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【摘要】针对工业4.0的智能工厂的实现，对其自动化流水线进行设计与总结，以适应快速反应的市场需求，主要针对系统的扩展性，开发的快速性，从PLC控制，模块化设计（包括硬件，控制逻辑，软件编程，工业以太网，现场总线）几个方面入手，最终达到快速开发自动流水线的要求。
【关键词】装配流水线；PLC；控制系统
【Abstract】4.0 for intelligent industrial plant， its automated assembly line design and summarized in order to adapt to the rapid response to market demand， mainly for fast system scalability， developed from the PLC control， modular design （including hardware， control logic， software programming， industrial Ethernet， fieldbus） several aspects， and ultimately achieve the rapid development of automatic assembly line requirements.
【Key words】Assembly lines；PLC；Control system
1. 前言
（1）近年来，国内产业升级，制造业做为主力军在工业4.0的东风鼓吹下，掀起了智能制造的新浪潮。工业4.0"项目主要分为三大主题：“智能工厂”， “智能生产”， “智能物流”。 “智能工厂” 重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；企业要发展，员工要劳动强度的降低，对现行的低效的人工流水线作业方式的升级改造为自动化的流水线生产，就是关键的一环，最总实现智能化工厂。
（2）在此背景下，工业自动化流水线的制造是个绕不开的话题，什么是自动线呢，自动生产线是由工件传送系统和控制系统，将一组自动机床和辅助设备按照工艺顺序联结起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统，简称自动线。目前，我 国能够生产完整的自动化生产线产品企业数量很少，天奇物流系统工程股份有限公司、华昌达智能装备股份有限公司、三丰智能输送装备股份有限公司等是我国自动化生產线产品龙头企业。未来自动化生产线行 业发展要开发新产品、新市场，扩大内需、培育新的增长点，增强自主创新能力和产业竞争力。保增长的关键是市场，而自动化生产线市场是需要开发的。自动化生 产线行业企业应加强技术创新、提高产品高薪技术含量、拥有自主知识产权，打造行业名牌是自动化生产线行业公司发展壮大的根本。
（3）而怎样实现自动化的流水线，需要对其控制原理及可扩展性做必要规划，本研究主要是对模块化扩展，网络化拓展进行研究与实践。
2. 系统流水线的选择
2.1本系统是靠工装板载物运输，线长约30米，并通过机械手对流水线上的产品上料到其他加工设备上进行组装，后下料到流水线，经流水线运送到下一加工工位，加工后进入下料皮带线，工装板由上下两条线循环运输。
针对工艺要求，对目前主流的几种工业流水线分析：
（1）以皮带线为制作材料：这种就是我们常说的皮带输送线或者叫皮带输送机；
（2）以板链为制作材料：板链流水线和链板输送线都是板链为输送材料的工业流水线；
（3）以滚筒为制作材料：这种输送设备就是滚筒输送线，依据有无动力需求可以分为动力滚筒线和无动力滚筒输送线；
（4）以倍速链为制作材料：以倍速链为输送载体的工业流水线叫倍速链输送线，俗称倍速链；
2.2使用介绍和特点。
（1）板链式装配流水线。
特点：承载的产品比较重，和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡；生产的节拍不是很快；以链板面作为承载，可以实现产品的平稳输送。
（2）滚筒输送线。
特点：承载的产品类型广泛，所受限制少；与阻挡器配合使用，可以实现产品的连续、节拍运行以及积放的功能；采用顶升平移装置，可以实现产品的离线返修或检测而不影响整个流水线的运行。
（3）皮带式流水线。
特点：承载的产品比较轻，形状限制少；和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡转向；以皮带作为载体和输送，可以实现产品的平稳输送，噪音小；可以实现轻型物料或产品较长距离的输送。
（4）倍速链输送线。
特点：倍速链输送流水线采用倍速链牵引，工装板可以自由传送，采用阻挡器定位使工件自由运动或停止，工件在两端可以自动顶升，横移过渡。还可以在线可设旋转、专机、检测设备、机械手等。
（5）最后，我们选择倍速链输送线，其大致结构如图1：
3. 设备网络拓扑选择
本系统是采用PLC做为控制系统，不扩展只默认一个网口，为减少成本的增加，同时满足后续的扩展性，最后添加一个10网口的交换机，以星型结构为以太网拓扑结构（见图2）。
（1）星形拓扑。
星形拓扑是由中央节点和通过点到到通信链路接到中央节点的各个站点组成。
优点：控制简单，故障诊断和隔离容易，方便服务。
缺点：电缆长度和安装工作量可观；中央节点的负担较重，形成瓶颈；各站点的分布处理能力较低。
（2）总线拓扑。
总线拓扑结构采用一个信道作为传输媒体，所有站点都通过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上，该公共传输媒体即称为总线。
优点：总线结构所需要的电缆数量少；总线结构简单，又是无源工作，有较高的可靠性；易于扩充，增加或减少用户比较方便。 缺点：总线的传输距离有限，通信范围受到限制；故障诊断和隔离较困难；分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时功能。
（3）环形拓扑。
环形拓扑网络由站点和连接站的链路組成一个闭合环。
优点：电缆长度短；增加或减少工作站时，仅需简单的连接操作；可使用光纤。
缺点：节点的故障会引起全网故障；故障检测困难；环形拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传达室递的方式，在负载很轻时，信道利用率相对来说就比较低。
（4）树形拓扑。
树形拓扑从总线拓扑演变而来，形状像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支。
优点：易于扩展；故障隔离较容易。
缺点：各个节点对根的依赖性太大。
4. 控制系统硬件模块化
（1）为了达到模块扩展的简易性与稳定性，还要低成本，我们选择了Devicenet现场总线方式做为控制系统的网络结构。
（2）Devicenet是90年代中期发展起来的一种基于CAN（Controller Area Network）技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络，最初由美国Rockwell公司开发应用。
（3）Devicenet是一种低成本的通讯总线。它将工业设备（如：限位开关，光电传感器，阀组，马达启动器，过程传感器，条形码读取器，变频驱动器，面板显示器和操作员接口）连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本。直接互连性改善了设备间的通讯，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。
（4）Devicenet是一种简单的网络解决方案，它在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。简化配线，避免了潜在的错误点，减少劳动力资源并节省了安装空间。
（5）Devicenet是一个开放的网络标准。
（6）Devicenet的许多特性沿袭于CAN，CAN总线是一种设计良好的通信总线，它主要用于实时传输控制数据。
5. 流水线系统结构模块化（见图4）
（1）缺料：当S4感应器OFF，且阻挡Z2阻挡中，做一个延时，SET一个缺料信号；
（2）放料中：放料过程做个超时报警，当1秒钟S3还没ON，给用户一个提示；
（3）挡料：缺料信号SET前阻挡Z1，放料开始，当S3感应ON后，RESET前阻挡Z1；
（4）有料处理：当料盘运输到S4位置，做一个延时，就可在该位置进行其他自动化装配；
（5）信号处理：其他自动化装配完成后需要有交互信号告诉流水线可放行加工过的产品；阻挡Z2放行；
（6）过料处理：阻挡Z2放行后，感应S5信号ON，复位阻挡Z2；
6. 结论
（1）本系统对以太网星型串联多台设备，可实现各设备独立调试，控制简单，故障诊断，隔离容易，方便后期维护，便于前期开发。对后期设备级的扩展可在不影响在生产的设备基础上开发新设备，减少停机时间。
（2）对总线系统的应用，它在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。简化配线，避免了潜在的错误点，减少劳动力资源并节省了安装空间。
（3）结合现场设备运行情况，本系统是可满足智能工厂 对自动线的要求的，而且可降低类似自动线的开发难度，减少开发时间。
参考文献
[1]范永胜. 电气控制与PLC应用[M].北京：中国电力出版社， 2007.
[2]廖常初. 可编程序控制器应用技术[M].重庆：重庆大学出版社， 2001.
[3]台湾欧姆龙股份有限公司. OMRON PLC网络通信与NS人机界面 北京：科学出版社，2010.
[4]【德】乌尔里希.森德勒.邓敏，李现民 译 工业4.0 北京：机械工业出版社，2014.7.
【关键词】装配流水线；PLC；控制系统
【Abstract】4.0 for intelligent industrial plant， its automated assembly line design and summarized in order to adapt to the rapid response to market demand， mainly for fast system scalability， developed from the PLC control， modular design （including hardware， control logic， software programming， industrial Ethernet， fieldbus） several aspects， and ultimately achieve the rapid development of automatic assembly line requirements.
【Key words】Assembly lines；PLC；Control system
1. 前言
（1）近年来，国内产业升级，制造业做为主力军在工业4.0的东风鼓吹下，掀起了智能制造的新浪潮。工业4.0"项目主要分为三大主题：“智能工厂”， “智能生产”， “智能物流”。 “智能工厂” 重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；企业要发展，员工要劳动强度的降低，对现行的低效的人工流水线作业方式的升级改造为自动化的流水线生产，就是关键的一环，最总实现智能化工厂。
（2）在此背景下，工业自动化流水线的制造是个绕不开的话题，什么是自动线呢，自动生产线是由工件传送系统和控制系统，将一组自动机床和辅助设备按照工艺顺序联结起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统，简称自动线。目前，我 国能够生产完整的自动化生产线产品企业数量很少，天奇物流系统工程股份有限公司、华昌达智能装备股份有限公司、三丰智能输送装备股份有限公司等是我国自动化生產线产品龙头企业。未来自动化生产线行 业发展要开发新产品、新市场，扩大内需、培育新的增长点，增强自主创新能力和产业竞争力。保增长的关键是市场，而自动化生产线市场是需要开发的。自动化生 产线行业企业应加强技术创新、提高产品高薪技术含量、拥有自主知识产权，打造行业名牌是自动化生产线行业公司发展壮大的根本。
（3）而怎样实现自动化的流水线，需要对其控制原理及可扩展性做必要规划，本研究主要是对模块化扩展，网络化拓展进行研究与实践。
2. 系统流水线的选择
2.1本系统是靠工装板载物运输，线长约30米，并通过机械手对流水线上的产品上料到其他加工设备上进行组装，后下料到流水线，经流水线运送到下一加工工位，加工后进入下料皮带线，工装板由上下两条线循环运输。
针对工艺要求，对目前主流的几种工业流水线分析：
（1）以皮带线为制作材料：这种就是我们常说的皮带输送线或者叫皮带输送机；
（2）以板链为制作材料：板链流水线和链板输送线都是板链为输送材料的工业流水线；
（3）以滚筒为制作材料：这种输送设备就是滚筒输送线，依据有无动力需求可以分为动力滚筒线和无动力滚筒输送线；
（4）以倍速链为制作材料：以倍速链为输送载体的工业流水线叫倍速链输送线，俗称倍速链；
2.2使用介绍和特点。
（1）板链式装配流水线。
特点：承载的产品比较重，和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡；生产的节拍不是很快；以链板面作为承载，可以实现产品的平稳输送。
（2）滚筒输送线。
特点：承载的产品类型广泛，所受限制少；与阻挡器配合使用，可以实现产品的连续、节拍运行以及积放的功能；采用顶升平移装置，可以实现产品的离线返修或检测而不影响整个流水线的运行。
（3）皮带式流水线。
特点：承载的产品比较轻，形状限制少；和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡转向；以皮带作为载体和输送，可以实现产品的平稳输送，噪音小；可以实现轻型物料或产品较长距离的输送。
（4）倍速链输送线。
特点：倍速链输送流水线采用倍速链牵引，工装板可以自由传送，采用阻挡器定位使工件自由运动或停止，工件在两端可以自动顶升，横移过渡。还可以在线可设旋转、专机、检测设备、机械手等。
（5）最后，我们选择倍速链输送线，其大致结构如图1：
3. 设备网络拓扑选择
本系统是采用PLC做为控制系统，不扩展只默认一个网口，为减少成本的增加，同时满足后续的扩展性，最后添加一个10网口的交换机，以星型结构为以太网拓扑结构（见图2）。
（1）星形拓扑。
星形拓扑是由中央节点和通过点到到通信链路接到中央节点的各个站点组成。
优点：控制简单，故障诊断和隔离容易，方便服务。
缺点：电缆长度和安装工作量可观；中央节点的负担较重，形成瓶颈；各站点的分布处理能力较低。
（2）总线拓扑。
总线拓扑结构采用一个信道作为传输媒体，所有站点都通过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上，该公共传输媒体即称为总线。
优点：总线结构所需要的电缆数量少；总线结构简单，又是无源工作，有较高的可靠性；易于扩充，增加或减少用户比较方便。 缺点：总线的传输距离有限，通信范围受到限制；故障诊断和隔离较困难；分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时功能。
（3）环形拓扑。
环形拓扑网络由站点和连接站的链路組成一个闭合环。
优点：电缆长度短；增加或减少工作站时，仅需简单的连接操作；可使用光纤。
缺点：节点的故障会引起全网故障；故障检测困难；环形拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传达室递的方式，在负载很轻时，信道利用率相对来说就比较低。
（4）树形拓扑。
树形拓扑从总线拓扑演变而来，形状像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支。
优点：易于扩展；故障隔离较容易。
缺点：各个节点对根的依赖性太大。
4. 控制系统硬件模块化
（1）为了达到模块扩展的简易性与稳定性，还要低成本，我们选择了Devicenet现场总线方式做为控制系统的网络结构。
（2）Devicenet是90年代中期发展起来的一种基于CAN（Controller Area Network）技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络，最初由美国Rockwell公司开发应用。
（3）Devicenet是一种低成本的通讯总线。它将工业设备（如：限位开关，光电传感器，阀组，马达启动器，过程传感器，条形码读取器，变频驱动器，面板显示器和操作员接口）连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本。直接互连性改善了设备间的通讯，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。
（4）Devicenet是一种简单的网络解决方案，它在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。简化配线，避免了潜在的错误点，减少劳动力资源并节省了安装空间。
（5）Devicenet是一个开放的网络标准。
（6）Devicenet的许多特性沿袭于CAN，CAN总线是一种设计良好的通信总线，它主要用于实时传输控制数据。
5. 流水线系统结构模块化（见图4）
（1）缺料：当S4感应器OFF，且阻挡Z2阻挡中，做一个延时，SET一个缺料信号；
（2）放料中：放料过程做个超时报警，当1秒钟S3还没ON，给用户一个提示；
（3）挡料：缺料信号SET前阻挡Z1，放料开始，当S3感应ON后，RESET前阻挡Z1；
（4）有料处理：当料盘运输到S4位置，做一个延时，就可在该位置进行其他自动化装配；
（5）信号处理：其他自动化装配完成后需要有交互信号告诉流水线可放行加工过的产品；阻挡Z2放行；
（6）过料处理：阻挡Z2放行后，感应S5信号ON，复位阻挡Z2；
6. 结论
（1）本系统对以太网星型串联多台设备，可实现各设备独立调试，控制简单，故障诊断，隔离容易，方便后期维护，便于前期开发。对后期设备级的扩展可在不影响在生产的设备基础上开发新设备，减少停机时间。
（2）对总线系统的应用，它在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。简化配线，避免了潜在的错误点，减少劳动力资源并节省了安装空间。
（3）结合现场设备运行情况，本系统是可满足智能工厂 对自动线的要求的，而且可降低类似自动线的开发难度，减少开发时间。
参考文献
[1]范永胜. 电气控制与PLC应用[M].北京：中国电力出版社， 2007.
[2]廖常初. 可编程序控制器应用技术[M].重庆：重庆大学出版社， 2001.
[3]台湾欧姆龙股份有限公司. OMRON PLC网络通信与NS人机界面 北京：科学出版社，2010.
[4]【德】乌尔里希.森德勒.邓敏，李现民 译 工业4.0 北京：机械工业出版社，2014.7.