一種基于PLC的多工藝調(diào)度實(shí)現(xiàn)方法
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作者：張毅
在自動(dòng)化控制過(guò)程中，PLC由于具有可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定、功能齊全、并且程序編寫(xiě)相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。本文在分析了生產(chǎn)需求和現(xiàn)場(chǎng)條件后，開(kāi)發(fā)了基于PLC的多工藝調(diào)度方法，降低了控制系統(tǒng)的成本，實(shí)現(xiàn)了較高程度的自動(dòng)化生產(chǎn)。
1 多工藝調(diào)度需求分析
1.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及工藝簡(jiǎn)介
根據(jù)陽(yáng)極氧化工藝流程及對(duì)該企業(yè)產(chǎn)品的需求，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備共有28個(gè)槽位，1個(gè)掛件位，1個(gè)卸件位，共30個(gè)工位。在生產(chǎn)過(guò)程中，工件的移載是由兩個(gè)行車完成，行車上裝有吊鉤負(fù)責(zé)工件的起降運(yùn)動(dòng)，行車的前后運(yùn)動(dòng)和吊鉤的升降運(yùn)動(dòng)分別由兩個(gè)電機(jī)拖動(dòng)。行車的行程范圍及現(xiàn)場(chǎng)槽位的布置如圖1所示。
由于產(chǎn)品的多樣性，該生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)4套工藝：硬質(zhì)氧化1、硬質(zhì)氧化2、普通氧化和鉻酸氧化。各工藝所經(jīng)過(guò)的工位號(hào)各不相同，但是各工位所需處理時(shí)間確定，各工藝流程如表1所示。其中，括號(hào)前的數(shù)字代表工位號(hào)，括號(hào)里的數(shù)字代表該工位的處理時(shí)間，單位為min。1#工位和30#工位是手工操作位，時(shí)間不計(jì)入自動(dòng)控制系統(tǒng)。
1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
該自動(dòng)控制系統(tǒng)選用PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，上位機(jī)作為中央控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的輸入、數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。根據(jù)工藝參數(shù)的復(fù)雜性、行車的工藝流程、多工藝并行的要求，對(duì)PLC的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備采用PROFIBUS-DP通信建立主從站結(jié)構(gòu)，PLC S7-300作為主站，兩個(gè)PLC S7- 200作為從站，分布于兩個(gè)行車上。
2調(diào)度方法設(shè)計(jì)
2.1 調(diào)度流程
多工藝調(diào)度是依靠PLC程序?qū)崿F(xiàn)的，調(diào)度流程可描述為：通過(guò)上位機(jī)選擇工藝并輸入工藝參數(shù)，工藝開(kāi)始后，上位機(jī)將工藝指令下達(dá)給主站PLC S7-300，由主站PLC作出工藝調(diào)度運(yùn)算，再將指令下發(fā)到相應(yīng)的從站PLC S7-200．執(zhí)行工藝生產(chǎn)。
主站PLC的調(diào)度運(yùn)算包括現(xiàn)場(chǎng)資源搶占分析、多工藝指令存儲(chǔ)和調(diào)取等關(guān)鍵問(wèn)題。
2.2 資源搶占分析
依據(jù)陽(yáng)極氧化生產(chǎn)線的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和工藝特點(diǎn)，多工藝同時(shí)運(yùn)行時(shí)須確保各工藝相互不沖突。由于各工藝運(yùn)行時(shí)行車和處理槽為共用設(shè)備，因此在多工藝生產(chǎn)時(shí)將有可能出現(xiàn)公共資源搶占的問(wèn)題，如兩工藝同時(shí)調(diào)用同一個(gè)行車，或者兩工藝同時(shí)占用同一個(gè)工位，這必將造成工藝沖突，使生產(chǎn)無(wú)法正常進(jìn)行，這是多工藝調(diào)度所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
為解決資源搶占問(wèn)題，需要在工藝開(kāi)始之前進(jìn)行資源搶占分析，做好預(yù)判，防止在多工藝運(yùn)行中發(fā)生沖突。
2.2.1 行車資源搶占分析
行車作為工件的移載工具，是整個(gè)系統(tǒng)中調(diào)用最為頻繁的，當(dāng)新指令下發(fā)后，需要行車將工件調(diào)往相應(yīng)的指令工位；工件開(kāi)始處理時(shí)，行車閑置，此時(shí)其他工藝可以調(diào)用行車。為實(shí)現(xiàn)預(yù)判，將行車資源以時(shí)間軸上延拓展開(kāi)的方式進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，該算法設(shè)計(jì)包括時(shí)間軸的建立、時(shí)間軸的推移和時(shí)間軸與運(yùn)算。
(1)時(shí)間軸的建立。每個(gè)工藝都將調(diào)用兩個(gè)行車，而兩個(gè)行車的調(diào)用是相對(duì)獨(dú)立的，因此在進(jìn)行行車資源分析時(shí)需將這兩個(gè)行車分別分析，即要建立對(duì)應(yīng)行車1和行車2的兩條時(shí)間軸。時(shí)間軸是一條連續(xù)的資源占用時(shí)間節(jié)點(diǎn)軸，因此在PLC S7-300的位存儲(chǔ)區(qū)（M區(qū)）開(kāi)辟了連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)域，各工藝時(shí)間軸存儲(chǔ)區(qū)域如表2所示。
時(shí)間軸采用了0和1變量用以區(qū)別行車的占用與閑置狀態(tài)，設(shè)計(jì)方法如下：各工藝的時(shí)間單位均為min，行車每次調(diào)用時(shí)間為1min，那么在相應(yīng)的時(shí)間軸M區(qū)域內(nèi)，以1個(gè)位代表1min，該位的狀態(tài)為1，則表示這1 min行車被占用；該位的狀態(tài)為O，則表示這1 min行車閑置。
時(shí)間軸的建立過(guò)程：當(dāng)上位機(jī)完成參數(shù)設(shè)定、選定工藝并開(kāi)始該工藝后，該工藝的參數(shù)將下發(fā)到主站PLC S7-300，自動(dòng)生成時(shí)間軸。以硬質(zhì)氧化1為例，當(dāng)參數(shù)下發(fā)，以12#工位為界，12#工位前的時(shí)間參數(shù)建立行車1時(shí)間軸，12#工位后的時(shí)間參數(shù)建立行車2的時(shí)間軸。行車1的時(shí)間軸輸入是按11#工位至2#工位的順序，先把M300.O置l，再采用右移指令輸入，如11#工位時(shí)間為n，則時(shí)間軸向右移動(dòng)n+1位，移出的空位用O補(bǔ)充，再次將M300.0置1，以此循環(huán)，直至將2#工位時(shí)間參數(shù)輸入。那么行車1的時(shí)間軸就為：
行車2的時(shí)間軸輸入順序是從29#工位到13#工位，前12個(gè)工位時(shí)間全部輸入為o。那么行車2的時(shí)間軸為：
(2)時(shí)間軸移動(dòng)。隨著該工藝的執(zhí)行，時(shí)間軸應(yīng)該跟隨實(shí)際情況動(dòng)態(tài)變化。以硬質(zhì)氧化1為例，當(dāng)行車1被調(diào)用時(shí)，行車1和行車2時(shí)間軸即向左移動(dòng)一位，當(dāng)工件進(jìn)入指令工位后，在PLC程序中設(shè)置一個(gè)計(jì)時(shí)器，每過(guò)1 min，行車1和行車2時(shí)間軸向左移動(dòng)一位，移出的空位用O補(bǔ)充，當(dāng)工件進(jìn)入12#工位，行車1自動(dòng)回到掛件位，行車1的時(shí)間軸就全部為0。行車1調(diào)用時(shí)，行車2時(shí)間軸的移動(dòng)過(guò)程與行車1-樣，行車2調(diào)用時(shí)，行車l的時(shí)間軸已經(jīng)為0，不再左移，只有行車2時(shí)間軸移動(dòng)。該工藝執(zhí)行完成，行車1和行車2的時(shí)間軸均為0。
(3)時(shí)間軸與運(yùn)算。時(shí)間軸作為行車資源搶占分析是通過(guò)與運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的，即當(dāng)新工藝開(kāi)始時(shí)，如果已有工藝正在執(zhí)行，那么就將該工藝的時(shí)間軸與已在執(zhí)行工藝的時(shí)間軸逐位進(jìn)行與運(yùn)算，若結(jié)果全為0，則行車資源不沖突，可以開(kāi)始新工藝；若結(jié)果存在1，則行車資源沖突，不能開(kāi)始新工藝。
2.2.2工位資源搶占分析
工位的搶占情況即為兩個(gè)工藝需要使用該工位的時(shí)間有重疊部分，為解決這一問(wèn)題，則每個(gè)工位需要兩個(gè)整數(shù)型數(shù)據(jù)（4個(gè)字節(jié)）記錄該工藝各工位占用的起止時(shí)間，為留有一定的裕度，在PLC S7-300 M區(qū)各工藝的時(shí)間節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)區(qū)域?yàn)椋河操|(zhì)氧化1，MW900～MW10 56；硬質(zhì)氧化2，MW1100～MW1256；普通氧化，MW1300～MW1456;鉻酸氧化，MW1500～MW1656。
以硬質(zhì)氧化1為例，各工藝工位起止時(shí)間存儲(chǔ)方式如下：2#工位為第一個(gè)自動(dòng)處理工位，處理時(shí)間為1min，則其開(kāi)始時(shí)間為0，存儲(chǔ)于MW900，結(jié)束時(shí)間為1，存儲(chǔ)于MW902;3#工位的處理時(shí)間為1min，則其起止時(shí)間為1和2，分別存儲(chǔ)于MW904和MW906；若該工位處理時(shí)間為O，則其起止時(shí)間都存為O，以此類推。與時(shí)間軸一樣，起止時(shí)間也是隨時(shí)間變化的，當(dāng)工件進(jìn)入某一工位開(kāi)始處理時(shí)，每過(guò)1min，該工藝所有工位起止時(shí)間均減1，直至為O。
工位資源搶占分析就是用各工位起止時(shí)間作交集運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)新工藝開(kāi)始時(shí)，若已有工藝正在執(zhí)行，就將各工位對(duì)應(yīng)起止時(shí)間求交運(yùn)算，若全為空集，則沒(méi)有工位沖突，可以開(kāi)始新工藝；若存在交集，則有工位沖突，不能開(kāi)始新工藝。
2.3 多工藝指令存儲(chǔ)和調(diào)取
2.3.1指令存儲(chǔ)
在上位機(jī)上設(shè)定指令參數(shù)并下載到主站PLC中，必須確保各工藝指令相互獨(dú)立，因此，應(yīng)用堆棧的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特性存儲(chǔ)多工藝指令。堆和棧是兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但都是數(shù)據(jù)項(xiàng)按序排列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在該運(yùn)算中所應(yīng)用的并非原本意義的堆棧，而只是堆棧按序排列的數(shù)據(jù)特性，即在PLC S7-300 M區(qū)開(kāi)辟連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)域按序存儲(chǔ)各工藝指令：硬質(zhì)氧化1，MW500～MW579；硬質(zhì)氧化2，MW600～MW679;普通氧化，MW700～MW779;鉻酸氧化，MW800～MW879。將各工藝從2#到29#工位時(shí)間參數(shù)指令按順序分別存儲(chǔ)于各自的存儲(chǔ)區(qū)域，該方式的優(yōu)點(diǎn)是各工藝指令互不影響并且各自連續(xù)，在多工藝并行時(shí)，既不會(huì)造成誤操作其他工藝指令，也保證了該工藝指令執(zhí)行的連續(xù)性，避免發(fā)生遺漏指令的錯(cuò)誤。
2.3.2指令調(diào)取
在多工藝并行時(shí)，各工藝指令的調(diào)取也應(yīng)該相互獨(dú)立，當(dāng)滿足工藝指令調(diào)取條件時(shí)，則調(diào)取該工藝相應(yīng)的指令，并記錄該指令位置，再次調(diào)取該工藝指令時(shí)能準(zhǔn)確調(diào)取下一指令，而其他工藝指令不被調(diào)取，保持記錄狀態(tài)。
在各工藝執(zhí)行程序中各設(shè)置一個(gè)指針變量，工藝開(kāi)始時(shí)，指針變量指向該工藝初始指令地址，當(dāng)調(diào)取條件滿足時(shí)，就把地址中的指令下發(fā)，指針變量通過(guò)運(yùn)算，自動(dòng)指向下一指令地址，并保持記錄，直到該工藝調(diào)取指令條件再次滿足，以此循環(huán)。當(dāng)該工藝執(zhí)行完畢后，指針變量又重新指向初始指令。這個(gè)過(guò)程的PLC程序段如下：
3結(jié)束語(yǔ)
全面分析了生產(chǎn)系統(tǒng)的現(xiàn)有資源和生產(chǎn)需求情況，開(kāi)發(fā)了基于PLC的多工藝調(diào)度方法，降低了控制系統(tǒng)的成本，且實(shí)現(xiàn)了較高程度的自動(dòng)化生產(chǎn)�；谠撜{(diào)度方法的生產(chǎn)控制系統(tǒng)已投入使用，極大地提高了生產(chǎn)效率。
4摘要：為了提高生產(chǎn)效率，提出了基于PLC的多工藝調(diào)度實(shí)現(xiàn)方法。結(jié)合工藝參數(shù)，建立各工藝時(shí)間軸模型用以調(diào)度分析，針對(duì)多工藝并行過(guò)程中指令復(fù)雜的問(wèn)題，在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)用了堆棧按序排列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特性，有效地實(shí)現(xiàn)了指令的連續(xù)性，并應(yīng)用指針變量作為取指令的方式，解決了各工藝之間獨(dú)立性的問(wèn)題。應(yīng)用結(jié)果表明，該方法有效地解決了多工藝調(diào)度的問(wèn)題。
