基于PLC飲品自動調(diào)配供應(yīng)

戴福堅　藍(lán)勇　肖文迪　曾曉靜　葉德玲

【摘 要】本設(shè)計以PLC為控制核心，通過對電機(jī)實現(xiàn)控制、對傳感器采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和應(yīng)用、對整體生產(chǎn)的過程進(jìn)行集中控、與HMI進(jìn)行信息交換，實現(xiàn)HMI對系統(tǒng)間接控制;通過通訊方式與STM32實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送和反饋，對PLC實現(xiàn)間接的控制與狀態(tài)反饋。測試的結(jié)果表明，本設(shè)計的各項功能基本正常，成功的建立了遠(yuǎn)程端模式，實現(xiàn)了飲品的自動生產(chǎn)與監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);PLC;人機(jī)交互;飲料自動調(diào)配;遠(yuǎn)端模式

中圖分類號： F426.82;F724.6;TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）10-0036-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.012

Design of Beverage Preparation System Based on PLC

DAI Fu-jian LAN Yong XIAO Wen-di ZENG Xiao-jing YE De-ling

（Pearl River College， South China Agricultural University，Guangzhou Guangdong 510900，China）

【Abstract】This design with PLC as control core，through the motor to control，process and application of sensor collected data，on the whole production process for centralized control，the exchange of information and HMI，realize the HMI on the system of indirect control;Through communication with STM32 data transmission and feedback，PLC to achieve indirect control and state feedback.The test results show that the functions of the design are basically normal， and the remote mode is successfully established to realize the automatic production and monitoring of drinks.

【Key words】Single chip microcomputer;PLC;Human-computer interaction;Automatic mixing of drinks;The remote mode

0 引言

自動配料系統(tǒng)是一個用于不同類型的物料進(jìn)行運送的系統(tǒng)，實現(xiàn)各種物料的配比、混合攪拌及成品包裝等生產(chǎn)過程的自動化生產(chǎn)線，大多應(yīng)用在制造類行業(yè)。采用PLC控制方式，配合顧客需求對原材料的進(jìn)行配比，完成原配料的傳輸，配比量的控制，配方的設(shè)計，以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理等功能。

1 系統(tǒng)控制方案

系統(tǒng)采用三菱的FX3GPLC-48MT作為主控制器，F(xiàn)X3GPLC的控制能力強(qiáng)、體積小、可靠性高、重量輕并且使用方便，是自動化控制的首選器件。主要負(fù)責(zé)對步進(jìn)電機(jī)控制，對各傳感器采集的信息進(jìn)行分析、處理?？梢詽M足本次飲料調(diào)配系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)的硬件布局如圖1所示。

根據(jù)項目技術(shù)協(xié)議要求，整機(jī)的動力裝置主要有步進(jìn)電機(jī)、調(diào)速電機(jī)和直流電機(jī)。在整機(jī)中步進(jìn)電機(jī)主要有PLC發(fā)送高速脈沖進(jìn)行控制，在步進(jìn)電機(jī)運動精度的控制上，主要對電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)進(jìn)行設(shè)置。細(xì)分?jǐn)?shù)也大，則一個脈沖量對應(yīng)的角位移則越小，精度則越高。在轉(zhuǎn)盤工位上，每個物料口對應(yīng)的位置都設(shè)置有固定的脈沖量，在選料后，步進(jìn)電機(jī)會根據(jù)需求，將物料口轉(zhuǎn)動到反應(yīng)瓶上方。在灌裝工位上，步進(jìn)電機(jī)通過帶動絲桿上的滑塊，對管道進(jìn)行移動，滑塊的運動會在極限位置觸發(fā)限位開關(guān)來停止對電機(jī)發(fā)送脈沖。當(dāng)裝上物料后，電機(jī)上電會發(fā)出明顯的電流聲，這是因為步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，電機(jī)驅(qū)動電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。傳送工位的牽引裝置為調(diào)速電機(jī)，其控制電壓為220V，需要通過中間繼電器來控制電機(jī)的通斷。調(diào)速電機(jī)還有一個像配對的調(diào)速器，調(diào)節(jié)調(diào)速器上有按鈕和旋鈕，通過按鈕可改變電流方向，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向，通過旋轉(zhuǎn)旋鈕，來控制調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2 硬件實現(xiàn)

根據(jù)飲料系統(tǒng)在電氣工藝、運行要求、后期開發(fā)等因素，確定PLC的數(shù)字量輸入、數(shù)質(zhì)量輸出、模擬量輸入點數(shù)分別為24、24、8點。并根據(jù)控制要求，選用顧美CX2N-48MT-8AD型PLC，外部布局接線如圖2所示。

2.1 機(jī)械臂抓取

在關(guān)于飲料的裝配方面使用的是一款由MG995舵機(jī)制作而成的機(jī)械臂，因為機(jī)械臂的制作需要參考大量的運動學(xué)控制原理，和機(jī)械工程制造，還需要一定的機(jī)械知識，所以本次大學(xué)生創(chuàng)新出創(chuàng)業(yè)項目中使用的機(jī)械臂是原裝購買的TSKY的機(jī)械臂，此機(jī)械臂擁有6自由度控制，180度的擺臂角度，足以滿足制作模型所需的硬件條件。并且此機(jī)械臂擁有反應(yīng)時間短，相應(yīng)速度快的優(yōu)點。

2.2 硬件控制

機(jī)械臂的控制實際上一個舵機(jī)聯(lián)調(diào)控制，所以在控制機(jī)械臂的電路板需要使用舵機(jī)控制電路板，舵機(jī)控制電路最重要的控制因素是PWM波的控制，在眾多的單片機(jī)中，STM32是一款可以輸出多個PWM波的單片機(jī)，同一個定時器下，可以輸出頻率相同，占空比不同的PWM波。所以為了方便機(jī)械臂的控制，使用STM32作為主控芯片是一個不錯的選擇方案。

3 PLC軟件調(diào)試

3.1 PLC對HMI的數(shù)據(jù)處理

PLC與HMI（人機(jī)界面）通過串口的形式以三菱專用的通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在檢測到HMI的點餐觸發(fā)信號的軟元件置位信號后，PLC程序?qū)MI中的原料搭配的數(shù)據(jù)做暫存處理，直到本次點餐確認(rèn)觸發(fā)信號置位，PLC程序根據(jù)采集到HMI的信息，給下位機(jī)械設(shè)備發(fā)送特定動作的信號，現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行調(diào)配飲料。

3.2 工作臺的軟件調(diào)試

主工作臺主要由電機(jī)、容量瓶、液位開關(guān)組成。主工作臺在分六個工位，每個工位有特定的位置。PLC在每次調(diào)配飲料時需要進(jìn)行一次回原點操作（功能指令ZRN），然后才能根據(jù)HMI上的數(shù)據(jù)定位到某個工位進(jìn)行卸料，其中定位功能指令DRVA，在此過程中電機(jī)運行速度和位移通過脈沖數(shù)和步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分共同決定，細(xì)分越小且脈沖越大此時速度越快或位移越大，反之亦然。當(dāng)整個卸料動作完成后將發(fā)送一個卸料完成標(biāo)志位，然后電機(jī)在接受到卸料完成標(biāo)志置位信號，進(jìn)行攪拌，然后通過水泵抽料，罐裝、機(jī)械臂夾杯、傳送帶傳送飲料，系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

3.3 PLC與STM32通訊

PLC與STM32通過串口RS485的形式以自由口協(xié)議的方式進(jìn)行通訊，本次設(shè)計需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的信息有，PLC向STM32發(fā)送罐裝位置電機(jī)到位準(zhǔn)備卸料的標(biāo)志信號、機(jī)械臂夾具到達(dá)傳送帶的信號，STM32向PLC發(fā)送機(jī)械臂夾具到位信號、總體完成信號。整個過程是完成飲料空間平面轉(zhuǎn)移的必要條件。為了保證數(shù)據(jù)發(fā)送準(zhǔn)確，雙方在通訊的過程做重復(fù)對比校驗，同時通訊時候雙方做脈沖心跳包，來檢測通訊是否正常，不正常則進(jìn)行報警。

3.4 物聯(lián)選擇

物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的是通過ESP8266無線連接模塊實現(xiàn)的，聯(lián)網(wǎng)的MAC地址的是WiFi的地址，所以此物聯(lián)網(wǎng)的功能只有在WiFi的環(huán)境下才可以實現(xiàn)。ESP8266通過EDP協(xié)議和物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行通訊，通訊的格式為CJSON格式。

3.5 通訊

因為此次實驗用的PLC不適合使用字符進(jìn)行通訊，所以我們使用16進(jìn)制的數(shù)據(jù)，485通信協(xié)議，作為通訊代碼，第一位代表原料，第二位代表使用和有無，如0待變1號原料已經(jīng)接近使用完的狀態(tài)。因為此次單片機(jī)使用的是16位的處理器，所以不適宜使用過長的通訊代碼。

4 調(diào)試

在通過對PLC和STM32控制的器件進(jìn)行分部分、分模塊的調(diào)試后，把各元器件固定后進(jìn)入整個系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，再做更細(xì)微、細(xì)致的調(diào)整。將PLC控制的模塊與STM32控制的模塊通過TTL轉(zhuǎn)485進(jìn)行通訊后，進(jìn)行整體的調(diào)試，發(fā)現(xiàn)了大大小小的問題。圓盤在復(fù)位回到原點時，木條觸發(fā)光電開關(guān)時，會出現(xiàn)越位（下轉(zhuǎn)第52頁）（上接第37頁）現(xiàn)象，猜想步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)的步距角過大或是由于慣性而造成的過沖。通過調(diào)試電機(jī)驅(qū)動器的細(xì)分和電流，發(fā)現(xiàn)由于細(xì)分太小的原因，使得步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)回原點時，轉(zhuǎn)步太大而越位。PLC與STM32單片機(jī)通訊不成功，多次檢查參數(shù)和線路的連接都查找不出問題所在。最后發(fā)現(xiàn)是因為通訊的板子壞了，由于線路通斷頻繁，沖擊電流過大，導(dǎo)致板子上的元器件的燒毀，后面更換了一塊TTL轉(zhuǎn)485通訊模塊，問題得以解決。

5 小結(jié)

本設(shè)計基于PLC的飲品自動調(diào)制供應(yīng)系統(tǒng)是用于飲料大批量生產(chǎn)行業(yè)或是用于大型店面的自動生產(chǎn)與售貨行業(yè)，實物如圖4所示，在現(xiàn)有的灌裝機(jī)上采取PLC作為控制核心，聯(lián)合單片機(jī)STM32進(jìn)行通訊，實現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)控模式，使得該設(shè)計系統(tǒng)智能化，同時PLC多余的I/O口可作為預(yù)留接口，為后續(xù)拓展系統(tǒng)功能提供支持。在本次設(shè)計中，通過硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件系統(tǒng)編寫、系統(tǒng)仿真調(diào)試等幾個方面的設(shè)計工作，總體上完成了前期設(shè)想的系統(tǒng)設(shè)計，同時可以自動化、智能化概念走進(jìn)日常生活及工作生產(chǎn)中。

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