之處是第九工位也作為出桶工位對拋光完成的油桶輸出，需要增加對承接油桶的承接油缸、輸出油桶的下桶小車和推出油桶的下桶油缸的控制。十工位轉檯的控制系統是本文中的難點之一。油桶拋光模組主要機械機構為十工位轉檯機械機構，如圖3-5所示。

圖 3-5 十工位轉檯機械機構

3。2 程式控制邏輯

在油桶翻新過程中，要自動完成上桶、燒桶、桶旋轉、桶移動、桶噴砂、桶整形、桶拋光以及其他聯動配合等多個動作，不但動作多，運動複雜，而且控制要求嚴格，由於產品屬於不成熟裝置，所以需要儘可能全面的考慮可能發生的緊急情況，再加上油桶加工工作環境惡劣（通常為高溫、粉塵、振動、噪聲等），這就迫使控制系統需要具有很高的可靠性、很強的故障診斷能力和良好的節能措施，保證生產的穩定執行。由於油桶翻新生產線的控制主要為開關量控制，而且PLC具有通用性好、結構小巧、執行速度高、可靠性強等特點，非常適合於工業現場的高溫、粉塵、振動等惡劣環境下的開關控制，因此選用PLC作為控制系統的核心部件。經過對模組工藝和控制要求等分析，設計出以下邏輯控制流程。

3。2。1 油桶翻新生產線特有的工藝流程

本文的油桶翻新生產線可以自動地幹完上桶燒桶，桶底噴砂，桶壁噴砂，油桶整形，油桶拋光，油桶清洗等系列工作。這條油桶翻新生產線以油桶加溫模組，油桶噴砂模組，油桶整形模組和油桶拋光清洗模組構成主要機械系統。工藝流程主要包括：上桶加溫-噴砂除鏽-油桶整形-拋光清洗。在流程中間透過三臺轉桶架以及一套自動機械手爪將整個工藝流程串聯起來。油桶翻新生產線工藝流程如圖3-6所示。

圖 3-6 油桶翻新生產線工藝流程圖

3。2。2 自動燒桶邏輯控制

油桶加溫模組。加溫模組的加溫裝置分為三個工位：上桶工位、第一加溫工位和第二加溫工位。第一步，上桶：開始工作由人工將待加工油桶放入上桶工位，上桶氣缸頂起（電磁閥為單相閥），上桶氣缸復位，油桶進入第二工位即第一加溫工位；第二步，加溫：電動機旋轉使油桶轉動同時點火器點火，電機旋轉時間和點火器噴火時間由觸控式螢幕選擇，點火器停止噴火同時旋轉電機停止；然後翻桶氣缸動作，把油桶翻入第三工位（電磁閥為雙相閥），翻桶氣缸復位；翻桶架復位同時第一工位氣缸頂起重複第一步動作，把桶翻入第二工位，然後第二工位和第三工位的電動機同時旋轉並且點火器點火，旋轉然燒時間由觸控式螢幕選擇，加溫時間結束後第二工位和第三工位點火器與電動機旋轉全部停止；第三步，出桶：翻桶架氣缸動作重複以上動作，將第二工位油桶翻入第三工位，第三工位油桶翻入噴砂模組第一轉桶架。觸控式螢幕設有起動，停止，復位，外部設急停，復位按鈕。

由加溫第三工位送出的桶到轉桶架後，旋轉氣缸動作180度旋轉（電磁閥為雙向閥）旋轉到位後等待機械手爪將加溫後的油桶放進噴砂機內，然後轉桶架氣缸回位等待承接加溫模組第三工位翻出的油桶。油桶加溫模組程式流程圖如圖3-7所示。加溫模組的時間節拍為90s，其中每個各加溫工位加溫時間可由條50s，油桶傳送及等待時間為40s。生產線模組協作時，噴砂模組機械手夾取轉桶架上的油桶提升300mm的訊號輸入時為翻桶氣缸工作條件。

圖3-7 油桶加溫模組程式流程圖

3。2。3 自動噴砂邏輯控制

油桶噴砂模組。油桶翻入到油桶噴砂模組第一轉桶架後，第一轉桶架與第二轉桶架轉桶氣缸（電磁閥為雙向閥）動作，轉桶架旋轉180度，接著要完成以下動作。第一步，桶的輸入：機械手爪下降到下極限位置，夾住油桶並提高300mm，將油桶順線（順著生產線流動方向）送入第一噴砂機的噴砂室內，同時第一轉桶架與第二轉桶架回位，然後手爪再次下降至下極限位置，張開手爪放下油桶，接下來機械手爪提升至上極限位置；第二步，桶的噴砂除鏽：噴砂室倉門氣缸動作（電磁閥為雙向閥），使噴砂室倉門關閉；倉門關閉後噴砂室揚起氣缸（雙氣缸：電磁閥為雙向閥動作，使噴砂室揚起，同時機械手爪逆線移動（逆著生產線流動方向）到極限位置，然後提砂電機、噴砂電機與轉桶電機同時啟動，與在電機啟動間隔 3 秒鐘後流砂管氣缸（電磁閥為雙向閥）動作，開啟砂閥開關，間隔60s後流砂管氣缸動作關閉砂閥，3秒鐘後電機停止工作，完成油桶的噴砂除鏽工作；第三步，桶的輸出：噴砂室揚起氣缸動作回到始點，接著噴砂室倉門氣缸動作開啟倉門，機械手爪下降到下極限位置再次迴圈第一、二步動作。噴砂室各動作時間可在觸控式螢幕選擇，外部設急停，復位按鈕。油桶噴砂模組程式流程圖如圖3-8所示。噴砂模組每個工位的工作節拍時間為90s，其中噴砂機調整動作時間20s，噴砂機噴砂動作50s，油桶傳送及等待時間20s。生產線模組協作時，拋光模組轉桶架轉桶油缸轉桶訊號的輸入作為噴砂模組機械手啟動執行條件。

第一轉桶架的作用是將油桶旋轉180度，讓噴砂機對桶底外面進行噴砂除鏽，由第一噴砂機送出的桶到第二轉桶架，將油桶再次旋轉180度，然後由機械手爪將油桶從第二轉桶架送入第二噴砂機，讓噴砂機對油桶內壁噴砂除鏽。從第一轉桶架送出的桶到第五噴砂機的動作程式均按上述三步迴圈執行。

3。2。4 自動整形邏輯控制

油桶整形模組。第五噴砂機的油桶由機械手爪夾取送到整形機託桶小車上，完成以下動作：第一步，油桶送入：託桶小車升降桶油缸動作，使託板提升，把油桶頂起，由進出桶油缸動作把桶送整形機內，然後升降油桶缸回位回到始點；第二步，油桶整形：整形油缸動作，整形輥子下壓，然後整形電動機啟動，控制電動機使油桶旋轉1/3周時，電機停止，然後整形油缸回位回到始點，由升降桶油缸將桶頂起做姿態油桶調整後再回位回到始點，整形油缸再次下壓後啟動電動機繼續整形，以上動作重複9次，對油桶進行3周的整形；第三步，油桶送出：整形油缸回位後，上下桶油缸托起油桶，然後由進出桶油缸回位回到始點，將整形好的油桶托出整形機，最後整形機推桶油缸將油桶推到十工位第三轉桶架上後回位。第二步的動作迴圈次數及時間均可在觸控式螢幕中選擇。外部設急停，復位按鈕。託桶小車上設定有油桶是否到位的檢測訊號。油桶整形模組程式流程圖如圖3-9所示。整形模組工作節拍時間為90s，其中整形機整形時間為60s，整形機調整時間為10秒，油桶傳送及等待時間為20s。生產線模組協作時，噴砂模組機械手提升至上極限位置訊號的輸入作為整形機啟動工作的條件。

圖 3-8 油桶噴砂模組程式流程圖

圖 3-9 油桶整形模組程式流程圖

3。2。5 自動拋光清洗邏輯控制

油桶拋光模組。這是整條生產線控制邏輯最複雜的模組，但將其控制內容進行模組化設計之後可以分為三套主要的控制邏輯：上桶小車的控制邏輯、狀態控制邏輯和出桶小車控制邏輯。三套控制邏輯形成三套獨立的迴圈動作，但相互之間又需要緊密的配合，因為三套邏輯需要彼此給出特定的啟動迴圈條件。

在復位後轉臺處於定位鎖定狀態並且機械手爪全部張開。由整型機送出的油桶送到拋光模組第三轉桶架上後，完成以下動作：第一步，上桶：轉桶油缸動作油桶旋轉90度，然後升降桶油缸動作油桶提升，接著進桶小車退至進桶工位起點，然後升降桶油缸回位，桶載入小車。進桶小車載桶前進至進桶工位終點，同時第九工位出桶小車也進至第九工位終點，進桶工位接近開關輸入小車到達位置訊號一，接著進桶工位機械手爪油缸動作抓取油桶，現車退至進桶工位中點位置等待。進桶小車工作節拍時間為90s，其中小車運動時間為60s，油桶傳送及等待時間未30s。進桶小車啟動條件為第三轉桶架轉桶位置訊號。

第二步，油桶拋光：出桶小車退出至起點、第三轉桶架轉桶和升降桶油缸回位、十工位電機處於停止工作狀態以及流程順序共同決定了轉檯可以轉動，轉檯定位鎖緊狀態解鎖，轉檯轉動，然後轉檯接收到訊號指令，轉檯電機停止工作，接著定位鎖緊油缸動作，由進桶工位送來的油桶準確停止在第一工位。轉檯再次鎖緊後，進行以下流程動作：一，上桶工位動作流程條件滿足啟動；二，接近開關訊號三，給出第一到第九工位工作流程啟動條件，九個工位工作方式基本相同；三，待拋光完成後，給出接近開關訊號四訊號指令，第九工位完成出桶流程。在這套流程中，流程動作一為上桶流程，流程動作二微拋光流程，流程動作三為出桶流程。三個流程互相給出動作訊號聯合動作。其中拋光流程的具體流程動作為：轉檯鎖緊後，機械手電機收到訊號指令啟動，油桶開始由機械手帶動轉動，然後工位進給電機與拋光電機啟動，工位進給同時桶刷高速旋轉對油桶進行拋光。九工位不同之處在於拋光位置以及功能不同，但動作基本一致，第一到第四為桶壁拋光；第五到第七為桶底拋光；第八位清洗工位，工位進給同時動作的不是拋光電機而是水泵電機；第九位擦乾工位，同時兼具出桶機構。整個拋光模組工作節拍時間為15分鐘。模組中每個工位的工作節拍時間為90s，工位節拍可依照轉檯兩種狀態分配：轉檯鎖緊狀態80s和轉檯解鎖狀態10s。鎖緊狀態時間依次分為工位進給10s、加工油桶50s、工位退出10s、第九工位下桶10s。

第三步，出桶。當油桶完成三次拋光流程後，給出工位拋光完成訊號四，第九工位機械手爪停止轉桶，承接油缸頂起承接油桶，然後機械手爪油缸回位放開油桶，承接油缸回位將油桶放到出桶小車上，然後出桶小車將油桶託至第九工位起點，給出解鎖轉檯定位鎖緊狀態條件，接著推桶油缸動作將油桶推出生產線，然後退桶油缸回位等待，完成流程。油桶拋光模組程式流程圖如圖 3-10 所示。

圖 3-10 油桶拋光模組程式流程圖

3。3 PLC控制系統硬體設計

控制系統硬體組成在以“輸入裝置-控制裝置-輸出裝置”為參考的系統中，可將其分為本文的控制系統根據輸入輸出點位估算，將控制組成元件按照生產線模組組成分配到四個控制櫃中，分別定義為一號控制櫃：對油桶加溫模組和油桶噴砂模組進行控制；二號控制櫃：對油桶整形模組進行控制；三號控制櫃和四號控制櫃對油桶拋光模組進行控制。一號控制櫃控制的加溫模組和噴砂模組根據工藝流程的分析，程式邏輯主要以順序控制為主，程式設計上可採用模組化程式設計方式，本章以一號控制櫃的設計為主要內容作為設計例項分析。

3。3。1 控制櫃硬體系統組成配置

以一號控制櫃為例，設計控制櫃的硬體配置。控制櫃硬體組成除了控制櫃箱體，機架、訊號線、通訊線等材料外，一般包括以下元器件：PLC、24VDC開關電源、斷路器、接觸器、繼電器、接線端子等，還包括監控硬體裝置觸控屏等。

1）斷路器

斷路器具有控制和保護的雙重作用。作為一個控制櫃的總電源控制開關，作用是對控制櫃的總電源控制和保護，這個開關是控制櫃必備的元件之一。一般可以選擇空氣開關，它是斷路器的一種，它的適用的電壓等級在500V以下，而斷路器適用於220V以上且可以有更強的負荷承受能力。課題中選用的總電源斷路器為德力西的塑膠外殼式斷路器，型號為CDM1-225L/3000，下表3-1為產品引數。

表 3-1 總電源斷路器引數

除了總電源的控制和保護還要對控制系統中電動機啟動保護，接在接觸器的上口，選用斷路器為德力西的塑膠外殼式斷路器，型號選擇為DZ108-20；並選取小型空氣開關作為啟動電機電源控制，型號為DZ下表3-2為產品引數：

表 3-2 電動機保護斷路器引數

2）PLC

PLC分為一體式和模組式兩種，依照系統規模、控制複雜程度以及控制要求進行選型。由於PLC技術發展已經很成熟了，每一種型號都能具備使用者所需要的控制要求，而且可支援模組化拓展。本文的控制系統規模為中小型，加溫模組和噴砂模組控制以線性順序控制為主，一號櫃的輸入點數為42個，輸出點數為31個，同時考慮需要的25%的冗餘量，選用西門子PLC200系列即可滿足控制要求，拓展兩個模組增加點數。型號如下表3-3所示：

表 3-3 PLC選型引數

3）24V DC的開關電源

儘管大多數的PLC都是自帶24VDC的電源，但為提高電源的使用效率並且降低電源自身的功耗和發熱量，可選用24V DC開關電源，直流開關電源選擇明威S-100-24，型號引數如表3-4所示。

表 3-4 開關電源引數

4）觸控屏

觸控屏是進行人機互動的媒介，操作人員能透過觸控屏對生產線全域性的執行情況進行監控，需要工程人員在觸控屏上進行監控軟體的設計。因此觸控屏的選擇除了要有很好的相容性外，更重要的是要設定有通訊所需要的通訊介面、高效的資料傳輸速率以及友好的互動的介面配置。對於觸控屏的型號選擇為西門子SMART 1000IE V3，可支援組態軟體WinCC Flexible的應用。引數如下表3-5所示。

表 3-5 觸控屏引數

5）接觸器

接觸器是一種可以實現交流或直流回路快速切斷、可頻繁接通與高達800A的大電流的電路控制裝置，接觸器的作用不止是可實現快速頻繁地接通、斷開電路，還可以作為低壓釋放保護裝置，在加溫模組和噴砂模組，需要選擇接觸器作為電動機控制器件。接觸器型號選擇為正泰CJX1-16/22交流接觸器，額定控制電源電壓為220V 50Hz。

6）繼電器

繼電器可以控制輸入迴路和輸出迴路，在自動控制系統設計中為常用器件，它是一種透過較小的電流去控制較大電流的“自動開關”。繼電器功能種類很多，本文的控制櫃主要選用時間繼電器、電磁繼電器。時間繼電器控制點火器燃燒時間，電磁繼電器則是作為控制電機、氣缸等執行裝置的中轉器件。型號如表3-6所示。

表 3-6 繼電器引數

7）接線端子

接線端子是控制櫃不可或缺的元件，有許多訊號線或是供電線需要經過接線端子進行連線，他的作用是作為控制櫃內部、控制櫃與外部線路、控制櫃與控制櫃之間進行連線的埠來使用的。數量需要根據訊號數量來配置。

3。3。2 控制櫃I/O點分配

控制系統組成的輸入輸出點包括檢測元件（光電、真空和接近開關等）輸入訊號、控制元件（交流接觸器、電磁閥等）以及執行元件（電機和氣缸等）輸出指令和人機操作介面（按鈕、指示燈等）的輸入輸出訊號等。

根據對於生產線的分析，一號控制櫃涉及的控制物件為加溫和噴砂兩部分系統，一共包括42個輸入點、31個輸出點，因此選擇的PLC主機CPU226CN型號模組外，增加了兩個數字量模組增加輸入輸出點數，電源等級均為24V。輸入繼電器（I）、輸出繼電器（O）的序號是由基本單元開始，按連線順序分配十六進位制數碼。其觸點形式為二開二閉，10A/24VDC，帶LED。油桶翻新生產線的控制系統一號控制櫃所控制的加溫模組和噴砂模組的輸入輸出分表如表3-7、3-8所示。

表 3-7 櫃輸入分配表

表 3-8 櫃輸出分配表

3。3。3 控制櫃設計

PLC控制系統供電電源包括PLC的工作電源、輸入訊號電路電源、輸出電路電源。PLC工作電源在我國優先選擇220V交流電源，特殊情況選擇24V直流電源。輸入訊號電源利用PLC內部提供的24V直流電源，或者採用控制櫃內設定的24V直流開關電源。圖3-11為控制櫃PLC供電原理圖。

圖 3-11 PLC供電原理圖

控制櫃輸入輸出端子接線圖如圖3-12所示：

圖 3-12 控制櫃輸入輸出端子接線圖

綜合以上主要組成硬體所選型號，控制櫃的組成及設計如圖3-13所示。

圖 3-13 控制櫃的組成及設計

3。4 本章小結

本章完成了油桶翻新生產線的工藝流程分析，分配了控制系統I/O點，完成了控制系統以一號控制櫃為例的硬體組成設計等任務，在此基礎上完成了生產線控制系統總體硬體結構框架的搭建。