基于PLC的自动化生产线控制系统软件设计

基于PLC的自动化生产线控制系统软件设计
摘要：自动化生产线由送料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元5
个单元组成。

每个单元都有控制本单元工作过程的PLC。

控制系统要求，每个都
要上电时先复位，然后才能工作；按了停止按钮后，每个单元都要把本单元的流
程进行完，然后停止；按下急停按钮，立即停止工作，急停按钮回复，寻找断点
继续工作。

研究以上控制要求的编程思路，并且以自动线供料单元为例，研究复位、停止、急停等控制要求编程的方法。

关键词：PLC；自动线；控制；软件设计
1.自动化生产线概述
自动化生产线是在流水线的基础上逐渐发展起来的，它不仅要求线体上各种
机械加工装置能自动地完成预定的各道工序及工艺过程，使产品成为合格的制品；而且要求在装卸工件、定位夹紧、工件在工序间的输送、工件的分拣甚至包装等
都能自动地进行。

按照规定的程序自动地进行工作，这种自动工作的机械电气一
体化系统就是自动生产线（简称自动线）。

自动线一般由送料、加工、装配、输
送和分拣五个单元组成。

工作目标是将供料单元料仓内的工件送往加工单元的物
料台，完成加工操作后，把加工好的工件送往装配单元的物料台，然后把装配单
元料仓内不同颜色的小圆柱工件嵌入物料台上的工件中，完成装配后的成品送往
分拣单元分拣输出，分拣站根据工件的材质、颜色进行分拣。

文中研究的自动线由送料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元
5个单元组成。

工作目标是将供料单元料仓内的工件送往加工单元的物料台，完
成加工操作后，把加工好的工件送往装配单元的物料台，然后把装配单元料仓内
不同颜色的小园柱工件嵌入到物料台上的工件中完成装配后的成品送往分拣单元
分拣输出，分拣站根据工件的材质、颜色进行分拣。

自动化生产线主要完成的是
顺序动作，其控制器多选用可编程控制器。

可编程控制器根据检测传感部分送来
的信号，按照预先设计好的控制程序，控制执行机构完成相应的动作。

文中主要
研究自动线控制软件设计。

自动化生产线由以下系统组成：
（1）自动加工系统，这个系统是指生产线的基础系统，是整个生产线的框架。

（2）物流系统，这个系统是指生产线上的传送装置，例如轨道、输送带、
转盘等，主要是负责产品的运输。

（3）信息系统，这个系统是对生产线传输进行负责，例如生产线的信息、
控制等，同时还对计算机与其它控制系统进行信息传输，相当于人体的血液。

（4）软件系统，这个是生产线最重要的部分，他就像人体的大脑，它包括
控制软件、生产系统软件、运输软件、监控软件等。

自动化生产线是一个复杂的综合体，是解决机械硬件实现柔性化的关键技术，而它的优点有设备领用率高，可以将生产线上的设备柔性的连接；生产能力稳定；产品质量高，由于产品生产不间断，这样会使产品的质量得到保证；运行灵活，
生产、检验、维护方便。

未来自动化生产线应该向着高速、精度高、效率高、智
能化的方向发展，实现用户界面的图像化，将机器与人直接对话，现在的生产线
只能行程简单的图形，实现的是图形的仿真与动态模拟，所以可视化是未来发展
的重要方向。

2.自动化生产线的研究背景及意义
近年来，无线通信、传感器、组网等技术的进步使信息系统得到了前所未有
的发展，然而，在经济建设的各主要领域，生产线基础设施和信息基础设施的建
设往往是分开进行的。

一方面，人们不断地建设和完善周围的生产线；另一方面，人们也不遗余力地发展数据中心、个人电脑和宽带网络等信息世界，但将信息世
界和生产线世界割裂开来。

而国民经济的发展对信息系统早已提出了更高的要求，现代科技的发展要求将计算技术拓展到整个人类活动的空间，将人类的生产线世
界计算化、网络化、信息化，使信息系统和生产线系统整合统一成为自动化生产
线分布式控制系统【1】。

自动化生产线分布式控制系统的重要特性与生产线环境紧密交互，其应用任
务的临界性通常对自动化生产线分布式控制系统的精度、能耗、实时性、组网可
靠性、安全性、服务质量等性能指标有着严格的要求。

然而，也正是由于同生产
线环境的紧密结合，环境因素不可避免地会影响传感/执行子系统的采样数据并且不断产生变化，生产线环境的不确定性和系统自身的误差给整个系统的性能造成
极大的影响。

另一方面，由于市场和推广的原因，自动化生产线分布式控制系统
通常采用大量低成本的非定制器件搭建和设计，系统资源非常有限。

因此系统的
性能保障问题正在成为自动化生产线分布式控制系统设计和应用的瓶颈，阻碍其
大规模发展的步伐。

3.自动线控制要求
自动化生产线，是指以计算机程序设计运用模式，取代传统人工跟踪加工处
理的生产过程，它具有高效率、一体化等特征，与传统的生产线加工方式相比，
它主要通过执行自动编程命令，操控生产对象进行自主性生产，其速率更高、质
量保障性也更大。

由于自动化生产线控制结构，主要是以程序生产为主导，各部分生产操作均
是按照“命令”进行操作，由此，它要求各个部分在生产过程中，均要保持在同一
运转速率上，才能够实现流畅性生产；同时，自动化生产线控制系统，着重突出
的是“控制”的自动化，确保机械与人能够协调运作，而不是要求人跟随机械的变
化而变化，由此，自动化生产控制系统，必须有较为综合的人机对话平台，才能
够彰显“自动化控制”的这一优势。

我们在进行系统升级、全面性设计的过程中，
应注重对这两点问题进行把握。

本控制系统以可编程控制器为整个控制系统的核心，各单元均设置一台西门子S7-200PLC承担其控制任务，各PLC之间通过PPI
通信实现互连，构成分布式的控制系统。

系统硬件如图1所示。

自动线各单元流
程不同，但其控制要求相同。

自动线各单元控制要求如下：
3.1每个单元上电后先要复位；
3.2每个单元按流程完成生产过程；
3.3按下停止按钮，每个单元要完成一个控制流程，然后停止；
3.4按下急停按钮，每个单元立即停止工作，当急停按钮复位后，再从断点
开始动作。

图1 系统硬件结构图
4.控制系统软件设计
4.1总体编程思路
自动线各单元生产过程基本相似，故每个单元的编程思路相同。

由于自动化
生产线中主要完成的流水动作，因此编程主要用西门子的顺控指令完成。

程序结
构主要包括主程序和子程序，主程序主要完成复位、通讯和调用子程序，子程序
主要完成具体动作过程和显示。

常规编程这里不做过多研究，本文主要研究复位、顺控指令、停止和复位编程的方法。

4.2复位编程
自动化生产线每个单元在上电后都要求先复位，复位完成才能进行下一步工作，否则系统报警。

系统五个单元的复位编程思路相同，都是在PLC上电的第一
个周期给复位标记置位，在复位标记闭合情况下，检查各个元件的初始状态，若
各个元件都在初始状态则给置位标记复位，在复位情况下才能完成下面的动作，
并且将此信息传给主机，否则报警。

4.3顺控指令编程
自动化生产线主要完成的是顺序动作，因此动作顺序的实现都是用顺序控制
指令编写成子程序，在需要时调用。

编程时都是在主程序中给起始步置位，在条
件合适时调用子程序，完成本单元动作，然后再返回起始步等待。

4.4停止编程
自动化生产线要求每个单元在按了停止按钮后，要把本单元的工作流程进行完，然后停止。

要完成这个要求，需要在主程序中添加相应的指令来。

编程时是
在按下停止按钮时，给顺控子程序的起始步复位，这样动作子程序在执行完一个
流程后返回起始步，因为起始步复位而停止动作。

4.5急停编程
当遇到紧急情况时，可以按下单元的急停按钮，这时系统立即停止动作；当
紧急情况处理完时，拔出急停按钮，要求能自动找到原来的断点，继续执行原来
中断的动作。

编程思路是在按下急停按钮时，立即停止调用动作子程序，这时单
元动作停止，当急停恢复时，恢复调用子程序，这样子程序可以接着原来中断的
步继续执行动作。

5.应用实例
5.1供料单元简介
本文所介绍的自动化生产线5个单元编程思路都是相似的，只是动作过程不
一样。

下面以供料单元为例，研究编程的技巧。

供料单元结构如图2所示，它主
要用于向系统中其他单元提供原料。

具体动作过程如下：在需要将工件退出到物
料台时，首先使加紧气缸的活塞杆伸出，压住次下层工件；推到物料台。

在推料
气缸返回后，再使加紧气缸返回，松开次下层工件。

图3 供料单元复位程序
5.2供料单元复位编程
供料单元初始是在顶料气缸和推料气缸均处于缩回位置时，为复位状态。

在
程序开始运行时，用SM0.1给初态检查标记M5.0置位，当M5.0闭合时检查单元是否处于初始状态，若在初始状态，给M5.0复位，如图3所示。

其他单元编程
思路相同，只是复位的内容不一样。

5.3供料单元顺控动作编程
若设备准备好，按下启动按钮，给起始步S0.0置位，开始供料控制子程序执行。

如图4所示。

如果出货台上没有工件，则应把工件推到出货台上。

若货台上
的工件被取走，并且没有停止信号，则进行下一步推出工件操作。

启动顺控指令
各单元编程方法相同。

图4 供料单元顺控动作启动程序
5.4供料单元停止编程
若在运行中按下停止按钮，停止标记M1.1置位，在M1.1闭合时给S0.0复位，这样在供料控制子程序执行完一个流程返回S0.0时，停止工作，如图5所示。

这样的编程思路可以保证每个单元在完成本单元动作后停止【2】。

5.5供料单元急停编程
若在运行中遇到紧急情况，需要立即按下急停按钮，应该立即停止动作；当
急停恢复后，应该寻找急停前的断点，接着前面的断点继续工作。

在供料单元的
运行过程中按下急停按钮，I1.4断开，停止调用子程序，则供料单元停止工作。

当急停回复后，I1.4闭合，供料控制子程序回复调用，即可接着原来的断点工作，如图6所示。

自动线5个单元急停编程思路完全相同。

图6 供料单元急停程序
结论
自动化生产线可以自动完成生产过程，大幅度提高生产效率，改变生产流程，只需改变控制程序，控制程序的设计是自动运作的关键。

以上是以自动化生产线
供料单元为例研究复位、停止和急停的编程方法，这种编程方法虽然只是针对自
动线的一个单元，但可以应用到自动化生产线的其他单元。

自动线实现的功能可
以有多种，但其基本编程的思路相同。

这种编程的思路可以用到更多的PLC控制
的自动化生产线编程中，完成系统控制。

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