生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計研究

甘梓堅

摘 要：自機械化時代到來之后，生產(chǎn)流水線就被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。生產(chǎn)流水線的基本原理是將一個生產(chǎn)重復(fù)的過程進行分解，使其成為若干個子過程，且前一個子過程為下一個子過程創(chuàng)造執(zhí)行條件，有效提高了生產(chǎn)效率。隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)下的生產(chǎn)流水線已經(jīng)難以滿足生產(chǎn)的需要，積極研制新型控制系統(tǒng)，提高流水線生產(chǎn)效率成為各個企業(yè)技術(shù)革新的目標。文章對可編程邏輯控制器（PLC）生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計進行了探討。

關(guān)鍵詞：生產(chǎn)流水線；PLC；電氣控制系統(tǒng)

中圖分類號：TM921.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）03-0107-03

Abstract： Since the advent of mechanization， the production of pipeline has been used in industrial production. The basic principle of pipeline production is to decompose a repeated production process into several sub-processes， and the former sub-process creates the execution conditions for the next sub-process， which effectively improves the production efficiency. With the development of the times， the production of pipeline under the traditional control system has been difficult to meet the needs of production. Actively developing a new control system to improve the efficiency of pipeline production has become the goal of technological innovation. This paper discusses the design of the electric control system for the production of pipeline by programmable logic controller （PLC）.

Keywords： assemble line； PLC； electrical control system

伴隨著工業(yè)化的發(fā)展，作為一種專門應(yīng)對工業(yè)環(huán)境而設(shè)計的數(shù)字運算操作電子設(shè)備，PLC因其功能性強、可靠性高、編程簡單、對環(huán)境要求較低、便于控制等優(yōu)勢被全面應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。

計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展迅速，工業(yè)控制系統(tǒng)逐漸向自動化、遠程化、智能化控制發(fā)展，在此背景下，生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)的自動化與智能化成為必然發(fā)展趨勢。為實現(xiàn)生產(chǎn)流水線的自動化控制，應(yīng)實現(xiàn)更多復(fù)雜穩(wěn)定的功能，如：各機構(gòu)預(yù)定的各個程序應(yīng)實現(xiàn)自動化，工件上下料、定位加緊等均應(yīng)自動化，基于此，PLC在工業(yè)生產(chǎn)中的優(yōu)勢越發(fā)凸顯。

生產(chǎn)流水線主要是指在一定線路上連續(xù)輸送貨物的一種搬運機械，在產(chǎn)品加工、分揀及運輸過程中起著重要的作用。目前，我國多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)流水線均采用PLC進行自動化控制，簡化了接線過程，便利了設(shè)備維護，真正實現(xiàn)了少人值班甚至無人值班，提高了生產(chǎn)效率。

1 PLC的特點

1.1 較強的可靠性與抗干擾能力

在電氣控制系統(tǒng)中，為保障系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最佳效果，必須具備高可靠性。PLC采用的技術(shù)為現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，其內(nèi)部電路采用了高抗干擾性技術(shù)，具有較高的可靠性，因此，在電氣控制系統(tǒng)中，應(yīng)用PLC能夠取到較好的效果。

1.2 較強的適應(yīng)性

由于PLC的快速發(fā)展與應(yīng)用，市場上出現(xiàn)了不同規(guī)模的產(chǎn)品，被應(yīng)用于不同的工業(yè)控制場合中。當前，PLC隨著發(fā)展出現(xiàn)了諸多功能單元，PLC已被貫徹落實至溫度控制、位置控制等工業(yè)控制領(lǐng)域，相信，隨著PLC各種能力的不斷提高，其適應(yīng)場合、適應(yīng)領(lǐng)域等也會不斷拓展。

1.3 維護、改造相對便利

如今，工業(yè)控制中應(yīng)用的PLC多采用接線邏輯，有效減少了控制設(shè)備的外部接線，PLC的應(yīng)用有效縮短了電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的時間，維修也相對便利，僅需要改變同一設(shè)備程序，生產(chǎn)過程也會改變，是多品種、小批量生產(chǎn)流水線上的理想控制器。

1.4 被工程技術(shù)人員廣泛認可

目前，PLC已經(jīng)成為一種通用型的工業(yè)控制計算機，PLC主要是依據(jù)工業(yè)、礦業(yè)生產(chǎn)研發(fā)的。PLC具有接口簡單、編程語言簡單等特點，工程技術(shù)人員能夠快速掌握并有效應(yīng)用。并且，PLC以梯形圖語言為表達方式，與繼電器電路圖類似，僅需要小部分開關(guān)量邏輯控制指令，就能夠達到與繼電器電路相同的效果，可見，PLC的優(yōu)勢明顯。

2 生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1 電氣控制系統(tǒng)應(yīng)具備的主要功能

（1）數(shù)據(jù)采集。為實現(xiàn)生產(chǎn)流水線的自動化、智能化控制，設(shè)計人員應(yīng)首先對電氣控制系統(tǒng)、流水線、PLC及其他機電裝備的工作參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)等信息進行獲取，傳感器能夠獲取準確、有效的數(shù)據(jù)參數(shù)，因此，在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計中，傳感器是必不可缺的元件。

（2）數(shù)據(jù)管理。在傳感器對生產(chǎn)流水線相關(guān)參數(shù)采集完畢后，應(yīng)利用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至上位機，對此，上位機應(yīng)具備數(shù)據(jù)管理功能，能夠?qū)κ盏降臄?shù)據(jù)信息進行編輯加工，進而通過人機交互合理表達數(shù)據(jù)信息，供工作人員獲取信息。

（3）自動生產(chǎn)。PLC的有效應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)電氣控制系統(tǒng)的自動控制，在無人工干預(yù)下，生產(chǎn)流水線自動運行，可完成全部生產(chǎn)動作。注意：為實現(xiàn)流水線全過程的自動化，設(shè)計人員在PLC編程過程中，應(yīng)將生產(chǎn)流水線的全部動作進行編程控制。endprint

（4）遠程控制。為實現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)的自動化控制，遠程控制是不可缺少的部分。該項功能的主要表現(xiàn)如下：上位機利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)布控制指令，電氣控制系統(tǒng)積極響應(yīng)，生產(chǎn)流水線自動運行。遠程控制功能的實現(xiàn)使電氣控制系統(tǒng)真正達到了設(shè)計的初始目標：自動化、智能化、遠程化。

2.2 電氣控制系統(tǒng)應(yīng)具備的主要結(jié)構(gòu)

（1）上位機：在生產(chǎn)流水線的電氣控制系統(tǒng)中，上位機主要指代的是數(shù)據(jù)管理終端設(shè)備，如：PC機、工控機等。在電氣控制系統(tǒng)運行中，上位機主要有兩種功能：管理傳感器采集并上傳的數(shù)據(jù)、向控制系統(tǒng)發(fā)布指令。為實現(xiàn)上述功能，上位機應(yīng)具備專用管理程序，如PLC，具備良好的人機交互性。為提高上位機人機交互性，通常借助組態(tài)軟件開發(fā)人機交互程序，以此再現(xiàn)生產(chǎn)狀態(tài)、被控對象狀態(tài)等。

（2）下位機：下位機的核心主要是指數(shù)據(jù)采集與獲取的相關(guān)設(shè)備，如：傳感器、PLC等，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如：交換機、路由器等。傳感器被用來采集生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息、位置信息等一切必要數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備傳輸至上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計管理與電力系統(tǒng)的遠程控制。

3 生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 生產(chǎn)流水線所需元件簡單介紹

（1）落料光電傳感器：主要用來檢測傳輸帶上是否有物料，并將檢測信號傳輸給PLC，PLC對信號進行判斷，若傳輸帶上存在物料，則PLC將信息傳遞給上位機，上位機利用網(wǎng)絡(luò)對電氣系統(tǒng)遠程控制，流水線傳輸帶啟動。（2）放料孔：主要定位物料落料，使物料落在準確位置。（3）金屬料槽：主要用來放置金屬物料。（4）塑料料槽：主要用來放置非金屬物料。（5）電感式傳感器：用來檢測金屬材料，檢測距離約在3mm-5mm之間。（6）電容式傳感器：主要用來檢測非金屬材料，檢測距離約在5mm-10mm之間。（7）三相異步電機：為流水線不可缺少的部分，用來驅(qū)動傳輸帶轉(zhuǎn)動，元件開啟或閉合受控于變頻器。（8）推料氣缸：元件開啟后，能夠自動將物料推入料槽，受控于雙向電控氣閥。

要想實現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)的自動化，生產(chǎn)流水線應(yīng)首先具備自動化功能。由流水線所需的各項設(shè)備作用可以看出，生產(chǎn)流水線完全具備無人工下的自動運轉(zhuǎn)功能。

3.2 生產(chǎn)流水線的程序設(shè)計

在生產(chǎn)流水線自動化設(shè)計開始前期，技術(shù)人員提出了一定要求，即：利用PLC與變頻器控制交流電動機的運轉(zhuǎn)，利用交流電動機運轉(zhuǎn)帶動流水線運輸帶運行，以此保障交流電動機持續(xù)運行。

在交流電動機轉(zhuǎn)動中，共有五個可選檔位，一檔轉(zhuǎn)速600r/min，二擋轉(zhuǎn)速900r/min，三檔轉(zhuǎn)速2100r/min，四擋轉(zhuǎn)速2700r/min。上述四個檔位均是正向轉(zhuǎn)動，五檔是反向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為1500r/min。在生產(chǎn)流水線運轉(zhuǎn)時，若采用二級電機，則上述轉(zhuǎn)速均可使用；若采用四級電機，則應(yīng)用轉(zhuǎn)速為上述轉(zhuǎn)速的二分之一；若采用六級電機，則可應(yīng)用轉(zhuǎn)速為上述轉(zhuǎn)速的三分之一，以此類推。

在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，按鈕SB1可啟動電動機，使生產(chǎn)線進入運行狀態(tài)；按鈕SB2可關(guān)閉電動機，使生產(chǎn)線進入靜止狀態(tài)；SB3能夠控制電動機正方向運轉(zhuǎn)；SB4控制電動機反向運轉(zhuǎn)；按鈕SB5可控制電動機以一檔轉(zhuǎn)速運行，以此類推，為電動機每項狀態(tài)設(shè)置一個按鈕，當工作人員需要電動機進入某一狀態(tài)時，可直接利用計算機發(fā)布命令，最后由上位機進行控制，既能便利人工觀察，又可提高生產(chǎn)流水線的自動化運轉(zhuǎn)。

3.3 電氣控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

（1）硬件設(shè)計。在電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計中，PLC是不可或缺的部分，設(shè)計人員應(yīng)將各種類型的PLC在體積、價格、速度、功能等方面進行比較。例如，本次設(shè)計最終選擇西門子公司S7-200系列CPU 224XP CN，該系列產(chǎn)品適用于單機自動化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)輸入信號為開關(guān)量信號，輸出為負載三相交流電動機接觸器。PLC具有10個輸出點，14個輸入點。

在電氣控制系統(tǒng)自動控制生產(chǎn)線時，PLC控制模塊利用通信電纜將控制信息傳輸至變頻器模塊，改變電源頻率，頻率變動影響與PLC連接的電動機，可改變電動機轉(zhuǎn)速，最終起到自動控制生產(chǎn)流水線速度的目的。在本次電氣控制系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計師采用的是具備RS-485通信接口的變頻器，PLC能夠通過自身通信接口與變頻器實現(xiàn)信息流動，達到控制變頻器運行的目的。并且，PLC的連接，能夠靈活讀取變頻器的電壓、電流等全部報警信息，降低流水線運行故障，提高生產(chǎn)效率。

在電氣控制系統(tǒng)中，變頻器也是其中的重要部分，主要用于信息采集與傳輸。一般來講，變頻器是由整流器、平波回路、逆變器三部分組成的。變頻器通過上述三部分及電力半導(dǎo)體器件的PWM控制，對工頻交流電電源進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成電壓可變或頻率可變的交流電電源，實現(xiàn)電動機自動調(diào)速運行。

（2）軟件設(shè)計。西門子S7-200系列CPU 224XP CN型號PLC的編程軟件主要是STEP7-Micro/Win32，該軟件主要運行在計算機Windows系統(tǒng)中，該型號PLC具有界面簡單、功能較強、程序操作簡便、易于被操作人員掌握與應(yīng)用等優(yōu)勢。在電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中，設(shè)計人員利用PC/PPI編程電纜將計算機RS-232串口、S7-200系列PLC的RS-485通信接口連接之后，編程軟件即可向PLC下載應(yīng)用程序或上傳設(shè)計人員所編寫的應(yīng)用程序。在軟件程序運行中，技術(shù)人員應(yīng)安裝監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控PLC運行情況，若PLC運行出現(xiàn)問題，即可通過強制命令調(diào)試PLC，保障PLC良好運行。

在STEP7-Micro/Win32主界面中，系統(tǒng)菜單、工具欄幾乎提供了各種功能，編輯資源如：程序塊、符號表、狀態(tài)圖等均根據(jù)指令樹結(jié)構(gòu)的模式列出，交由編輯區(qū)編輯程序。本次設(shè)計中，編程結(jié)構(gòu)使用的是模塊化編程體系，該體系具備結(jié)構(gòu)簡單、組織方便、編寫規(guī)模大等優(yōu)勢。

3.4 最終測試

在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計完成之后，為了解系統(tǒng)是否能夠真正實現(xiàn)對生產(chǎn)流水線的自動化、智能化、遠程化控制，設(shè)計人員要對電氣控制系統(tǒng)進行最后測試。

在系統(tǒng)啟用前，技術(shù)人員要對生產(chǎn)流水線及控制系統(tǒng)進行最后檢測，保障生產(chǎn)線每一設(shè)備均處于規(guī)定位置，電氣控制系統(tǒng)每一程序、每一元件均準確無誤。下達開啟命令，觀察生產(chǎn)流水線是否自動化運轉(zhuǎn)，觀察金屬元件或非金屬元件是否準確進入對應(yīng)放料口，觀察交流電動機轉(zhuǎn)動是否與對應(yīng)按鈕同步，觀察生產(chǎn)流水線是否能在無人工下自動生產(chǎn)。觀察完畢后，下達停止命令，觀察生產(chǎn)流水線是否停止。在生產(chǎn)流水線運行時，技術(shù)人員可突然斷開電源，模仿突發(fā)性停電事故，在恢復(fù)供電后，再次啟動電氣控制系統(tǒng)，觀察生產(chǎn)線運行是否處于正常狀態(tài)，若仍正常，則電氣控制系統(tǒng)設(shè)計完好，可投入使用。若出現(xiàn)問題，技術(shù)人員應(yīng)快速檢查，及時修復(fù)，再次進行測試，直至電氣控制系統(tǒng)能夠有效控制生產(chǎn)流水線自動化、遠程化運行。

4 結(jié)束語

綜上所述，PLC系統(tǒng)的有效利用，能有效推動電氣控制系統(tǒng)的自動化、智能化與遠程化，提高生產(chǎn)流水線的效率。PLC具有結(jié)構(gòu)簡單、編程便捷、操作性強等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)流程的自動化控制系統(tǒng)中，市場發(fā)展遠大。

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