基于PLC的機械設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備的自動化控制進行了闡述分析，設計了一套基于PLC的汽車制造機械設備電氣自動化控制系統，以期對汽車制造行業的發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.

關鍵詞：汽車制造;機械設備;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域，涉及很多技術門類，在工業發展過程中，早期利用繼電器來實現自動化控制，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域的重要裝備。汽車制造領域的電氣自動控制，也是從基于繼電器的自動化控制，轉型為基于PLC的自動化控制。通過PLC來實現對汽車制造領域機械設備的自動化控制是汽車工業發展的助推劑，也是未來汽車智能制造的重要基礎。

1? PLC與電氣自動化控制

1.1 PLC

可編程控制器即PLC，是一種在預先設定好的程序下自動運行，可進行開關量控制、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備的工況信息，并在CPU上進行處理，設定好程序中有關于控制程序啟動的閾值，CPU根據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整機械設備的運行參數，若需要調整則轉換信號，向機械設備的控制裝置如變頻器發送指令，通過調頻來實現對機械設備的自動控制。

1.2 電氣自動化控制

電氣自動化控制是針對機械設備運行的控制，為滿足設備運行要求，常常需要很多輔助電氣裝置，比如開關、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，實際本質也是具有自動開閉功能的開關。繼電器作為早期自動控制領域的關鍵裝置可以用在很多控制系統當中，不過最為常用的控制系統還是離散型控制系統。

1.3 PLC在電氣自動化控制中的角色

PLC可靠性強，穩定性好，在一個電氣自動化控制系統當中，只要PLC不出現問題，系統一般都會按照PLC程序設定運行。雖然基于PLC的控制系統中依然需要用到繼電器，但是不再是人員操控相關裝置來控制繼電器，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，而是去適應主電路，并通過控制繼電器輸出來實現自動控制，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自動控制。PLC強大的邏輯計算能力為連續生產過程的模擬量控制提供了巨大支撐，而帶有NC單元的PLC則可以執行運動控制。

2? 基于PLC的電氣自動化控制實現思路

機械設備的基于PLC電氣自動控制系統，一般都要求系統能夠實現設備自動動作，滿足產品生產要求和生產效率要求，則控制系統必須要保證足夠的安全性和可靠性，且控制系統本身也應當盡量簡化，過于復雜的系統將影響控制系統的安全可靠性，同時相對簡化的控制系統，具有成本優勢，也具有維護簡單，操作方便的優點。

為了保證基于PLC的控制系統有效運行，關鍵點在于：一方面，必須根據電氣自動控制流程，選擇恰當的PLC。對于汽車制造生產線來講，由于早期繼電器已經不適應汽車制造需求。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。經過幾十年發展，目前PLC品牌多樣化，在選擇PLC時需要考慮是否具有經濟性，是否滿足生產需要，工作環境是否復雜，工藝流程當中是否存在可變參數等等。

進一步還要根據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備，要求統計I/O點數，確定好I/O點數才方便選擇最佳的PLC，也是能否完成自動控制的關鍵。要求分析電路中的元器件與被控制對象（汽車制造機械設備）的工作流程，確定I/O點數，并據此確定存儲容量，確定最佳硬件。

硬件確定后，應根據工藝流程，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鍵，一般方法是根據工作流程出具系統控制流程圖，確定控制順序和條件，然后根據梯形圖設定程序。這方面要求現場操作人員具備電氣設計經驗以及電氣控制相關知識。

3? 基于PLC的電氣自動化控制在汽車制造中的應用

隨著汽車改款，生產線就必須要調整，控制電路也就需要隨動調整，使得基于繼電器的電氣控制系統生產效率陷入瓶頸。隨著PLC的出現汽車制造生產線逐步實現全自動化控制方式，對汽車制造行業的發展提供了非常巨大的助力。因此此節重點探索基于PLC電氣控制在汽車制造當中的應用，并運用PLC對汽車制造相關機械設備進行自動化改進。

3.1 總體描述

以汽車車身焊接生產流水線作業為主要目的進行自動控制系統設計。由于汽車制造生產線基本都是流水線作業，需要各個環節有效配合才能保證整體生產不間斷。控制系統對焊接生產線影響較大。選擇生產線上的傳輸流程進行具體設計，控制系統的主要作用是保證傳輸設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來實現傳輸設備的自動化控制，選擇PLC為西門子PLC以及INTERBUS總線，搭建控制系統網絡，并添加安全光柵、通信模塊、安全門等硬件設備，構建傳輸流程的自控系統。

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

滾床配置升降機，實現可升降，升降機由電機驅動，升降機上下運動存在限位器?？缮禎L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節。

3.2 硬件設計

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

由于本控制系統所控制的機械設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，包括升降系統和滾床系統以及控制系統信號燈。利用滾床將工件送至工位，通過升降機調整工件位置并實現流水線生產，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。生產線布置兩條滾床線，并通過合理配置將各工位構成連續的車身輸送線。輸送線參考圖1。

重點的傳感器系統使用SICK-S300專業光柵，可設置8個可選擇報警區域，掃描范圍最大可達7m。無觸點電子開關用于檢測升降設備停止、啟動，通過位置，檢測部件位置燈，可控制電機轉速和速度，可進行計數等。

3.3 軟件設計

軟件時PLC控制系統的關鍵點，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。依據這基本流程，進行程序設計，以滿足升降滾床的自動作業要求。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，即焊接控制系統，需要等待工業上的車身焊接完成后才能進行輸送。

4? 結束語

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系，早在上世紀70年代，基于PLC的電氣自動化控制系統便應用于汽車制造當中，通過PLC及其配套硬件對汽車制造相關機械設備進行自動控制能夠顯著提高生產效率，保證生產可靠性和連續性。PLC作為工控領域的關鍵裝備，它以電氣控制電路為基礎，實現全自動電氣自動控制。

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