第一章 绪论
1.1 选题的背景与意义
中国家电的发展经历了长久的历程，从初期的大件电视机到现在的微波炉小家电，在我们的日常生活中出现了越来越多的家电商品。在家电产业发展的历史长河中，改革开放是一个重要的契机。这个契机为家电产业的发展和逐渐走向成熟，提供了发展动力，使家电产业成为了一个朝阳行业。
我国的家电发展，经历了三个阶段。第一个阶段，1949 年到 1979 年。这个阶段的家电和现在相比，已经不是我们传统意义上理解的家电了，主要是自行车、缝纫机、风扇，老一代人日常生活的必需品。第二阶段，从改革开放到 1989 年。这一阶段，随着电力行业的发展，人均收入和购买能力的增长，新的“三大件”等家用电器开始走进人民的生活，家电行业也得到了迅速的发展。第三阶段，从 1990 年至今。这一阶段时间，中国的家电产业在有了质的飞跃，无论是产品的质量还是企业的发展都取得了很大的进步。电冰箱、彩电和洗衣机等电器已经是我们日常生活的必需品，各家电生产厂商也都在不断的研发新的产品和扩大生产规模以便占有更大的市场[1]。
随着中国经济的发展，越来越多的家电商品进入了普通人民家庭。最近几年国家为了提高家电行业的发展，更是推广了家电下乡活动，使普通老百姓都能用上家电。2017 年大家电行业整体规模超 600 亿！增幅高达 65%，产品平均单价略微增长，但单个用户购买的数量在上升，客户单价大幅拉升 13.8%，可见复购率与整体配套关联销售呈上升趋势[2]。2010-2017 年，我国冰箱行业总体而言较为冷淡，尤其是在“家电下乡补贴政策”结束后的 5 年内（2013-2017 年），国内冰箱行业产能除了 2016 年出现上涨，其余各年均有下滑态势。2017 年国内冰箱产能为 8670.3 万台，同比下降 6.15%；2018年一季度国内冰箱产能为 1760.6 万台，同比下降 2.30%。在目前国内冰箱保有量接近于饱和的情况下，提高内需的一大法宝就是利用创新生产出更加优秀更加前卫的产品，尤其是可以颠覆以往人们认知的产品。这样才可以促使人们选择更新换代，有效的扩大内需。目前，为了提高产品在市场上的竞争力，各冰箱生产厂家都在想法设法来研制新的产品。有些厂家结合物联网和信息处理技术，研制能够记录食品保质期的智能冰箱，但是研发周期较长见效较慢。更多的厂家是优化冰箱的外型结构和增加款式，这样不仅投资少而且实施较快[3-4]。
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1.2 课题研究现状
1.2.1 工业发展历程
从近代社会来看，工业是一个民族发展的根本，也是一个民族经济的基础，一个强大的国家工业必须发达。从 18 世纪至今，已经发生了四次工业革命。
第一次工业革命，18 世纪 60 年代，首次出现了机器，人们的生产方式从以前的手工劳动场所逐渐向工厂过渡，逐步实现了生产的机械化。
第二次工业革命，19 世纪最后 30 年和 20 世纪初，世界进入“电气时代”，在这个时代，电气工业迅速发展起来，原来的机械动力也逐步由“蒸汽”向“电力”过渡，电力在生产和生活中得到广泛的应用。
第三次工业革命，20 世纪四五十年代，随着计算机、微电子、人工智能以及高科技技术方面的发展，社会发生了翻天覆地的变化，也影响了人类的生活和思维方式，使人类社会发展的更快。
第四次工业革命，20 世纪后期，以系统科学的兴起到系统生物科学的形成为标志，系统科学、计算机科学、纳米科学与生命科学的理论与技术整合，形成系统生物科学与技术体系，包括系统生物学与合成生物学、系统遗传学与系统生物工程、系统医学与系统生物技术等学科体系，将导致的是转化医学、生物工业的产业革命[5-7]。
1.2.2 电气自动化发展与现状
随着社会和经济的发展，电气自动化在诸多行业都得到了广泛应用，从基础建筑业到航天高科技，无不存在电气自动化的身影，其中应用最广泛的当属工业和电力。电气自动化的提高及有效使用能够全面提高工作质量以及工作效率，使企业经济效益最大化。为了确保电气自动化的更好发展，国家已制定了一系列的标准，以提高相关设备的通用性。进入 21 世纪，电气工程及其自动化技术不断得到完善和更新，并且将计算机信息技术与电气自动化有效融合，能够全面提升电气自动化整个系统的质量和工作效率，成为我国经济长期发展的重要保障[8]。
电气工程设备在长时间的运行过程中难免会出现机器故障，由于电气工程系统复杂，出现故障后很难立马查找出问题的部位，这样会需要花费大量的时间和精力对设备逐一进行排查，造成工作效率低、效果差，也势必会影响到电气工程设备的正常运行，同时也会造成大量的资源浪费。在电气工程中应用计算机科技等智能化技术能够迅速排查电气工程设备中出现故障的部位，同时对故障状况进行详细的记录，提高故障排查的效率。提高系统故障检测的安全可靠性。另外智能化技术的应用能够实现对于软件运行的检测，一旦软件运行出现故障，系统可以发送指令提醒工作人员对软件进行调试，更好的保障系统的正常运行[9-10]。
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第二章 生产线本体设计方案
2.1 功能及性能指标
（1）设备产品规格： 设备用来生产冰箱 U 壳、侧板，原材料为冷轧钢板，产品型号为拼装侧板型号 BCD-155，U 壳 BCD-280W。板材厚度为 0.4～0.6 mm，以0.5mm 为产品验收标准，成型宽度为 470～610mm，成型高度 1050～1820mm，成型深度 430～680mm；
（2）设备整体功能：生产线高度，在侧板流动路径平面的高度距离地面 900mm。生产 U 壳、拼装侧板产品，合格率等于或大于 99%以上（1000 件以上），1000 件以内合格率 100%。设备加工精度要求，冲裁精度误差不大于±0.1mm，成型精度误差不大于±0.3mm，辊轧成型精度误差不大于±0.2mm，其余未提及的精度符合买方产品图纸要求。系统提供外部取数接口，允许外部取数及远程控制；
（3）设备产能要求：U 壳生产≤18S（从上料到 U 壳成型下线时间），拼装侧板生产≤15S/2 片（生产时满足双边折 L 和满足单侧板生产）。加工品种转换时间，在无需换冲裁模具时 5 分/人，达到不停机连续转换，需更换冲裁模具时 30 分/2 人。操作人数在正常运行时 2 人，换模具时 2 人；
（4）安全要求：冲床有的安全保护光幕（4 套）。辊轧带有大于 4mm 有机玻璃防护罩，在设备宽度调节范围内可以正常调节并可以整体取下，分段安装，每段重量不超过 30kg，防护罩安装自动保护开关，打开设备自动停机。设备上所有传动带、转轴、传动链、联轴节、带轮、齿轮、飞轮、链轮等危险零部件及危险部位，都具备防护装置。辊轧和上板，必须有双板检测功能。设备总电源加装漏电保护器，在遇到任何漏电情况下自动切断电源，漏电器选用按照国家标准选用；
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2.2 生产线总成
整条生产线由双侧上料、冲裁 1、冲裁 2、翻板、辊轧、打 Z 切断、翻边、折 U及下料机械手组成。设备整体设计和安装质量符合国家有关规范，设备外型美观，结构工艺性合理并按规范工艺安装到位。设备元器件齐全完整，动作灵敏可靠，安全防护装置设计周到，防护合理。设计充分考虑了工艺操作和安全生产所需要的控制、启停、急停、联动、保护等，最大程度保证生产连续、流畅、均衡进行，可最大限度减少设备急开紧停、系统等待等原因引发的效率损失。设备运行过程中无异常声音，振动、无异常气味、温升符合标准，压力在允许范围之内。润滑装置、气、油等过滤装置齐全有效，系统工作良好，能耗正常。设备在相对运动部位具有良好的润滑条件，采用集中或自动润滑方式，在关键润滑部位配置了检测和保护装置，油杯等储油器有油位量化标示，无跑、冒、滴、漏现象。设备原材料和部件的选择，必须选择国产或国际知名品牌的优质产品，原材料和部件无设计缺陷和明显的加工缺陷，连续启停 10 次以上无任何失效和过度磨损现象。设备设计充分考虑部件的标准化和通用性，一般不采用技术独享性质的元器件，而应在国内和国际知名的供应商处选取。该设备的设计加工是建立在对产品、工艺、工位操作排布、使用条件和环境完全了解的基础上，并与之相适应。
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第三章 控制系统硬件设计......................................15
3.1 生产线电气件构成..........................................15
3.2 控制系统选型..........................................16
第四章 软件程序设计......................................38
4.1 PLC 程序设计...........................................38
4.1.1 程序框架构造.............................................38
4.1.2 程序硬件组态.......................................39
第五章 系统的调试结果...........................64
5.1 系统的调试方案.........................................64
5.1.1 程序下载流程.......................................64
5.2 伺服电机调试..............................68
第五章 系统的调试结果
5.1 系统的调试方案
整个系统的调试工作分为以下几个部分：
（1）伺服电机调试：该系统使用了 32 台伺服电机，由于机械连接的结构不同，需要对每台伺服电机都要进行参数调整；
（2）单工位调试：本系统由于工位较多，需要对每个工位单独调试完毕后，才能联机调试；
（3）联机调试：单工位调试完毕后，对整条生产线进行联机调试，主要用来测试板材在工位转换之间有无故障或是干涉；
（4）负荷调试：在联机调试完毕后，进行上料试机，用来检测上料后设备的平稳运行，机械结构的合理性，以及是否满足客户产品的生产需求；
5.1.1 程序下载流程
本系统的调试主要是对程序的调试，因此要准备好编程电缆把程序下进到 PLC，下面是程序的下载步骤：
（1） 点击 Connection ，对通讯连接设置
图5.1为通讯设置画面，点击Gx Works2编程软件左侧菜单栏里的连接目标，出现 Connection 选项，打开后出现连接目标设置对话框，在此对话框内有对连接路径的选择。由于本控制系统选择的 CPU 型号为 Q06UDH，其通讯接口包含USB 和网口，因此可以选择这两种方式进行电脑和 PLC 的通讯，本次采用了以太网进行通讯的 EthernetBoard 选项，可以直接通过网线与 PLC 网口相连，也可以通过与 PLC 网口连接的路由器或无线设备进行通讯。
（2） 网络通讯参数设置
通讯连接设置完成后，点击图 5.1 中的 PLC Module，进入 5.2 图中所示的通讯参数设置画面。选择通过集线器连接，可以通过连接 PLC 的路由器进行通讯。IP 地址一栏，可以手动进行输入，也可以通过点击搜索网络上的以太网内置型CPU，自动把和电脑连接上的 CPU 地址进行选择填入。
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第六章 结论与展望
本论文设计的冰箱 U 壳生产线控制系统，主要是为了满足家电行业对于生产冰箱 U 壳的需要。本项目对于家电行业乃至钣金生产线的自动化水平提高具有现实意义，在课题研究过程中不断的改进设计、调试，测试系统的各功能、性能指标都达到了设计的要求。主要完成了以下工作：
一、研究冰箱 U 壳生产线的工艺过程，了解各工位的机械部分组成，熟悉冰箱 U 壳的成型整个生产过程。
二、根据机械部分组成，统计整条生产线的电器元件种类和数量。
三、根据统计的电器元件种类和数量，进行 PLC、模块、以及所有低压电气件进行选型。
四、控制系统硬件电路设计，包含主电路图、控制电路图、PLC 原理图、伺服电机接线图、I/O 模块原理图、控制柜图、远程接线盒图等。
五、控制系统的软件程序设计，包含 PLC 程序和上位机程序。
六、控制系统的测试，对整个硬件电路通电，检查有无电路故障。
对整个系统 PLC程序的测试，检查控制流程是否满足生产需求。通过以上工作，最终我们完成了冰箱 U 壳生产线控制系统的设计和测试，发现整机能够满足客户生产要求，实现了设备根据选择的型号自动生产。
本控制系统采用三菱以太网口的 PLC，可以采集设备的生产信息，以及各工位的生产状态，可以把客户需要的生产数据传送出去。由于，客户没有专门的 ERP 系统和设备互联，没有达到通过 ERP 下单，设备按照订单进行生产。
参考文献（略）