基于PLC 自動控制實訓平臺的研究與開發★

武海燕，關銳鐘

（山西職業技術學院，山西 太原 030006）

引言

自動生產線是一種以自動化、信息化、機械化等新型科技為基礎，可完成產品自動化生產的機器體系。通過自動控制完成對生產過程中加工、檢測、裝卸、運輸等工序的自動運行，最終實現產品的自動化生產，在提高企業的生產效率和產品質量的同時，降低制造成本[1-4]。自動生產線要求每道工序上的各種機械裝置能夠自動完成預定目標，并且達到產品的質量要求。為了實現上述目標，就需要生產線上每道工序之間能夠通過自動輸送和輔助裝置實現有序銜接，將各個部件之間的動作通過液壓和電器系統組合起來。由于自動生產線中大量應用跨學科技術，其中包括傳感技術、計算機技術、接口技術等，因此只有進行有效的組織，才能實現生產線整體的優化[5-8]。

自動生產線實訓平臺著重培養機電專業類人才的專業技術和技術應用能力，以及團隊合作精神和創新能力。本文研究的實訓平臺包括有安裝送料、加工、裝配、輸送、分揀等工作單元，采用了變頻器驅動、氣動驅動、步進電機位置控制等技術，各個單元均通過PLC 進行控制，從而達到更好的模擬效果。

1 總體設計

1.1 自動化實訓平臺的組成

本文研究的自動化實訓平臺主要包括五個單元，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，其中每個單元都是一個獨立的機電一體化系統，完成設定任務。輸送和裝配單元中應用了機械手裝置，整體運動通過位置控制、步進電機驅動實現其精密定位；分揀和輸送中采用了電機驅動。自動實訓平臺通過采用各種不同類型的傳感器，實現對物體位置、顏色、狀態、材質等特性的自動識別。實訓平臺的控制采用RS485 串行通信的PLC 網絡控制方案，即系統每個獨立單元都采用一臺PLC 控制，然后通過RS485 對各PLC 進行串行的控制方案。

1.2 自動實訓平臺各單元的功能和組成

下頁圖1 所示為自動實訓平臺整體分布圖，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精確定位，抓取固定物料后運送至指定位置；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構工作臺上，進行沖壓加工，加工完成后再由輸送單元機械手抓取至輸送單元；裝配單元實現對料倉中各工件的組裝工序；分揀單元從不同料槽中對組裝好的部件按照不同顏色進行分揀。自動實訓平臺為半開放式設計，操作過程中可以根據實際情況選擇設備組成單元的數量和類型。上述工作單元全部設計在實訓平臺上，從而為系統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構。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，最大限度滿足系統實訓平臺綜合使用的功能。

智能化實訓平臺通過應用各種傳感器技術、先進機械技術、PLC 控制和組網、變頻器技術以及步進電機位置控制等模塊單元，使得實訓平臺盡量接近實際生產過程，讓學習和研究者有更好的教學設備環境。

2 控制面板的設計及系統任務

2.1 控制面板的設計

圖1 自動實訓平臺整體分布圖

控制面板的設計對實訓平臺的使用至關重要，合理的控制流程不僅操作方便，而且能夠提高實際生產效率[9]。自動實訓平臺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、步進電機驅動模塊。

圖2 控制面板示意圖

電源模塊主要包括電源開關、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、停止和復位三種按鈕，其中啟動按鈕主要控制系統的開始運行時間，在滿足啟動條件下，按下啟動按鈕，系統進入正常工作狀態；停止按鈕與啟動按鈕相反，主要控制系統停止運行時間，但是按下停止按鈕，系統需要在完成當前工作周期后才會自動停止；復位按鈕主要是在系統出現故障或者其他緊急情況下使用，按下復位按鈕，系統相應的模塊單元將停止工作；PLC 模塊通過輸入激勵，并為CPU 提供解析，進而控制系統中各執行元件；變頻器模塊主要為異步電機提供所需的電源電壓，實現調速和保護功能；步進電機驅動器模塊為輸送單元中步進電機的驅動器。

2.2 系統任務

自動生產線實訓平臺的主要任務如圖3 所示：系統的控制方式為PPI 網絡方式，其中輸送站為主站，其他站點為副站。輸送站的按鈕和指示燈模塊與系統的主令工作信號相連接，進而通過裝配單元的警示燈來顯示系統的不同工作狀態，如啟動、報警、停止等。在系統運行過程中，復位指令的優先級別最高。當系統接到復位指令后，各機械手裝置需要恢復到起點位置系統警示燈顯示常綠狀態，說明此時系統具備了啟動條件。自動實訓平臺的一個工作周期為分揀站分揀完成，并且輸送站所有機械手全部復位，在沒有按下系統停止按鈕時，系統會在固定的時間間隔后自動開始下一個生產周期，通過上述循環完成產品的不間斷生產。若在正常工作周期完成后按下停止按鈕，系統工作結束，綠色指示燈亮，黃色指示燈滅；當系統收到供料不足的報警信號后，紅色警示燈就會開始閃爍，黃色和綠色指示燈均不發生變化。

圖3 實訓平臺工作流程圖

3 控制設計

3.1 控制方式的選擇

根據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、行程開關等，其特點是抗干擾能力強，易于維修，價格便宜。但是由于接觸觸點較多、結構復雜，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，使得系統程序變得更困難，通用性差，不適合復雜的氣動回路。

可編程控制器（PLC）是一種數字運算操作的電子系統，在傳統繼電器控制的技術上融入現代計算機技術。其主要特點為：通過PLC 將各種微電子中的邏輯功能轉化成了物理繼電器、計時器的組合體；PLC將計算機編程語言轉換成以繼電器梯形圖為基礎的模塊化程序結構，極大地增加它的了實用性[10-11]。

根據課題的實際情況，自動實訓平臺選擇可編程邏輯控制器網絡控制方式。為了滿足系統同時具有分散和集中控制的要求，系統中五個模塊都對應有獨立的PLC 控制器，相互之間通過網絡連接進行通訊，系統PLC 與外部設備的連接如圖4 所示。

圖4 PLC 與外界設備連接框圖

3.2 PLCS7-200 基本功能的實現

西門子S7-200PLC 系列控制器，通過監視現場輸入狀態，并根據相關控制邏輯改變其輸出狀態，實現對設備開、關的控制，從而滿足設備的自動化要求，因此在工業控制領域被廣泛使用。其模塊化的組成結構，能夠充分實現分配式布置，另外，它具有較強的抗震效果，電磁兼容性較好，性價比高。

PLC 的輸入、輸出功能是CPU 與被控制設備之間的橋梁。系統通過現場安裝的各種類型傳感器將實時數據傳遞到PLC 的輸入模塊，再通過CPU 的運算和處理，然后通過輸出模塊將邏輯結果和控制命令送出，實現對實訓平臺各模塊的控制。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、工作負載電壓。輸出端子通過設置不同的隔離組，且所有隔離組擁有同一個公共端，使得各隔離組可以根據實際情況匹配不同的工作負載。

3.3 PLC 網絡的設計

為了滿足系統具有的集中控制和分散控制的特點，系統中五個模塊分別采取獨立的PLC 控制器進行控制，各PLC 之間通過RS485 串行通訊實現互連。控制器之間通過網絡連接進行通訊，其通訊采用PPI協議，從而使得系統中每一個工作模塊均成為一個工作站。由于自動實訓平臺中輸送單元的PLC 輸入口與各按鈕、開關信號相連接，從而提供系統運行信號，因此將輸送站定義為主站，其余站定義為從站。

3.4 氣動控制的設計

電磁閥作為一種常用的基礎性控制元件，其主要作用是通過調節電磁閥閥芯位置來控制系統中流體的流動方向。電磁閥兩側電磁塊是否通電，決定閥體的移動方向。當閥體的移動位置不同時，與電磁閥內部密閉腔體中通孔連接的油管就處于開、關不同狀態。通過控制閥體從而使得進氣孔常開，活塞桿兩端壓力差推動活塞桿移動，從而帶動相關機械裝置運動。本文設計的自動實訓平臺采用雙作用氣缸的排氣節流調速回路，在工作過程中，排氣腔內建立了與負載相適應的被壓，從而保證系統負載不變或者較小變化時能夠平穩運行。

4 結語

本文以學校實訓平臺建設為依托，通過對智能化實訓平臺的設計、組成以及各模塊功能的分析，明確了平臺的工作原理。該平臺采用國內外先進的氣電混合自動控制方式，在充分結合PLC 技術、電子技術、傳感器技術、計算機技術的基礎上將傳統機械裝置與PLC 相結合，模擬實際生產工況，實現了產品的自動化、規模化、高精度的加工；其集中控制和分散控制的特點，使得平臺能夠根據后續教學需要重新進行設計和選擇。通過實訓平臺在教學中的應用，證明了該設計方案的可行性。