艾默生PLC在电子装配流水线上的应用

1 引言
艾默生网络能源有限公司中试部生产线(以下简称中试生产线)是建于1998年的一条整体呈长方形循环运行的产品装配线。生产线采用PLC自动控制系统对整个生产流程进行控制，操作人员可通过选择运行模式来将整条生产线划分为1~3个小段，各段分别独立及组合运行;可手动/自动切换运行;具有多种故障报警灯指示。目前PLC采用艾默生自己制造的EC20型产品，该型产品指令丰富，编程方便，运行可靠，兼容性强，能够较好的满足电子行业生产的应用。

2 系统设计
2.1 装配线平面布局
图1为生产线的平面布置图。

图1 中试生产线平面图
2.2 中试生产线设备构成和功能简述
(1) 中试生产线由两条长长的平行传送带A和B作为其主体设备，生产用的工装台就放置在这两条传送带上，依次顺序运行到一个个装配测试工位。两条传送带A和B运行方向相反，因此，工装台就是从A这边去，从B那边回。
(2) 传送带A和B两端通过末端的单向移载传送带连通成环形的整体，工装台在运行到某一条传送带的末端，就通过末端的单向移载传送带转移到另一条传送带的起点。图1中左边的末端单向移载传送带简称“左一”，右边的末端单向移载传送带简称“右一”。
(3) 在传送带A和B之间，还有两条中间的双向移载传送带，左边的简称“左二”，右边的简称“右二”。通过选择运行模式，这两条双向移载传送带可以投入运行，在从而实现将生产线分解成1~3小段组合运行的功能。这样可以在生产线各小段分别安排不同工序流程的多种产品进行同时加工，提高了生产效率，满足多产品排产的要求。
(4) 图1中最左边为控制柜，内装PLC及其外围输入输出电路，还有电机主电路的设备，包括变频器、空气开关、接触器等。
(5) 在传送带中，布置了很多的行程开关、微动开关，用于检测工装台运行的位置，转换成为开关量数字信号输入PLC控制器，使PLC能根据这些工装台的位置进行运行程序的运算和控制输出。
(6) 在装配测试工位上，还有一些手自动转换开关、脚踏开关、阻挡气缸释放按钮等，多是开关量数字信号输入(除了气缸按钮不是)，可通过这些装置人工操作工装台和传送带的运行。
(7) 电机是由PLC输出的开关信号来进行启停控制的;气缸的顶升和下降是由电磁阀控制生产用压缩空气对气缸的进气和排气来实现的，而电磁阀则也是由PLC输出开关信号来控制的。
(8) A和B传送带的运行速度分别由两台变频器来调节速度大小，运行中采用定速运行，满足运行工艺要求。
2.3 运行和控制流程
(1) 上电后A和B传送带并行反向运行，其速度由变频器面板设置，固定运行，调试成功后不需要更改。
(2) 两端的移载传送带负责把工装台在两条A和B传送带之间循环移载。例如当工装台沿A线运行到“右一”前A1位置碰到检测的行程开关，则当“右一”处于空闲时(无工装台在上面，也没有工装台堆积在B传送带起点B1时)，“右一”将会进入单向移载程序。这时工装台继续运行到就位位置A1’触动行程开关，则“右一”气缸会顶升，把工装台顶起来，“右一”传送带启动运行，把工装台送到对面的B1起点，然后气缸放气，工装台放下。这就完成了一次单向移载。“左一”运行方式同上述方式的顺序是一致的。
(3) 在选择不同的小段组合工作运行模式时，如果两条传送带被分成两段或三段循环运行，则中间的两段移载传送带负责把工装分别在各自的循环路径上移载，实现分段运行。例如当工装台沿A传送带运行到“左二”前位置A3，则开始进行移载检测，如果“左二”处于空闲时(无工装台在上面，也没有工装台堆积在B传送带出口点B3时)，“左二”将会进入移载程序，这时工装台继续运行到就位位置A4触动行程开关，则“右一”气缸会顶升，把工装台顶起来，“右一”传送带启动运行，把工装台送到对面的B4点，然后气缸放气，工装台放下。这就完成了一次A向B的工装台移载。而对面的工装台也可按相仿的顺序从B5点转移到A5点。
(4) 中间移载传送带根据各循环路径上工装到位的先后顺序来排队，先到先走，解决两边冲突的问题。
(5) 移载传送带通过气缸顶升和皮带滚轮传送来实现工装移载。
(6) 现场有手/自动转换开关、脚踏开关用以实现手动操作。
(7) 整条线运行前先根据要求选择运行模式(即小段组合运行方式)。

3 PLC控制设计
3.1 PLC配置设计
控制柜是整个试生产线的中核心，其中关键的设备是PLC。中试生产线选用的是艾默生网络能源有限公司的新产品EC20系列的PLC及扩展模块。
EC20系列PLC是高性能的通用PLC可扩展多个模块，扩展模块有数字型、模拟型、温度型的模块。
EC20的编程采用界面友好的窗口软件，支持多种编程方式(梯形图、指令列表、顺序功能图)，方便地监控和调试，可在线修改程序。
(1) PLC设备配置
1个主模块EC20-3232BRA，继电器型输出，220VAC电源，32输入和32输出;
1个扩展模块EC20-0808ER，继电器型输出，8输入和8输出。
(2) 输入设备配置
输入设备有:
●旋臂式行程开关，用于工装台的位置检测;
●限位开关，用于工装台、运动机械、气缸的到位检测;
●脚踏开关，用于装配工位上的人工操作;
●转换开关，用于操作模式的选择，在控制柜和装配工位上，控制柜上是整体运行模式的选择，装配工位上是手/自动切换。EC20输入端是漏型输入，因此输入设备采用EC20模块的COM点为输入接线回路端。

(3) 输出设备配置
输出设备有:
●继电器-电磁阀-气缸，PLC输出点通过控制继电器来控制电磁阀，电磁阀再控制气缸的进气和排气，从而实现气缸的顶升和下降，继电器-电磁阀-气缸的组合是通过电气输出的接点控制气动操作设备的一种有效手段;
●继电器-接触器，PLC输出点通过控制继电器来控制接触器，从而实现电机的启停操作、设备的开关及其它电路的通断，继电器-接触器的组合是用小容量的输出点来控制大容量的电气回路的正确方法;
●继电器，PLC部分输出控制可通过继电器直接进行，如指示灯、蜂鸣器等小容量电路。
一般情况下要注意PLC的输出点不应用于直接接入和控制各种被控制电气回路，要通过继电器等元件来提高控制容量，以及起到隔离的作用。
3.2 PLC的顺序步骤程序设计要点
环形生产线的运行，主要的流程都是按顺序进行操作的。大多数情况下工程技术人员采用的是梯形图的编程方式，也有少量采用指令列表的方式。顺序功能图的方式还不十分为广大技术人员熟悉。这里讨论的是采用梯形图编程时的顺序步骤程序设计。
在编程前，需要把设备的流程转变为顺序的逻辑流程图。第二节中所讨论的流程，是一种操作的外在现象和设计思想，而程序的逻辑流程图，则是准确到包含以下及其他未说明的精确设计:输入检测和受控设备的动作配合、步骤的准确衔接、操作的延时长短设置、操作的条件和限定、对人和设备保护防护设限、动作先后判断及优先选择、故障的诊断和显示、故障后的保护和恢复等。
如果设计和编制程序时，不编制流程和顺序控制点，不设置顺序控制点的代表元件，则程序做出来的可读性、可维护性会很差。比如一台电机的启动，如果仅是套用一堆输入、延时、条件、限制逻辑在PLC输出线圈之前，其中没有一个代表顺序的触点元件，那么就是上述无序编程的典型做法。当程序点数增多，最后就可能导致程序的编制难以控制，出错可能性大，调试非常困难、维护和调整难以下手。
中试生产线的编程，采用了两项主要的编程方法。
(1) 顺序步骤程序设计
顺序步骤程序设计，是将一长串流程分解为一个个步骤，每个步骤单独完成一项逻辑运算和动作。在每个步骤上，都设置一个人为的标志位，用以明确表示当前运行的步骤，并通过此标志位限定设备的输出，达到使整个系统按照步骤严格运行的目的;并使得整个程序的条理清晰，各步骤逻辑简洁明确，有利于日后的维护和修改。
如图2为中试生产线上“左一”单向移载传送带的编程示例:

图2 生产线的“左一”梯形图
如图2中所示，“左一”单向移载传送带的流程划分为五个步骤，分别以标志位M100、M101、M102、M103、M106来表示。在运行中，M100~M106顺序地被置位，在每个步骤中，相应的操作运算由相应的标志位来开通，使得设备运行得以按顺序进行，程序脉络十分清晰。
例如第1行，当X47置位，表明工装台进入了图1中“左一”的B2位置，当A2处无工装板积压，则M100就被置位并自保持，“左一”开始进行这块工装台的移载操作(步骤M100)。到了第2行，Y21会因为M100置位而复位，使该Y21对应的阻板气缸下降，将这块工装台放行，随B传送带进入“左一”传送带上。第3、4行，当工装台进入“左一”完毕(此时触动了X44行程开关)，延时1s(T1时间继电器)，然后就根据条件将M101置位并自保持，程序进入步骤M101。可见，程序将会按顺序进行，直到工装板被准确送出“左一”传送带为止。
到了步骤M106，M106短暂地置位后，将在下一个扫描周期内复位M100和T0，使得M100~103全部步骤都复位，系统就开始等待下一次移载操作。

(2) 状态标志替代方法
在“左二”和“右二”双向移载传送带的操作时，有可能会出现A线和B线两块工装台同时到达的现象。在这种情况下，“左二”、“右二”如何处理这个矛盾？哪个工装台会先运行？这里，就有个优先状态标志的设置和判断。如果两边各用一个行程开关来置位相应标志位，程序并不好写，因为置位后的标志位没有“优先”的特征，都是“1”，还是会造成混乱。如果用“输入端中断”来编程，则会因为各种原因(如输入误动作)导致系统的错误操作—在这种生产线上是很容易出现输入的误动作的。
在这里，程序设计者用了一个状态标志替代方法，用2个累加数的大小来代表工装台，如图3所示。

图3 改进后的梯形图
如图3所示，程序中采用了D100和D102两个32位长整型寄存器用来做累加比较。当工装台同时进入时图1中的A3、B3时(这个“同时”还是有些微差别的)，如图3所示的程序，M200和M250都置位，A和B两边都进入了移载程序的第一步，第4、5行就是对D100和D102进行累加，则当运行到第6行时，D100和D102的差别比较就会出来了。在D100大于和等于D102时，M120被置位;在D100小于D102时，M121被置位。这样，通过累加和比较，会得出一个优先的判断并固定用两个标志位M120及M121来表示(实际上，这样编程就能得到“先到者优先”的结果，现场所谓工装台“同时”达到对PLC来说还是非同时的)。随后的编程则将两边的步骤可以分开来写，并且还能相互添加一些联锁，保证两边的步骤不互相干扰。

4 结束语
在PLC顺序控制应用大多数是在机械行业。目前电子设备装配生产流水线市场上，主流的PLC产品是以三菱为首的日系品牌，包括松下、欧姆龙等，还有西门子S7-200、B&R等等品牌也有一席之地。艾默生EC20的PLC在输入输出、指令、编程元件资源、中断、指令速度上，与目前市场上的多种产品有较好的兼容性,在编程环境和文档上以中文平台为基本开发思想,具有通用的友好界面和操作方式。设备制造类的用户可以很快地掌握艾默生产品的应用和编程。在设计上，性能要比同级别的各种产品高，比如指令数量、中断源、高速计数等。因此，在这种装配线上，采用艾默生的产品，会是一个很好的突破口。
在这些场合应用中，由于生产线可能会长期运行，其可靠性要求要较高;同时有可能会因为用户生产产品和工艺的变更，对生产线可能会要求做修改、改造，因此PLC需要考虑生产线改造时有一定的兼容性、扩展性。