廢舊鋼桶翻新自動化生產線系統設計（5）-系統調試與試驗

文/解俊強

第5章 系統調試與試驗

系統的調試方案主要分為三個部分：實驗室模擬調試、控制柜調試和現場調試。系統調試的整體構成如圖5-1所示。三個部分調試的工作內容和目的不同，模擬調試是驗證控系統的軟件系統部分可行性；控制柜調試是測試系統組成部分是否能正常工作，比如傳感器能否正常工作等問題，排除掉壞通道等故障，保證軟件系統的正常運行；完成以上兩個調試部分已基本排除系統的硬件和軟件兩方面的邏輯以及故障等問題，下一步進行系統的現場調試，現場調試要完成五項調試工作：PLC硬件調試、控制柜現場調試、上位機監控軟件調試、控制系統聯合調試和控制柜、電氣柜的聯合調試以及整體和現場的最終調試。 系統實驗是在調試工作完成的基礎上對控制系統進行的測試實驗，驗證控制系統是否滿足工藝要求。

圖5-1 統調試的整體構成

5.1 實驗室模擬調試

本文主要從實驗室模擬調試和現場運行調試兩大方面進行調試工作。實驗室模擬調試是通過仿真軟件PLCSIM對設計完成的PLC程序進行調試。

本文現場位于天津市濱海新區天津瑞馳船舶機械有限公司廠房內，由于生產線的機械結構仍在優化階段，所以控制系統的調試處于測試階段，而且現場環境伴隨著噪聲、灰塵、高壓電流等復雜惡劣因素，調試現場與實驗室距離又遠，通過PLCSIM進行實驗室模擬調試的方式既安全又經濟。依照系統調試方法分別設計了單獨調試和聯合調試兩步調試方案。單獨調試方案是應用PLCSIM軟件分別模擬PLC和WinCC組態運行。單獨調試內容方案如表5-1所示。

表5-1 單獨調試內容方案

聯合調試內容方案如表5-2所示。

表5-2 聯合調試內容方案

實驗室模擬調試需要的設備包括：計算機、觸控屏、WinCC組態軟件、S7-200編程軟件、一條交叉網絡線和一條MPI通信線等。調試目的是保證觸控屏、PC與PLC的正常工作，尤其是三者之間的正常通信，驗證三者之間I/O點分配的一致性。

5.2 控制現場調試

在模擬調試的基礎上進行現場調試工作，現場調試是先對各模塊進行單獨調試。在模擬調試基礎上，現場調試工作依照以下流程進行：

1）I/O點調試

具體工作方法是先進行計算機與PLC現場通信，將控制程序下載到PLC中；然后將PLC的狀態調到STOP位置，通過計算機對程序中變量的控制驗證生產線中I/O點是否與程序一一對應，實際工程中也可以從直流開關電源引出一條24V+的調試線，通過核對I/O點統計表用點動調試的方式驗證輸入輸出是否一一對應。

調試過程中如果出現不對應的點位，需要從三個方面進行修正：第一方面要查看生產線的輸入輸出是否正確，原因可能出現在執行機構，例如氣缸的氣路接反，也可能會出現感應開關損壞等問題；第二方面要查看接入控制柜的外圍線路是否正確或者有無松動等現象；第三方面確定控制柜的接線狀況，例如PLC有無損壞，接線端口有無壞點或者松動等情況。在調試過程中會出現其他方面問題，例如調試過程中出現在三號控制柜的PLC指示燈非正常閃爍問題，雖然在調試中沒有顯現對程序運行的影響，但確是不可忽視的安全隱患。在排除PLC等硬件故障后，通過示波器找到了信號干擾是由于外圍線路復雜，而其中幾條信號線使用的是非屏蔽線，導致強電電纜對信號線形成了干擾，通過工程人員更換帶屏蔽信號的信號線解決了信號干擾問題。

2）運行調試

因為調試過程會出現不可預測的情況，調試時需要3-4人配合工作。核對好輸入輸出點位后，運行程序之前先將PLC狀態調到RUN，讓PLC處于運行狀態；然后按下控制柜的啟動按鈕，生產線按照程序自動運行。運行過程中出現緊急情況要按下急停，解決故障問題之后，先對生產線復位再運行。調試具體調試方法如下：

第一步，對生產線進行空載自動運行。

調試內容：工藝流程調試、緊急停止和復位。工藝流程調試是在空載條件下測試控制系統的運行是否滿足生產線工藝流程；緊急停止要保證當生產線處于任何工作狀態時都可以通過急停按鈕讓生產線停止運行，從而保證生產線不會因為故障而出現更大損失；復位要求要能滿足生產線在復位過程中動作安全合理，例如在任意時刻復位時不能發生機械結構之間鉤掛碰撞等現象。
調試問題：空載自動運行工藝節拍如下表5-3所示：

表5-3 實驗調試工藝節拍

解決方法：系統整體的節拍要通過在程序中設定計時器的值控制輸出的動作時間實現的。調試時流程工藝節拍緊湊，達到了廠方的控制要求，而存在與生產線設計時間節拍不一致的原因在于執行機構為氣缸、油缸和電動機，因為氣缸或油缸的動作時間由控制回路的壓力決定的，解決方法是保證控制回路的壓力在一定范圍內即可讓節拍符合控制要求，同時為保證各模塊之間的配合穩定安全，留出了一定的時間余量。

第二步，對生產線進行加載自動運行。

調試內容：模塊加載調試、全線加載調試。模塊加載調試是對油桶加溫模塊、油桶噴砂模塊、油桶整形模塊和油桶拋光模塊分別進行工藝調試，因為各模塊之間是相對獨立的，在空載運行調試符合控制要求的基礎上，對某一模塊單元進行加載調試不會影響到其他模塊的正常運行；全線加載是在每個工位上都加上油桶，對生產線進行自動運行測試，測試生產線是否滿足實際功能控制要求。各模塊調試現場如圖5-2所示：

圖5-2 各模塊調試現場

調試問題：整體加載運行調試的問題較多，但主要包括兩方面：生產線本體設計和控制系統設計。例如噴砂模塊油桶的輸送，在最初的設計中是依靠氣缸控制翻桶架將油桶在噴砂機之間進行輸送，這樣的輸送方式在程序復位時不能滿足生產線控制要求，而且由于油桶的特性，在生產線運行過程中往往會出現油桶彈出工位的狀況，更嚴重的是油桶輸送不到位會導致噴砂機直接夾扁油桶。因此生產線本體的設計把翻桶的輸送方式變為桁架機械手輸送，從而達到了更好的運行和控制效果。

5.3 系統測試試驗

試驗設備與材料包括：油桶翻新生產線、生產線控制系統、待翻新的油桶100支；試驗環境為天津市濱海新區天津瑞馳船舶機械有限公司設備廠房；試驗人數13人。

試驗方法：

1）生產線分配3名工人操作，油桶翻新生產線理論上一支油桶用時為33min，當油桶布滿全線時加工節拍為每1.5min出一支桶，翻新50支油桶用時為33+1.5（50-1）=73.5min。以73.5min為時間定量，測試在規定時間內加工50支油桶，是否能到達“有效工作率=有效加工數/油桶總數≥80%”的測試指標，得出系統的有效工作概率。

2）選擇10名油桶翻新工人對50支油桶進行人工翻新，每名工人分配10支油桶，以73.5min為時限，統計油桶翻新效率。下表5-4生產線加工50支油桶，試驗10次得到的效率統計；表5-5為10名工人加工50支油桶，試驗1次得到的效率統計。

表5-4 生產線加工50支油桶的有效概率

表5-5 人工加工50支油桶的有效概率

從試驗數據中可以看出：

1）油桶翻新生產線自動運行對50支油桶進行10次加工測試試驗，除了出現故障的兩次試驗，生產線的有效加工率達到80%以上，達到廠房研發階段的控制要求。但問題也很明顯：出現的兩次系統故障，第一次故障原因是拋光工位機械手爪未加緊油桶，在拋光時導致油桶彈出失效；第二次故障是由于生產線加工時的振動兩次導致傳感器松動失效，一次由于油桶變形嚴重導致在整形機出不能整形失效。

2）與人工翻新相比，生產線的工作效率是人工翻新效率的10倍左右，有效工作概率是人工的4-5倍左右。試驗結論：達到測試階段階段控制要求，控制系統還需要進一步從以下幾方面完善：

1）模塊的程序結構需要優化，通過這次試驗暴露了一些工藝流程中存在的問題，如整形模塊，在控制整形機時，由于整形機的整形輥子為懸臂梁結構，見圖3-4，而且在整形時油桶處于單邊受力的狀態，導致油桶整形很不穩定，在控制上要對油桶采用分段整形的方式才能完成油桶整體整形。

2）生產線振動嚴重，容易導致控制系統失效，機械結構需要優化。

3）程序結構需要做調整，從試驗中可以看出在正常工作情況下總是有兩支油桶不能在規定時間內加工完成，需要進一步分析工藝流程優化程序結構，提高加工效率。 

5.4 本章小結 

本章完成了油桶翻新生產線控制系統總體調試工作，并在此基礎上對油桶翻新生產線進行了測試試驗，在廢舊油桶翻系生產線現在的研發階段內，實現了基于PLC的廢舊油桶翻新生產線控制系統設計，但控制系統需要在以后的工作中繼續從優化模塊的程序結構方向上繼續完善，提高系統的可靠性。

結論與展望

本文經過一年多的研究與實踐，已基本完成了廢舊油桶翻新生產線的各項功能控制目標。主要研究任務是PLC控制系統和監控系統設計與實現，并且經過了對系統的仿真調試及現場調試，達到了生產線控制要求。在項目研發中，經過對PLC，Win CC和以太網知識進行系統的學習，在調試系統過程中也積累了的一些實踐經驗，現總結如下： 

1）根據油桶翻新生產線的功能要求和工藝流程，通過系統模塊化設計方案解決了油桶翻新存在的設備功能單一、生產效率低等問題。

2）完成了廢舊油桶翻新生產線控制系統總體方案設計。搭建了基于DCS的三層架構控制系統；利用MPI、PROFIBUS-DP、PROFINET等通信技術完成了系統層級之間的信息交互，提高了系統通信效率；采用上位機+PLC為控制模型，實現了控制系統可視化操作。

3）完成了該生產線的控制系統設計。以模塊為單元對工藝流程進行深入研究，根據控制流程分配了系統的I/O點，設計了控制柜的整體結構，完成了控制柜硬件設計；開發了基于PLC的控制系統和監控系統：利用STEP7設計PLC梯形圖程序，二次開發WinCC組態軟件設計了該生產線的人機交互界面。

4）完成了系統調試與試驗測試。基于PLCSIM仿真軟件對該生產線進行了仿真分析，完成了對生產線設備的現場調試，通過對生產線油桶翻新測試試驗的設計與研究，試驗結果表明該生產線的工作效率可以達到每支桶1.5min，相比于人工每支桶15min，可以提高10倍左右的生產效率，而且提高了油桶的翻新質量。

本文對廢舊油桶翻新生產線的研發完成了初步調試工作，目前實際運行的各項系統功能需要繼續完善： 

1）需要對生產線的實際加工情況進行跟進總結，進一步優化系統結構。

2）需要加強實時監控功能。引入CUD攝像頭以后將現場情形直接反應到工業電視上，界面更加直觀方便。

機械本體研發還存在很多問題，例如振動、噪聲等需要解決；控制系統的設計也只是實現了研發階段的功能測試，還需要跟隨著生產線的本體優化繼續升級，進一步保證系統可靠性同時，優化模塊的程序結構，加快生產線加工效率。