基于PLC 自動(dòng)控制實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的研究與開發(fā)★

武海燕，關(guān)銳鐘

（山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006）

引言

自動(dòng)生產(chǎn)線是一種以自動(dòng)化、信息化、機(jī)械化等新型科技為基礎(chǔ)，可完成產(chǎn)品自動(dòng)化生產(chǎn)的機(jī)器體系。通過自動(dòng)控制完成對(duì)生產(chǎn)過程中加工、檢測、裝卸、運(yùn)輸?shù)裙ば虻淖詣?dòng)運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)，在提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，降低制造成本[1-4]。自動(dòng)生產(chǎn)線要求每道工序上的各種機(jī)械裝置能夠自動(dòng)完成預(yù)定目標(biāo)，并且達(dá)到產(chǎn)品的質(zhì)量要求。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，就需要生產(chǎn)線上每道工序之間能夠通過自動(dòng)輸送和輔助裝置實(shí)現(xiàn)有序銜接，將各個(gè)部件之間的動(dòng)作通過液壓和電器系統(tǒng)組合起來。由于自動(dòng)生產(chǎn)線中大量應(yīng)用跨學(xué)科技術(shù)，其中包括傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、接口技術(shù)等，因此只有進(jìn)行有效的組織，才能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線整體的優(yōu)化[5-8]。

自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)著重培養(yǎng)機(jī)電專業(yè)類人才的專業(yè)技術(shù)和技術(shù)應(yīng)用能力，以及團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新能力。本文研究的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包括有安裝送料、加工、裝配、輸送、分揀等工作單元，采用了變頻器驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)位置控制等技術(shù)，各個(gè)單元均通過PLC 進(jìn)行控制，從而達(dá)到更好的模擬效果。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的組成

本文研究的自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要包括五個(gè)單元，具體為供料單元、加工單元、裝配單元、輸送單元以及分揀單元，其中每個(gè)單元都是一個(gè)獨(dú)立的機(jī)電一體化系統(tǒng)，完成設(shè)定任務(wù)。輸送和裝配單元中應(yīng)用了機(jī)械手裝置，整體運(yùn)動(dòng)通過位置控制、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)其精密定位；分揀和輸送中采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)。自動(dòng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)通過采用各種不同類型的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體位置、顏色、狀態(tài)、材質(zhì)等特性的自動(dòng)識(shí)別。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的控制采用RS485 串行通信的PLC 網(wǎng)絡(luò)控制方案，即系統(tǒng)每個(gè)獨(dú)立單元都采用一臺(tái)PLC 控制，然后通過RS485 對(duì)各PLC 進(jìn)行串行的控制方案。

1.2 自動(dòng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)各單元的功能和組成

下頁圖1 所示為自動(dòng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)整體分布圖，其中輸送單元跨度最大，主要功能是將各單元中的指定物料臺(tái)精確定位，抓取固定物料后運(yùn)送至指定位置；供料單元將倉庫中需要加工的毛坯通過輸送單元中機(jī)械手裝置輸送至下一工作單元；加工單元將輸送來的物料送至沖壓機(jī)構(gòu)工作臺(tái)上，進(jìn)行沖壓加工，加工完成后再由輸送單元機(jī)械手抓取至輸送單元；裝配單元實(shí)現(xiàn)對(duì)料倉中各工件的組裝工序；分揀單元從不同料槽中對(duì)組裝好的部件按照不同顏色進(jìn)行分揀。自動(dòng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為半開放式設(shè)計(jì)，操作過程中可以根據(jù)實(shí)際情況選擇設(shè)備組成單元的數(shù)量和類型。上述工作單元全部設(shè)計(jì)在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上，從而為系統(tǒng)中各部件的安裝和拆卸提供便利。輸送單元作為連接各模塊之間的橋梁，跨度較長，因此采用更為靈活的模塊化結(jié)構(gòu)。通過分成按鈕模塊、電源模塊、PLC模塊、指示燈模塊等不同模塊，最大限度滿足系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)綜合使用的功能。

智能化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)通過應(yīng)用各種傳感器技術(shù)、先進(jìn)機(jī)械技術(shù)、PLC 控制和組網(wǎng)、變頻器技術(shù)以及步進(jìn)電機(jī)位置控制等模塊單元，使得實(shí)訓(xùn)平臺(tái)盡量接近實(shí)際生產(chǎn)過程，讓學(xué)習(xí)和研究者有更好的教學(xué)設(shè)備環(huán)境。

2 控制面板的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)任務(wù)

2.1 控制面板的設(shè)計(jì)

圖1 自動(dòng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)整體分布圖

控制面板的設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的使用至關(guān)重要，合理的控制流程不僅操作方便，而且能夠提高實(shí)際生產(chǎn)效率[9]。自動(dòng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的控制面板作為核心部件之一，其配置如圖2 所示，主要包括電源模塊、按鈕模塊、PLC 模塊、變頻器模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

圖2 控制面板示意圖

電源模塊主要包括電源開關(guān)、電壓指示燈、三相電源以及直流電源等器件。按鈕模塊包含有啟動(dòng)、停止和復(fù)位三種按鈕，其中啟動(dòng)按鈕主要控制系統(tǒng)的開始運(yùn)行時(shí)間，在滿足啟動(dòng)條件下，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)；停止按鈕與啟動(dòng)按鈕相反，主要控制系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)間，但是按下停止按鈕，系統(tǒng)需要在完成當(dāng)前工作周期后才會(huì)自動(dòng)停止；復(fù)位按鈕主要是在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者其他緊急情況下使用，按下復(fù)位按鈕，系統(tǒng)相應(yīng)的模塊單元將停止工作；PLC 模塊通過輸入激勵(lì)，并為CPU 提供解析，進(jìn)而控制系統(tǒng)中各執(zhí)行元件；變頻器模塊主要為異步電機(jī)提供所需的電源電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速和保護(hù)功能；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊為輸送單元中步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。

2.2 系統(tǒng)任務(wù)

自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的主要任務(wù)如圖3 所示：系統(tǒng)的控制方式為PPI 網(wǎng)絡(luò)方式，其中輸送站為主站，其他站點(diǎn)為副站。輸送站的按鈕和指示燈模塊與系統(tǒng)的主令工作信號(hào)相連接，進(jìn)而通過裝配單元的警示燈來顯示系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)，如啟動(dòng)、報(bào)警、停止等。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，復(fù)位指令的優(yōu)先級(jí)別最高。當(dāng)系統(tǒng)接到復(fù)位指令后，各機(jī)械手裝置需要恢復(fù)到起點(diǎn)位置系統(tǒng)警示燈顯示常綠狀態(tài)，說明此時(shí)系統(tǒng)具備了啟動(dòng)條件。自動(dòng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的一個(gè)工作周期為分揀站分揀完成，并且輸送站所有機(jī)械手全部復(fù)位，在沒有按下系統(tǒng)停止按鈕時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在固定的時(shí)間間隔后自動(dòng)開始下一個(gè)生產(chǎn)周期，通過上述循環(huán)完成產(chǎn)品的不間斷生產(chǎn)。若在正常工作周期完成后按下停止按鈕，系統(tǒng)工作結(jié)束，綠色指示燈亮，黃色指示燈滅；當(dāng)系統(tǒng)收到供料不足的報(bào)警信號(hào)后，紅色警示燈就會(huì)開始閃爍，黃色和綠色指示燈均不發(fā)生變化。

圖3 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)工作流程圖

3 控制設(shè)計(jì)

3.1 控制方式的選擇

根據(jù)選用電器的不同將電器控制的方式分為兩種方式：繼電器邏輯控制方式和可編程控制器控制方式。繼電器回路控制主要采用低壓元件，如低壓電器、繼電器、行程開關(guān)等，其特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，易于維修，價(jià)格便宜。但是由于接觸觸點(diǎn)較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大造成該控制方式的可靠性較差。特別是其接線程序的特點(diǎn)，使得系統(tǒng)程序變得更困難，通用性差，不適合復(fù)雜的氣動(dòng)回路。

可編程控制器（PLC）是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，在傳統(tǒng)繼電器控制的技術(shù)上融入現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)。其主要特點(diǎn)為：通過PLC 將各種微電子中的邏輯功能轉(zhuǎn)化成了物理繼電器、計(jì)時(shí)器的組合體；PLC將計(jì)算機(jī)編程語言轉(zhuǎn)換成以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的模塊化程序結(jié)構(gòu)，極大地增加它的了實(shí)用性[10-11]。

根據(jù)課題的實(shí)際情況，自動(dòng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)選擇可編程邏輯控制器網(wǎng)絡(luò)控制方式。為了滿足系統(tǒng)同時(shí)具有分散和集中控制的要求，系統(tǒng)中五個(gè)模塊都對(duì)應(yīng)有獨(dú)立的PLC 控制器，相互之間通過網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行通訊，系統(tǒng)PLC 與外部設(shè)備的連接如圖4 所示。

圖4 PLC 與外界設(shè)備連接框圖

3.2 PLCS7-200 基本功能的實(shí)現(xiàn)

西門子S7-200PLC 系列控制器，通過監(jiān)視現(xiàn)場輸入狀態(tài)，并根據(jù)相關(guān)控制邏輯改變其輸出狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備開、關(guān)的控制，從而滿足設(shè)備的自動(dòng)化要求，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域被廣泛使用。其模塊化的組成結(jié)構(gòu)，能夠充分實(shí)現(xiàn)分配式布置，另外，它具有較強(qiáng)的抗震效果，電磁兼容性較好，性價(jià)比高。

PLC 的輸入、輸出功能是CPU 與被控制設(shè)備之間的橋梁。系統(tǒng)通過現(xiàn)場安裝的各種類型傳感器將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞到PLC 的輸入模塊，再通過CPU 的運(yùn)算和處理，然后通過輸出模塊將邏輯結(jié)果和控制命令送出，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)各模塊的控制。PLC 有繼電器輸出型和晶體管輸出型兩種輸出方式，其工作電壓和輸出電壓分別為電源輸入電壓、工作負(fù)載電壓。輸出端子通過設(shè)置不同的隔離組，且所有隔離組擁有同一個(gè)公共端，使得各隔離組可以根據(jù)實(shí)際情況匹配不同的工作負(fù)載。

3.3 PLC 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

為了滿足系統(tǒng)具有的集中控制和分散控制的特點(diǎn)，系統(tǒng)中五個(gè)模塊分別采取獨(dú)立的PLC 控制器進(jìn)行控制，各PLC 之間通過RS485 串行通訊實(shí)現(xiàn)互連?？刂破髦g通過網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行通訊，其通訊采用PPI協(xié)議，從而使得系統(tǒng)中每一個(gè)工作模塊均成為一個(gè)工作站。由于自動(dòng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中輸送單元的PLC 輸入口與各按鈕、開關(guān)信號(hào)相連接，從而提供系統(tǒng)運(yùn)行信號(hào)，因此將輸送站定義為主站，其余站定義為從站。

3.4 氣動(dòng)控制的設(shè)計(jì)

電磁閥作為一種常用的基礎(chǔ)性控制元件，其主要作用是通過調(diào)節(jié)電磁閥閥芯位置來控制系統(tǒng)中流體的流動(dòng)方向。電磁閥兩側(cè)電磁塊是否通電，決定閥體的移動(dòng)方向。當(dāng)閥體的移動(dòng)位置不同時(shí)，與電磁閥內(nèi)部密閉腔體中通孔連接的油管就處于開、關(guān)不同狀態(tài)。通過控制閥體從而使得進(jìn)氣孔常開，活塞桿兩端壓力差推動(dòng)活塞桿移動(dòng)，從而帶動(dòng)相關(guān)機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用雙作用氣缸的排氣節(jié)流調(diào)速回路，在工作過程中，排氣腔內(nèi)建立了與負(fù)載相適應(yīng)的被壓，從而保證系統(tǒng)負(fù)載不變或者較小變化時(shí)能夠平穩(wěn)運(yùn)行。

4 結(jié)語

本文以學(xué)校實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)為依托，通過對(duì)智能化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)、組成以及各模塊功能的分析，明確了平臺(tái)的工作原理。該平臺(tái)采用國內(nèi)外先進(jìn)的氣電混合自動(dòng)控制方式，在充分結(jié)合PLC 技術(shù)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上將傳統(tǒng)機(jī)械裝置與PLC 相結(jié)合，模擬實(shí)際生產(chǎn)工況，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的自動(dòng)化、規(guī)?；⒏呔鹊募庸?；其集中控制和分散控制的特點(diǎn)，使得平臺(tái)能夠根據(jù)后續(xù)教學(xué)需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇。通過實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在教學(xué)中的應(yīng)用，證明了該設(shè)計(jì)方案的可行性。