基于PLC控制的自動化生產系統

袁雨桐

摘 要：針對我國的一些生產企業生產效率低下、可靠性差以及系統處理復雜等問題，提出了一種以PLC作為控制核心，對生產系統的每個環節進行控制的自動化生產系統。該系統能夠對生產過程中的每個環節進行檢測與控制，并將檢測結果發送給PLC控制單元，由PLC對檢測信號進行處理之后，發起相應生產環節的動作控制命令。重點介紹了系統的整體組成、硬件平臺、軟件平臺，并最終表明，該系統具有高的可靠性，運行穩定，很大程度上提高了生產系統的生產效率。

關鍵詞：PLC;自動化生產系統;軟件;硬件

中圖分類號：TB ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.07.094

0 引言

隨著社會的不斷發展，我們國家工業生產的負擔越來越重。通過將一些新的科學技術、新的方法應用到工業生產系統里面，通過改善落后的生產技術，能夠幫助我們提高工業化自動生產的效率和可靠性。目前雖然很多的工業企業已經采用了自動化的生產系統，但也都存在一些缺點，比如農作物生產只是在收割環節采用了機械自動化收割技術，而在分練等環節仍然采用的是人工;機械加工行業來應用自動化對加工器件進行控制，但是很多的機械仍然超負荷運作，并且各個生產環節配合度較差。這些傳統的生產方式已經處于落后的地位，都有其明顯的缺點，已經不能夠滿足人們日益增長的生產的需求。

自動化生產不應該只是滿足生產環節的自動化，還應該要求在送料、裝配以及運輸等其他環節均采用自動化。PLC除了能夠進行一些基本的運算之外，還能夠通過自身的外部接口與外部設備相連接，去實現對外部設備的控制。PLC取代了以往落后的控制方式，具有編程簡單、體積小、能耗低、可靠性強等特點，并且開發周期短，維護起來也比較方便，是應用在自動化生產控制系統中的首選器件。隨著工業產品的應用越來越廣泛，通過以PLC為核心的綜合生產管理系統去控制多個生產環節具有重要的應用意義。

1 自動化生產系統總體設計

在自動化生產系統的總體設計中，選擇S7-300系列PLC作為主要控制部分，通過模塊化的分工設計，對自動化生產的送料環節、加工環節、裝配環節、輸送環節和分練環節進行智能化的控制。在五個生產環節中分別設置一臺PLC作為該環節的主要控制核心部分，不同生產環節之間的PLC通過串行RS485總線來實現互相通信。通過這種分布式的自動化生產系統設計，具有通用性強、生產周期短、成本低等優點，除此之外，這種分布式的自動化生產結構，當其中一個環節出現故障的時候，也不會影響其他環節的生產工作，提高了系統的生產效率。系統的總體設計方案如圖1所示。

2 自動化生產系統硬件設計

2.1 硬件選型

PLC是整個生產控制系統中的核心控制部分，起著十分重要的控制作用。在對PLC進行選型的時候主要關注兩個指標，一個是存儲容量的大小，一個是整個系統所需要的功能。經過綜合考慮之后，最終選擇S7-300系列PLC作為整個供水控制系統的核心控制模塊。

S7-300系列系列產品產生于21世紀初期，是一款性價比十分高的PLC產品。它具有很強的電磁兼容特性，較高的耐沖擊性能，十分強大的環境適應能力，已經被廣泛應用于化工、交通、智能通信等很多領域。S7-300在其產品的內部集成了很多的模塊，比如接口模塊、CPU模塊、編成模塊等，是一款集成度高的高性能產品，能夠滿足一般控制的需求，它的主要系統架構如圖2所示。

2.2 輸送單元PLC模塊

輸送單元是自動化生產系統中任務最繁重的一個環節，它需要為其他的環節進行輸送任務。輸送單位的PLC同時也要實現與其他各個環節的通信功能，在控制的過程中，輸送單元的PLC通過與外圍電路的晶體管相結合，發送高速脈沖信號來實現與其他環節的通信功能，其中輸送單元的輸入信號有指示燈、控制開關等信號，輸出信號主要包括控制信號、驅動信號等。

2.3 供料單元PLC模塊

由于S7-300系列的PLC它是一個模塊化的產品，因此在供料環節要注意對PLC的各個模塊的安裝順序與位置，比如要先安裝電源模塊與CPU，然后再去對I/O 信號模塊以及通信處理模塊等其它模塊進行安裝。PLC的系統配置也要遵循一定的原則，具體規定如下：

（1）在CPU附近安裝的信號模塊最多不能超過8個。

（2）PLC所有模塊的總電流值都要受PLC背板總電流值的限制。

（3）對于機架的擴展數量最多不得超過4個。

（4）需要對機架進行擴展的時候，要使用IM模式進行擴展。

2.4 加工單元PLC模塊

加工單元是整個自動化生產系統中最重要的環節，在加工做成中，待加工的物料需要從運輸臺傳輸到加工區域，在沖壓氣缸下方對工件進行加工，對加工好的物料成品再經過傳輸臺運送到裝配單元。其中加工單元的輸入信號有停止和啟動控制信號、工作模式切換信號;輸出信號主要有指示燈和電磁鐵控制信號。

2.5 裝配單元PLC模塊

裝配單元主要完成的功能是對半成品的裝配，其中包括裝配機械手和轉臺等設備，PLC在該環節要完成對這些設備的控制。其中PLC的輸入信號主要有傳感器信號和停止和啟動控制信號;輸出信號主要有指示燈和電磁鐵控制信號、變頻器控制信號。

2.6 分練單元PLC模塊

分揀單元是自動換生產控制系統的最后一個環節，該環節主要實現對工件的分練，其中PLC的輸入信號主要有傳感器信號和停止和啟動控制信號;輸出信號主要有指示燈和電磁鐵控制信號、變頻器控制信號、警示燈信號和指示燈信號。

3 自動化生產系統軟件設計

3.1 PLC編程原理

PLC是一款具有可編程功能的器件，通過事先對其進行編程去實現對整個供水控制系統的控制。既然PLC具有可編程的功能，那么就一定有一款適用它的邏輯編程語言。適用于PLC的編程語言主要有語句表、梯形圖、功能圖等各種語言。其中梯形圖因為具有編寫直觀、形象的特點被大多數的用戶所選用。

梯形圖的原理跟繼電器的原理很相似，因此這也是為什么越來越多的人采用PLC代替繼電器進行控制的原因。PLC能夠直接對繼電器的原理圖進行一定的格式轉換，轉換成適用于梯形圖編程方式的程序語言，從而將其設計成PLC控制程序。

PLC的梯形圖編程一般遵循以下的原則：

（1）每一行的邏輯程序從左母線開始，通過觸點進行連接，最后連接到右母線。其中要注意左母線不能直接與右母線進行相連接，中間必須經過觸點進行連接，右母線是一行程序的終點，右母線之后不能夠再與其他的任何右母線相連接。

（2）梯形圖的觸點主要有兩種：一種為常開觸點;另一種為常閉觸點。這些觸點之間可以以串聯或者并聯的方式進行連接。

（3）觸點能夠在編程的過程中被多次的使用，不限制次數。

（4）在PLC的梯形圖編程模式下，程序的運行順序要遵循自上到下以及自左到右的原則。程序的運行遵循自循環的原則，當程序運行到結尾之后，它又會從頭開始進行程序的運行。

（5）對先進行了串聯的電路再進行并聯操作時，應該按照串聯電路中觸點由多到少的順序自上而下的對多個串聯電路進行并聯操作。

（6）梯形圖中所有的觸點和線圈都有他們自己的地址，在編程的過程中要確保所有的被使用的地址都在PLC定義的范圍內。

3.2 PLC控制程序設計

PLC的編程工具選擇的為STEP7。STEP7編程工具是一種結構化的編程工具，能夠以文件塊的形式管理程序以及其所運行的數據。STEP7編程工具編寫的程序具有組織結構清晰，容易理解和修改等優點。

由于 STEP7編程工具的模塊化編程特點，本文將控制系統的程序進行了模塊化的劃分，分別編寫在不帶記憶功能的用戶子程序模塊（FC）中，數據跟變量存放在用于存取數據的數據塊（DB）中， OB為主程序中用于循環處理的組織塊，在OB中可以對各個用戶子程序模塊FC進行調用。

根據控制系統的具體工作性質和具體的工作流程，需要對各個子單元進行控制，因此系統的程序又可以分為以下幾個程序結構組成如圖3。

其中，手動控制程序主要用來對運作機械的手動參數進行修改，以及在調試階段對各個模塊的功能進行檢測等;自動運行程序主要的目的是對手動操作的一個循環執行過程;公共子程序是整個程序的核心部分，該程序模塊能夠實現整個系統的初始化、控制模塊的啟停、控制模塊的具體運行方式等。

4 結論

本文在了解了自動化生產系統的現狀以及對PLC技術進行研究的基礎上，針對目前一些工業生產企業工作效率低下、生產設備可靠性差等問題，提出了基于PLC控制自動化生產系統。針對控制系統的整體環境進行了搭建，并針對具體的應用環境對PLC進行了選型，并研究了PLC的編程技術，通過編程去控制機器的工作，從而實現對整個自動化生產控制系統的控制。

參考文獻

[1]鄧國超.基于PLC的生產自動化控制系統的開發與設計[J].自動化與儀器儀，2016，8（2）：37-39.

[2]許德浩.基于PLC控制的恒壓供水系統設計[D].天津： 天津大學，2012.

[3]李秀忠.基于S7-300 PLC和ET200S的電鍍生產線自動控制系統設計[J].自動化與儀器儀表，2015，（7）：134-136.

[4]馬華杰，袁永軍.基于CC—Link總線方式的機械加工自動線控制系統設計[J].機床與液壓，2017，45（23）：1-3.

[5]張凌志，何文雪.基于PLC的PCB板檢測與分揀生產線控制系統設計[J].制造業自動化，2019，41（10）：80-83.

[6]梁新平.基于PLC的自動化生產線控制系統設計[J].機電一體化，2017，（4）：50-53.

[7]譚寶.智能樓宇中變頻恒壓供水控制系統的設計與實現[J].自動化與儀表，2017， 7 （10）：45-48.

[8]許川佩，彭圣華.基于PLC的自動化生產線控制系統[J].電氣應用，2016，（11）：71-75.