作者：张毅
在自动化控制过程中，PLC由于具有可靠性高、运行稳定、功能齐全、并且程序编写相对简单等优点而被广泛应用。本文在分析了生产需求和现场条件后，开发了基于PLC的多工艺调度方法，降低了控制系统的成本，实现了较高程度的自动化生产。
1 多工艺调度需求分析
1.1 现场设备及工艺简介
根据阳极氧化工艺流程及对该企业产品的需求，现场生产设备共有28个槽位，1个挂件位，1个卸件位，共30个工位。在生产过程中，工件的移载是由两个行车完成，行车上装有吊钩负责工件的起降运动，行车的前后运动和吊钩的升降运动分别由两个电机拖动。行车的行程范围及现场槽位的布置如图1所示。
由于产品的多样性，该生产线可实现4套工艺：硬质氧化1、硬质氧化2、普通氧化和铬酸氧化。各工艺所经过的工位号各不相同，但是各工位所需处理时间确定，各工艺流程如表1所示。其中，括号前的数字代表工位号，括号里的数字代表该工位的处理时间，单位为min。1#工位和30#工位是手工操作位，时间不计入自动控制系统。
1.2 自动控制系统硬件结构
该自动控制系统选用PLC作为现场控制设备，上位机作为中央控制系统实现工艺参数的输入、数据采集和现场监控。根据工艺参数的复杂性、行车的工艺流程、多工艺并行的要求，对PLC的现场控制设备采用PROFIBUS-DP通信建立主从站结构，PLC S7-300作为主站，两个PLC S7- 200作为从站，分布于两个行车上。
2调度方法设计
2.1 调度流程
多工艺调度是依靠PLC程序实现的，调度流程可描述为：通过上位机选择工艺并输入工艺参数，工艺开始后，上位机将工艺指令下达给主站PLC S7-300，由主站PLC作出工艺调度运算，再将指令下发到相应的从站PLC S7-200．执行工艺生产。
主站PLC的调度运算包括现场资源抢占分析、多工艺指令存储和调取等关键问题。
2.2 资源抢占分析
依据阳极氧化生产线的现场设备和工艺特点，多工艺同时运行时须确保各工艺相互不冲突。由于各工艺运行时行车和处理槽为共用设备，因此在多工艺生产时将有可能出现公共资源抢占的问题，如两工艺同时调用同一个行车，或者两工艺同时占用同一个工位，这必将造成工艺冲突，使生产无法正常进行，这是多工艺调度所要解决的关键问题。
为解决资源抢占问题，需要在工艺开始之前进行资源抢占分析，做好预判，防止在多工艺运行中发生冲突。
2.2.1 行车资源抢占分析
行车作为工件的移载工具，是整个系统中调用最为频繁的，当新指令下发后，需要行车将工件调往相应的指令工位；工件开始处理时，行车闲置，此时其他工艺可以调用行车。为实现预判，将行车资源以时间轴上延拓展开的方式进行算法设计，该算法设计包括时间轴的建立、时间轴的推移和时间轴与运算。
(1)时间轴的建立。每个工艺都将调用两个行车，而两个行车的调用是相对独立的，因此在进行行车资源分析时需将这两个行车分别分析，即要建立对应行车1和行车2的两条时间轴。时间轴是一条连续的资源占用时间节点轴，因此在PLC S7-300的位存储区（M区）开辟了连续的存储区域，各工艺时间轴存储区域如表2所示。
时间轴采用了0和1变量用以区别行车的占用与闲置状态，设计方法如下：各工艺的时间单位均为min，行车每次调用时间为1min，那么在相应的时间轴M区域内，以1个位代表1min，该位的状态为1，则表示这1 min行车被占用；该位的状态为O，则表示这1 min行车闲置。
时间轴的建立过程：当上位机完成参数设定、选定工艺并开始该工艺后，该工艺的参数将下发到主站PLC S7-300，自动生成时间轴。以硬质氧化1为例，当参数下发，以12#工位为界，12#工位前的时间参数建立行车1时间轴，12#工位后的时间参数建立行车2的时间轴。行车1的时间轴输入是按11#工位至2#工位的顺序，先把M300.O置l，再采用右移指令输入，如11#工位时间为n，则时间轴向右移动n+1位，移出的空位用O补充，再次将M300.0置1，以此循环，直至将2#工位时间参数输入。那么行车1的时间轴就为：
行车2的时间轴输入顺序是从29#工位到13#工位，前12个工位时间全部输入为o。那么行车2的时间轴为：
(2)时间轴移动。随着该工艺的执行，时间轴应该跟随实际情况动态变化。以硬质氧化1为例，当行车1被调用时，行车1和行车2时间轴即向左移动一位，当工件进入指令工位后，在PLC程序中设置一个计时器，每过1 min，行车1和行车2时间轴向左移动一位，移出的空位用O补充，当工件进入12#工位，行车1自动回到挂件位，行车1的时间轴就全部为0。行车1调用时，行车2时间轴的移动过程与行车1-样，行车2调用时，行车l的时间轴已经为0，不再左移，只有行车2时间轴移动。该工艺执行完成，行车1和行车2的时间轴均为0。
(3)时间轴与运算。时间轴作为行车资源抢占分析是通过与运算实现的，即当新工艺开始时，如果已有工艺正在执行，那么就将该工艺的时间轴与已在执行工艺的时间轴逐位进行与运算，若结果全为0，则行车资源不冲突，可以开始新工艺；若结果存在1，则行车资源冲突，不能开始新工艺。
2.2.2工位资源抢占分析
工位的抢占情况即为两个工艺需要使用该工位的时间有重叠部分，为解决这一问题，则每个工位需要两个整数型数据（4个字节）记录该工艺各工位占用的起止时间，为留有一定的裕度，在PLC S7-300 M区各工艺的时间节点存储区域为：硬质氧化1，MW900～MW10 56；硬质氧化2，MW1100～MW1256；普通氧化，MW1300～MW1456;铬酸氧化，MW1500～MW1656。
以硬质氧化1为例，各工艺工位起止时间存储方式如下：2#工位为第一个自动处理工位，处理时间为1min，则其开始时间为0，存储于MW900，结束时间为1，存储于MW902;3#工位的处理时间为1min，则其起止时间为1和2，分别存储于MW904和MW906；若该工位处理时间为O，则其起止时间都存为O，以此类推。与时间轴一样，起止时间也是随时间变化的，当工件进入某一工位开始处理时，每过1min，该工艺所有工位起止时间均减1，直至为O。
工位资源抢占分析就是用各工位起止时间作交集运算实现的，当新工艺开始时，若已有工艺正在执行，就将各工位对应起止时间求交运算，若全为空集，则没有工位冲突，可以开始新工艺；若存在交集，则有工位冲突，不能开始新工艺。
2.3 多工艺指令存储和调取
2.3.1指令存储
在上位机上设定指令参数并下载到主站PLC中，必须确保各工艺指令相互独立，因此，应用堆栈的数据结构特性存储多工艺指令。堆和栈是两种数据结构，但都是数据项按序排列的数据结构。在该运算中所应用的并非原本意义的堆栈，而只是堆栈按序排列的数据特性，即在PLC S7-300 M区开辟连续的存储区域按序存储各工艺指令：硬质氧化1，MW500～MW579；硬质氧化2，MW600～MW679;普通氧化，MW700～MW779;铬酸氧化，MW800～MW879。将各工艺从2#到29#工位时间参数指令按顺序分别存储于各自的存储区域，该方式的优点是各工艺指令互不影响并且各自连续，在多工艺并行时，既不会造成误操作其他工艺指令，也保证了该工艺指令执行的连续性，避免发生遗漏指令的错误。
2.3.2指令调取
在多工艺并行时，各工艺指令的调取也应该相互独立，当满足工艺指令调取条件时，则调取该工艺相应的指令，并记录该指令位置，再次调取该工艺指令时能准确调取下一指令，而其他工艺指令不被调取，保持记录状态。
在各工艺执行程序中各设置一个指针变量，工艺开始时，指针变量指向该工艺初始指令地址，当调取条件满足时，就把地址中的指令下发，指针变量通过运算，自动指向下一指令地址，并保持记录，直到该工艺调取指令条件再次满足，以此循环。当该工艺执行完毕后，指针变量又重新指向初始指令。这个过程的PLC程序段如下：
3结束语
全面分析了生产系统的现有资源和生产需求情况，开发了基于PLC的多工艺调度方法，降低了控制系统的成本，且实现了较高程度的自动化生产。基于该调度方法的生产控制系统已投入使用，极大地提高了生产效率。
4摘要：为了提高生产效率，提出了基于PLC的多工艺调度实现方法。结合工艺参数，建立各工艺时间轴模型用以调度分析，针对多工艺并行过程中指令复杂的问题，在程序开发过程中应用了堆栈按序排列的数据结构特性，有效地实现了指令的连续性，并应用指针变量作为取指令的方式，解决了各工艺之间独立性的问题。应用结果表明，该方法有效地解决了多工艺调度的问题。
