基于PLC的機械設(shè)備電氣自動化控制分析

盛泉寶

摘要：本文采取了綜合分析法、文獻分析法等方法，對PLC、電氣自動化控制以及汽車制造機械設(shè)備的自動化控制進行了闡述分析，設(shè)計了一套基于PLC的汽車制造機械設(shè)備電氣自動化控制系統(tǒng)，以期對汽車制造行業(yè)的發(fā)展提供一些參考建議。

Abstract： This paper adopts the methods of comprehensive analysis and literature analysis to elaborate and analyze PLC， electrical automation control and automatic control of automobile manufacturing mechanical equipment， This paper designs a set of electrical automation control system of automobile manufacturing machinery equipment based on PLC， in order to provide some reference suggestions for the development of automobile manufacturing industry.

關(guān)鍵詞：汽車制造;機械設(shè)備;PLC;電氣自動化控制

Key words： automobile manufacturing;mechanical equipment;PLC;electrical automation control

中圖分類號：F407.63? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）19-0216-02

0? 引言

電氣自動化控制是一項綜合性非常強的領(lǐng)域，涉及很多技術(shù)門類，在工業(yè)發(fā)展過程中，早期利用繼電器來實現(xiàn)自動化控制，使用繼電器的自動化控制方法簡單實用，但是隨著時代進步繼電器的適應(yīng)性越來越差，可編程控制器逐步取代繼電器成為電子自動控制領(lǐng)域的重要裝備。汽車制造領(lǐng)域的電氣自動控制，也是從基于繼電器的自動化控制，轉(zhuǎn)型為基于PLC的自動化控制。通過PLC來實現(xiàn)對汽車制造領(lǐng)域機械設(shè)備的自動化控制是汽車工業(yè)發(fā)展的助推劑，也是未來汽車智能制造的重要基礎(chǔ)。

1? PLC與電氣自動化控制

1.1 PLC

可編程控制器即PLC，是一種在預(yù)先設(shè)定好的程序下自動運行，可進行開關(guān)量控制、模擬量控制、運動控制等的電氣自動化控制裝備。PLC要發(fā)揮作用，需要很多的配套裝置，包括傳感器、變頻器等。PLC通過傳感器獲得機械設(shè)備的工況信息，并在CPU上進行處理，設(shè)定好程序中有關(guān)于控制程序啟動的閾值，CPU根據(jù)傳感器采集的信息判斷是否達到閾值，進而判斷是否需要調(diào)整機械設(shè)備的運行參數(shù)，若需要調(diào)整則轉(zhuǎn)換信號，向機械設(shè)備的控制裝置如變頻器發(fā)送指令，通過調(diào)頻來實現(xiàn)對機械設(shè)備的自動控制。

1.2 電氣自動化控制

電氣自動化控制是針對機械設(shè)備運行的控制，為滿足設(shè)備運行要求，常常需要很多輔助電氣裝置，比如開關(guān)、繼電器等等，這些裝置具有一定控制功能，它們所組成的電路叫做二次回路。其中繼電器是電氣自動化控制的核心裝置，繼電器相當于日常常用的開關(guān)，實際本質(zhì)也是具有自動開閉功能的開關(guān)。繼電器作為早期自動控制領(lǐng)域的關(guān)鍵裝置可以用在很多控制系統(tǒng)當中，不過最為常用的控制系統(tǒng)還是離散型控制系統(tǒng)。

1.3 PLC在電氣自動化控制中的角色

PLC可靠性強，穩(wěn)定性好，在一個電氣自動化控制系統(tǒng)當中，只要PLC不出現(xiàn)問題，系統(tǒng)一般都會按照PLC程序設(shè)定運行。雖然基于PLC的控制系統(tǒng)中依然需要用到繼電器，但是不再是人員操控相關(guān)裝置來控制繼電器，而是由PLC來控制繼電器。例如同樣以電機的自動控制為例，由于電機運轉(zhuǎn)需要的額定電流非常大，PLC根本不可能承受與電機一樣的額定電流，所以必定不可能作為控制主電路的裝備，而是去適應(yīng)主電路，并通過控制繼電器輸出來實現(xiàn)自動控制，電路形式與上述控制電路無明顯差別，最主要的就是增加了PLC，且不需要人工操作，只需要PLC按照程序運行即可實現(xiàn)自動控制。PLC強大的邏輯計算能力為連續(xù)生產(chǎn)過程的模擬量控制提供了巨大支撐，而帶有NC單元的PLC則可以執(zhí)行運動控制。

2? 基于PLC的電氣自動化控制實現(xiàn)思路

機械設(shè)備的基于PLC電氣自動控制系統(tǒng)，一般都要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備自動動作，滿足產(chǎn)品生產(chǎn)要求和生產(chǎn)效率要求，則控制系統(tǒng)必須要保證足夠的安全性和可靠性，且控制系統(tǒng)本身也應(yīng)當盡量簡化，過于復(fù)雜的系統(tǒng)將影響控制系統(tǒng)的安全可靠性，同時相對簡化的控制系統(tǒng)，具有成本優(yōu)勢，也具有維護簡單，操作方便的優(yōu)點。

為了保證基于PLC的控制系統(tǒng)有效運行，關(guān)鍵點在于：一方面，必須根據(jù)電氣自動控制流程，選擇恰當?shù)腜LC。對于汽車制造生產(chǎn)線來講，由于早期繼電器已經(jīng)不適應(yīng)汽車制造需求。美國通用汽車公司在1969年通過公開招標尋找可以取代繼電器的自動化控制裝備，由此世界上第一臺PLC誕生，由美國DEC研制，并在通用汽車自動裝配線上運用成功。經(jīng)過幾十年發(fā)展，目前PLC品牌多樣化，在選擇PLC時需要考慮是否具有經(jīng)濟性，是否滿足生產(chǎn)需要，工作環(huán)境是否復(fù)雜，工藝流程當中是否存在可變參數(shù)等等。

進一步還要根據(jù)工藝流程確定被控制對象，控制過程以及工藝要求，以此確定最佳的輸出設(shè)備，要求統(tǒng)計I/O點數(shù)，確定好I/O點數(shù)才方便選擇最佳的PLC，也是能否完成自動控制的關(guān)鍵。要求分析電路中的元器件與被控制對象（汽車制造機械設(shè)備）的工作流程，確定I/O點數(shù)，并據(jù)此確定存儲容量，確定最佳硬件。

硬件確定后，應(yīng)根據(jù)工藝流程，確定控制程序，控制程序是否合理是保證自動控制正常運作的關(guān)鍵，一般方法是根據(jù)工作流程出具系統(tǒng)控制流程圖，確定控制順序和條件，然后根據(jù)梯形圖設(shè)定程序。這方面要求現(xiàn)場操作人員具備電氣設(shè)計經(jīng)驗以及電氣控制相關(guān)知識。

3? 基于PLC的電氣自動化控制在汽車制造中的應(yīng)用

隨著汽車改款，生產(chǎn)線就必須要調(diào)整，控制電路也就需要隨動調(diào)整，使得基于繼電器的電氣控制系統(tǒng)生產(chǎn)效率陷入瓶頸。隨著PLC的出現(xiàn)汽車制造生產(chǎn)線逐步實現(xiàn)全自動化控制方式，對汽車制造行業(yè)的發(fā)展提供了非常巨大的助力。因此此節(jié)重點探索基于PLC電氣控制在汽車制造當中的應(yīng)用，并運用PLC對汽車制造相關(guān)機械設(shè)備進行自動化改進。

3.1 總體描述

以汽車車身焊接生產(chǎn)流水線作業(yè)為主要目的進行自動控制系統(tǒng)設(shè)計。由于汽車制造生產(chǎn)線基本都是流水線作業(yè)，需要各個環(huán)節(jié)有效配合才能保證整體生產(chǎn)不間斷?？刂葡到y(tǒng)對焊接生產(chǎn)線影響較大。選擇生產(chǎn)線上的傳輸流程進行具體設(shè)計，控制系統(tǒng)的主要作用是保證傳輸設(shè)備有序且準時地將車身部件輸送至固定工位進行加工。基于本文主題，利用PLC來實現(xiàn)傳輸設(shè)備的自動化控制，選擇PLC為西門子PLC以及INTERBUS總線，搭建控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，并添加安全光柵、通信模塊、安全門等硬件設(shè)備，構(gòu)建傳輸流程的自控系統(tǒng)。

對傳輸機械設(shè)備的控制本質(zhì)上是對電機的控制，傳輸設(shè)備中滾床的前后運動是由電機驅(qū)動皮帶帶動的，電機正轉(zhuǎn)則滾床向前運動，反轉(zhuǎn)則向后運動，由此可由PLC對電機進行控制，從而實現(xiàn)對滾床的控制。當然需要在滾床兩側(cè)安裝對應(yīng)傳感器來檢測滾床工況，每個工位都應(yīng)當設(shè)置傳感器，滾床前端也需要設(shè)置傳感器，檢測工件是否到位，滾床前端設(shè)置由停止氣缸，工件到位后氣缸工作阻止工件繼續(xù)移動，滾床后端也需設(shè)置傳感器檢驗工件是否占用工位。如此系統(tǒng)判斷是否工件送至工位。

滾床配置升降機，實現(xiàn)可升降，升降機由電機驅(qū)動，升降機上下運動存在限位器。可升降滾床利用兩個傳感器判斷位置，頂部傳感器檢測滾床到達頂部的信號，底部傳感器檢測底部信號。當車身工件輸送至工位，工位傳感器檢測到信號后，可升降滾床帶著車身部件下降，底部傳感器檢測到位后，電機停止焊接機器人工作對部件進行焊接，焊接完成后上升滾床，將完成的工件輸送至下一個環(huán)節(jié)。

3.2 硬件設(shè)計

硬件方面，主控裝備為西門子S7-400系列PLC，本產(chǎn)品并不是西門子PLC的最新產(chǎn)品，考慮經(jīng)濟性、可靠性以及工藝控制需要，S7-400足夠滿足要求。

由于本控制系統(tǒng)所控制的機械設(shè)備的工作過程相對簡單，對PLC的性能要求并不是很高，S7-400足夠滿足要求，且其本身也是中高檔的PLC，使用的模塊化設(shè)計，可擴展性強，當性能不夠時，可直接增強CPU來進行性能提升。

控制對象為傳輸系統(tǒng)，包括升降系統(tǒng)和滾床系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)信號燈。利用滾床將工件送至工位，通過升降機調(diào)整工件位置并實現(xiàn)流水線生產(chǎn)，外圍信號燈按鈕控制輸入輸出。

滾床包含滾床和撬體，撬體主要用來運輸車身，而滾床主要運輸撬體。生產(chǎn)線布置兩條滾床線，并通過合理配置將各工位構(gòu)成連續(xù)的車身輸送線。輸送線參考圖1。

重點的傳感器系統(tǒng)使用SICK-S300專業(yè)光柵，可設(shè)置8個可選擇報警區(qū)域，掃描范圍最大可達7m。無觸點電子開關(guān)用于檢測升降設(shè)備停止、啟動，通過位置，檢測部件位置燈，可控制電機轉(zhuǎn)速和速度，可進行計數(shù)等。

3.3 軟件設(shè)計

軟件時PLC控制系統(tǒng)的關(guān)鍵點，以升降機滾床位置流程圖為例，基本控制流程為：開始→升降機是否到限位/接收工位是否就緒→滾床開始傳送→滾床傳送完成→升降機至零位→滾床位。依據(jù)這基本流程，進行程序設(shè)計，以滿足升降滾床的自動作業(yè)要求。具體來講當升降機上升或下降到固定位置，滾床位開始工作，將撬體帶車身部件送至升降機，再由升降機傳輸，此時若上一站沒有撬體輸送過來，則等待傳輸，這里涉及了其他的控制系統(tǒng)，即焊接控制系統(tǒng)，需要等待工業(yè)上的車身焊接完成后才能進行輸送。

4? 結(jié)束語

綜上所述，汽車制造與基于PLC的電氣自動化控制之間存在著緊密聯(lián)系，早在上世紀70年代，基于PLC的電氣自動化控制系統(tǒng)便應(yīng)用于汽車制造當中，通過PLC及其配套硬件對汽車制造相關(guān)機械設(shè)備進行自動控制能夠顯著提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)可靠性和連續(xù)性。PLC作為工控領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備，它以電氣控制電路為基礎(chǔ)，實現(xiàn)全自動電氣自動控制。

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