摘要：为了解决现代化工业生产中大量劳动力投入到繁多和复杂的体力劳动而导致生产效率偏低的问题，以智能生产及仓储工位为背景，设计了一套由物料运输单元、物料分拣单元以及成品入库控制单元组成的自动生产线系统。系统以西门子的S7-1500 PLC搭配ET200 SP分布式IO作为核心控制器，负责控制运动控制对象和整个系统的运行逻辑。采用G120变频器作为变频控制实现调整系统运行效率的运输工作站；使用视觉传感器以及搭载不同物料的旋转转盘以及出料气缸机构组成的物料分拣工作站；最后以仓库取放货物为原型，使用了V90伺服驱动器控制两轴方向上的丝杆，将成品物料按照系统运行的逻辑以及视觉传感器的识别结果依次放进仓库里并输出库位信息。采用UGNX软件建立模型并在S7-1500 PLC上使用PLCSIM Advance3.0软件验证了基础运动的仿真；最后在确认UGNX软件上系统模型运行正常的情况下，采用OPC UA通信的方式验证了生产线系统能够按照指定工艺要求实现智能化生产，3个工作站单元之间工艺执行标准确认达到了预期的生产标准。

　　关键词：SIMATIC PLC；生产线；机电概念设计

　　0引言

　　在现代化工业4.0的背景下，各国的机械设备，石油化工、军用物品的制造、汽车行业、饮食医药等方方面面都离不开自动化生产线的主导，这是因为自动化生产线能够节省大量的人工，使人们从繁多和复杂的体力劳动中解放，促进人们投入其他更具有发展和创新性的工作，提高国家经济效益，因此社会工业自动化智能技术的发展对于自动化生产显得尤为重要。本文通过SIMAT⁃IC PLC与驱动装置相结合，在自动化生产的背景下，提出以PLC作为主控的自动化生产线，实现了在现代化智能制造的环境下，推动工厂智能化的发展。

　　相较于以往使用由组态王Kingview监控软件的监控机、上位机S7-300、下位机S7-200、PROFIBUS现场总线等组成，并依靠工控软件Kingview实现数据的通信而组成的系统，本文研究的系统具有更高的性能和数据处理能力[1]。选择S7 1500PLC作为系统的核心控制器，G120变频器作为系统生产效率的调节器，以V90的高精度控制为优点的执行机构，通过工艺逻辑将每个机构串接而成的系统，最后同样采用了西门子品牌的WINCC7.5软件作为数据通信采集，从基础设备的优越性上保证整个系统具有高性能，高效率的特点[2]。进一步解决了现代化工业生产中大量劳动力投入到繁多和复杂的体力劳动而导致生产效率偏低的问题，使更多的劳动力能够投入到更具有发展和创新性的工作中去，促进国内自动化技术的发展和应用。

　　1系统总体设计

　　本文的自动化生产线系统的组成是由3个独立且分担不同工作的工作站联合而成，3个工作站分别是负责输出物料和运输物料的物料输送工作站、负责分拣并提供物料信息的分拣物料工作站以及负责提取并存储成品物料的入库工作站。系统基于生产线工作的基本原则，提出以SIMATIC PLC为实现自动化功能主要控制层，通过产线网络框架设计通过通信协议对现场层的执行机构及驱动装置实现远距离终端控制，实现了整个生产过程达到自动化的程度[3]。根据不同工艺设计要求对系统进行不同配置，如表1所示。

　　2系统组成

　　本系统有3个工作站，输送物料工作站由送料机构，G120变频器执行物料输送以及各个气缸组成，并统一由控制端PLC进行主控[4]；分拣物料工作站是由物料分度盘装载物料和负责完成分拣工作的物料检测传感器以及视觉传感器组合而成，分拣功能是通过PLC指令进行数据采集并对数据进行内部逻辑的运算实现工；成品入库工作站由伺服控制装置、步进驱动装置和抓手气缸以及模拟仓库仓储区组成。

　　2.1物料输送工作站

　　该工作站的主要工作内容是实现对即将搭载物料的物料底座进行定向输送，如图1所示。该工作站通过SI⁃MATICS7-1500PLC进行主要控制，控制方式基于底层LAD逻辑运算[5]。整个工艺为：当工作站收到工作指令时，料仓中内置的光纤传感器会自动进行检测，判断料仓中是否存在物料底座，1500PLC接收到料仓中存在物料底座的信号信息后，通过逻辑运算发下一步指令，此时负责推送物料底座的双控气缸就会将底座物料推送至运输送线上，工作站之后会等待1500PLC接收到气缸工作位的信号即物料已推送到输送线后，1500PLC再通过Profinet通信控制G120变频器用报文的方式驱动运输物料输送线，对底座物料进行定向输送。

　　到输送线的中途会经过物料分拣工作站，将停止输送并等待分拣工作站执行完工艺并成功装载物料后，1500PLC会再次启动变频器，运行输送线，将成品物料送达传送带末端位置等待垛机执行入库工作，完成物料输送工作。

　　2.2分拣物料工作站

　　物料分拣工作站结构如图2所示。该工作站主要执行的工艺是对物料进行分拣，目前模拟的是对颜色进行分类识别。分拣物料工作站通过视觉传感器对物料进行信息采集[6]，并将该信息通过DeviceNet通信的方式发送给1500PLC，1500PLC利用程序逻辑对反馈的信息进行处理后使工作站完成分拣工作。若满足条件，则对指定物料进行抓取并再由1500PLC控制气缸模拟X轴把物料放置至底座上；若不满足条件，则重复识别和分拣的工作。

　　2.3入库工作站

　　物料入库工作站结构如图3所示。该工作站是整个系统最终的执行机构，主要对成品物料进行取件并按照分拣反馈的信息存储到指定位置，当输送物料工作站执行完工作后，1500PLC控制成品入库工作站中的V90伺服和YKE2405步进驱动组合而成的丝杆到达指定取件位置并控制抓手气缸对成品物料进行取消。再根据分拣反馈的信息，将成品物料运送至指定成品位置进行存储，完成智能仓储工作。

　　本系统的所有机器设备都是以SIMATICS7-1500 PLC为主控，ET200 SP为辅助控制，通过Profinet通信实现对变频器，伺服驱动装置进行控制，以硬件接线方式对气缸控制以及对各种传感器进行信息采集，实现对系统进行检测并进行各个工作站的信息采集，通过底层代码逻辑完善整个系统的各项功能。

　　3系统硬件介绍

　　本系统的主要硬件有SIMATIC S7-1500PLC、G120变频器以及V90伺服驱动器。

　　3.1西门子PLC S7-1500

　　系列在各个方面的创新设计，为用户提供了更为完善的自动化控制系统解决方案。它的标准型CPU功能强大，设计理念先进，集成度高，为用户提供了多种功能，以满足各种不同场合的自动化控制系统要求。同时为用户节约了系统成本和维护成本，使得用户能够配置出经济性好，运行稳定的控制系统。

　　3.2 SINAMICS G120

　　SINAMICS G120是隶属于西门子新型变频家族SIN⁃AMICS系列的，是一款全新的具有能量回馈的模块化变频器，尤其适合于单机传动系统[7]。它能够完美地满足低压范围内的高性能应用需求。与其他SIN⁃AMICS系列产品相比，G120具有独一无二的驱动技术灵活性和易用性，功能强大。

　　SINAMICS G120是包含各种功能单元一体的模块化变频器系统，其中具有标准的模块化设计。功率模块PM、控制单元CU和操作面板BOP都是完全独立的单元，支持带电热插拔，完全内置的通信功能（Profibus和Profinet）[8]，可以在多种可选择的操作模式下对PM和连接的电机进行精确控制和监视，同时也集成了4种安全保护功能，不需要额外的附加设备就可以集成应用到自动化系统中进行组合。本系统采用的变频器是G120标准型变频器，其功率单元是：PM240-2，控制单元是CU250S-2与智能控制面板IOP，控制方式主要采用报文352的方式，PLC程序梯形图如图4~6所示。

　　3.3 V90伺服系统

　　Sinamics V90伺服驱动器继承了丰富的控制模式，主要应用于运动控制等需要伺服应用的场景。其控制方式有外部脉冲位置控制（PTI），内置定位（IPos）以及转速和转矩控制等[9]。支持即插即用式调试方式以及可以与Simatic PLC快速进行组态集成，给用户带来极大的方便和体验。

　　Sinamics V90伺服驱动器与全新的SIMOTICSS-1FL6伺服电机进行配套使用，将形成最佳的伺服系统。该系统具有高达1MHZ的脉冲输入和拥有20位分辨率的绝对编码器，因此整个伺服系统具备极高的定位精度和底纹波的转速波动[10]，两者搭配使用在性能，能源效率和可靠性上都有了大大的提升。

　　在本系统中，V90伺服主要应用与控制丝杆的滑动；1500PLC通过Profinet通信对V90进行精确控制，根据工艺对象的组态等进行操作后，可还原伺服精确控制丝杆滑动达到近乎1∶1的比例，即丝杆滑动10 mm对应实际的位移长度近乎为10 mm，误差范围缩小至0.001。

　　4测试验证与结果分析

　　本平台由井式送料机构，颜色识别区，物料分拣区，G120变频器输送装置，伺服控制装置，步进电机控制装置，仓库仓储区，实训台等机构组成。具有三个工位，测试验证过程采用UGNX软件进行机电概念设计（MCD）完成验证[11]。系统流程图如图7所示。

　　通过分析自动化生产线的系统的组成以及控制方式，西门子1500PLC对各个工作站分配不同的功能，规划出了每个工作站执行的工艺流程并达到工艺生产标准[12]。关键技术是采用电磁阀控制气缸代替出料，吸料以及存放成品物料的执行机构；采用G120变频器作为控制生产线中的运输，提高生产线的工作效率；采用高精度的步进驱动器以及V90伺服驱动器作为旋转取料以及线性存料的执行机构，降低整个自动化生产线在执行工作过程所产生的误差。通过UGNX进行机电概念设计仿真验证后，证实该系统能够正常运行并完整指定的工艺要求，能够适应现代化生产的工作需求，进一步解决了现代化工业生产中大量劳动力投入到繁多和复杂的体力劳动而导致生产效率偏低的问题[13]。

　　在整个系统基本配置齐全的情况下，设计了HMI人机界面以及SCADA上位机系统，以数据的方式呈现出当前生产线系统的工作情况。人机界面如图8所示。

　　5结束语

　　本文在现代化智能制造技术的发展以及动化生产的背景下，利用Sinamics PLC和G120驱动以及V90伺服驱动作为硬件机构，提出了以Sinamics PLC为核心控制器研发的自动化生产线系统[14]。通过编写Sinamics PLC的内部逻辑程序将多个工作站进行联调，并设计了上位机SCADA系统采用Wincc软件对该自动化生产系统工作过程进行实时数据监控和展示，实现了远程的实时数据监控和管理[15]。其系统的工艺执行以及执行标准通过UGNX软件使用MCD数字孪生技术得到验证，证实了该系统能够正常运行并完整指定的工艺要求，能够达到现代化生产的标准，进一步解决了现代化工业生产中大量劳动力投入到繁多和复杂的体力劳动而导致生产效率偏低的问题。

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