PLC 在電氣自動化控制中的應用
——以自動清掃裝置設計為例

任輩杰

蘭州職業技術學院，甘肅 蘭州 730070

0 引言

現代制造業的發展對設備的精度和效率提出了更高的要求，高度自動化的流水生產線已經廣泛應用在零部件的加工中，對控制器的控制能力提出了更苛刻的要求[1]。現在，基于PLC 的電氣控制系統已經應用于生產線自動測量系統、機床的優化和改造[2]，全自動化的生產線、噴涂生產線、刮板鏈自動拆裝控制系統等機械加工、電機和設備等電氣控制的場合。

文章結合工業生產線上自動清掃裝置的應用案例，研究PLC 系統的硬件構成和軟件編寫流程，為PLC 系統的應用提供參考。

1 PLC 的特點和組成

在工業生產中，常用的控制器類型包括單片機、工控機、PLC 三種[3]，其特點和適用場合如表1 所示。

表1 不同控制器的對比

在電氣控制中需要控制設備的位置、動作、工藝等參數，需要輸出大量的數字開關量，采集大量的現場信息；有些控制要求工作人員調整特定的工藝參數，操作人員需要了解控制對象的實時信息并加以控制，因此PLC 在電氣自動化控制中應用最廣泛[4]。

PLC 的硬件系統構成如圖1 所示。PLC 基于系統數據總線，通過通信接口連接上位機，通過I/O 口控制現場的用戶設備，系統的擴展性較好[5]。

圖1 PLC 的硬件系統

2 自動清掃裝置的設計要求

2.1 需求分析

在加工生產線中，箱體的上頂蓋容易掉落灰塵和雜物，人工清掃較困難，需要設計一套自動清掃裝置。自動清掃裝置的主要任務是保證箱體上表面的清潔，箱體在運輸過程中從生產線的一端進入，途中經過清掃裝置，再從生產線的另一端流出，完成本次流水生產的過程。

2.2 自動清掃裝置的操作流程

自動清掃裝置組成如圖2 所示。裝置的清掃過程包括箱體位置檢測、箱體上部自動清掃、箱體清掃后清掃設備自動關閉。自動清掃裝置安裝在軌道上，當加裝箱經過光電管后，吸塵器自動吸塵，當2 個光電管都不能接收到信號時，吸塵停止。整個系統根據箱體是否經過清掃支架，自動判斷是否要開啟吸塵器作業。

圖2 自動清掃裝置的組成

具體操作流程如下：

（1）清掃裝置通電后，進入自動運行模式，設備處在設定的初始位置；

（2）生產線運行后，自動檢測箱體的位置，箱體進入預先設定的位置，啟動吸塵器清掃；

（3）箱體經過第二個檢測點后，吸塵器自動停止運行，清掃過程結束。

自動清掃裝置可以實現手動和自動的切換，并具有安全保護功能，出現異常情況后，能夠自動停機并報警，保證設備的安全運轉。

3 自動清掃裝置的硬件設計

3.1 控制系統設計

自動清掃裝置主要組成部分包括位置傳感器、吸塵器、清掃支架和控制系統。其中，控制系統的核心為PLC，PLC 可以在處理箱體位置傳感器的信號后，發出控制吸塵器的控制信號。電氣控制柜是整個裝置的控制中心，PLC、手動控制按鈕、設置參數的屏幕，以及通信線纜、24 V 不間斷電源、接線端子、繼電器等輔助裝置都安裝在控制柜中。

3.1.1 PLC 選型

PLC 控制器有很多品牌，常見的有西門子和三菱。PLC 一般包括輸入和輸出模塊（I/O 口）、中央處理器、存儲器和電源等部分。其中，PLC 通過輸入和輸出模塊與外部設備進行信息互換，輸入和輸出模塊也具有電氣隔離和電平轉換的功能。輸入模塊可以將設備輸入的電壓和電流信號轉換為CPU 能夠識別的低電平信號；與之類似，輸出模塊完成低電平信號向設備所需信號的轉變，輸出對象包括繼電器、晶體管、雙向晶閘管3 種設備[6]。

考慮到自動清掃裝置的工作環境、實際運行需要和材料成本，優先從西門子的PLC 系列產品中篩選。由于自動清掃裝置需要的I/O 口較少，且邏輯功能不復雜，最終選擇S7-200 型PLC，其技術指標如表2所示。

表2 S7-200 型PLC 技術指標

S7-200 型PLC 的工作步驟包括系統自檢測、通信信號處理、輸入采樣、執行設定程序、輸出刷新。當PLC 處于停止狀態時，僅執行系統自檢測和通信信號處理工作；當PLC 處于運行狀態時，執行位置信息輸入采樣、執行設定程序、輸出刷新工作。

3.1.2 電氣控制柜設計

電氣控制柜的設計和布局是設計中的重要部分，在安裝之前，采用EPLAN 進行電氣制圖，按照保證運行、便于維修、布局美觀的要求，對電氣控制柜的布局進行深化設計。深化設計在前，實際布線在后，可以為電氣控制柜的組裝節約時間、降低成本。

3.2 光電管選型

光電管是將光信號轉化為電信號的裝置，可以用于判斷箱體是否經過清掃區域，一般包括發送電路、接收電路和檢測電路。光電管的應用十分廣泛、集成度非常高、性能十分穩定[7]，自動清掃裝置中選擇的光電管的技術參數如表3 所示。

表3 光電管的技術參數

3.3 吸塵器選型

自動清掃裝置中另一個重要組件為吸塵器，由于在其他生產線上多使用意大利FIMAP 吸塵器，該品牌性能可靠、性價比高，為方便維護和保養，選擇該品牌產品。

4 PLC 的程序設計

確定系統的硬件組成后，為實現對機床動作的控制需要編寫PLC 的程序。西門子PLC 的編程多采用TIA Portal 軟件，該軟件可以兼容西門子旗下大部分PLC 和觸摸屏的編程，對工程建設和軟件環境進行了優化，具備較好的用戶使用友好性。在實際使用中，TIA Portal 軟件能夠直觀、有效地呈現程序狀態，可以快速發現程序的問題并提示解決方案[8]。編寫程序之前，需要根據控制順序設計順序功能圖，通過功能圖展示程序的控制過程、功能和特性。控制程序的編寫步驟如下。

步驟1：分配PLC 地址。根據設備的運行要求，總結設備的控制輸入和輸出點數，分配外部按鈕、開關、觸點等輸入和輸出點的PLC 地址。

步驟2：編制控制主程序和子程序。首先，構建主程序的框架，主程序一般負責子程序的調度和調取，可以在不同輸入條件下傳輸執行數據；然后，根據功能的不同，采用模塊化的編程方式，編寫每一個控制功能的子程序。

步驟3：設定加工計時器和加工計數器。在子程序中設置不同加工階段的零件加工時間的計時器。

步驟4：編制機床運行故障報警程序。需要監控的機床運行狀態主要包括夾具狀態、主軸功率、油壓系統狀態、輔助系統狀態等。按照故障的嚴重程度，對機床運行狀態的報警分為一般故障報警和嚴重故障報警。一般報警針對機組的故障，不會對本次加工過程產生直接影響，可以在這次加工周期后處理；嚴重報警故障針對已經直接影響生產過程和安全的故障，需要立即處理。

根據程序的編寫步驟，結合自動清掃裝置的實際需求，在硬件連接后，編寫PLC 控制程序。入口和出口的光電管信號分別接至I210.0 口和I210.0 口，Q210.0 為吸塵器的啟停控制接口。當箱子經過第一個光電管時，輸入信號傳入，開始吸塵；當兩個光電管都不能接收到信號時，吸塵停止。

5 總結

文章結合實際的工程案例，研究PLC 在電氣自動化系統中的應用。為解決箱蓋上的積灰問題，文章基于PLC 系統搭建了一套自動控制系統。基于PLC 的自動清掃裝置可以利用光電管檢測箱體的位置信息，然后開啟吸塵器清除箱體表面的灰塵，實現自動維持箱蓋清潔的目的。經過實際應用驗證，該裝置控制簡單可靠，大幅縮短了維修時間，提高了整體的生產效率，整個系統的運行十分可靠，可以適應當前工廠的生產規模。