基于PLC技術(shù)的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

席 飛

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院，南京 210019）

隨著機(jī)電一體化技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，制造生產(chǎn)行業(yè)已經(jīng)逐漸發(fā)展成一個(gè)囊括機(jī)械、電氣、信息等技術(shù)于一體的綜合工業(yè)工程。這類(lèi)復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)線(xiàn)需要依賴(lài)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行控制。隨著包裝生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化包裝線(xiàn)從原來(lái)的硬性生產(chǎn)線(xiàn)發(fā)展為柔性生產(chǎn)線(xiàn)[1]。本文以袋裝食品包裝生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)為例，探討柔性食品包裝生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用策略。

1 自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)工況需求分析

以小型袋裝食品為例，該類(lèi)袋裝食品的包裝需要經(jīng)過(guò)清洗、烘干、整料、裝袋以及分級(jí)5道基本工序。受體量限制，研究重點(diǎn)主要集中在整個(gè)自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的裝袋工序上。裝袋工序選定塑料薄膜作為包裝材料，通過(guò)兩頭扎口的方式包裝柚子。整個(gè)包裝單元由供袋裝置、送袋裝置、切袋裝置、開(kāi)口裝置以及收口裝置相互配合構(gòu)成。供袋設(shè)備通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)裝著塑料卷的輥軸轉(zhuǎn)動(dòng)，右邊緩沖機(jī)構(gòu)中一細(xì)圓桿在豎直方向上成自由狀態(tài)。塑料袋在此桿的重力作用下保持舒展?fàn)顟B(tài)，并為包裝動(dòng)作保留一定的余量。送袋設(shè)備通過(guò)電磁鐵異性相吸的原理夾緊袋口，將其推到開(kāi)口裝置處，在開(kāi)口打開(kāi)后退回初始位置，再由切袋設(shè)備用壓緊塊將袋子周邊空隙壓緊，用切刀切下，最后由扎口設(shè)備將袋口收住壓緊。開(kāi)口裝置主要通過(guò)真空吸嘴吸附袋口，通過(guò)向袋內(nèi)吹氣打開(kāi)袋口，方便柚子準(zhǔn)確進(jìn)入袋內(nèi)。此過(guò)程需要設(shè)置擋料裝置，避免多個(gè)柚子掉入袋中。

具體包裝單元的作業(yè)流程如下：①由送袋裝置將袋子推到預(yù)定位置；②由開(kāi)袋裝置吸附袋口；③送袋裝置返回初始位置；④切袋裝置將包裝袋切開(kāi)；⑤扎口裝置將底部袋口扎緊，然后切袋裝置返回初始位置后由開(kāi)袋裝置打開(kāi)袋口；⑥擋料裝置退回，柚子滑入包裝袋內(nèi)；⑦上端的扎口裝置作業(yè)，將頂部的袋口扎緊，同時(shí)擋料裝置復(fù)位；⑧由推料裝置將包裝好的柚子推入下一單元，同時(shí)頂部、底部?jī)商自谘b置退回初始位置。

2 自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

2.1 PLC技術(shù)功能定位

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術(shù)的主要功能是實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)控制程序的預(yù)編程，同時(shí)按照預(yù)編程的程序流程控制整個(gè)機(jī)械加工過(guò)程。PLC在機(jī)械加工自動(dòng)化控制程序中發(fā)揮著重要作用，是整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心模塊[2]。預(yù)編制控制程序存儲(chǔ)在PLC模塊，由PLC模塊的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）芯片按照既定程序調(diào)用各個(gè)功能性模塊（通信模塊、遙感模塊、電氣控制模塊），以實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前生產(chǎn)工況的研判和對(duì)下一步生產(chǎn)控制指令的生成，將生產(chǎn)流程從一個(gè)流程推進(jìn)到下一個(gè)流程，對(duì)各個(gè)生產(chǎn)加工設(shè)備發(fā)布一個(gè)控制指令到另一個(gè)控制指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程的自動(dòng)化控制。PLC技術(shù)對(duì)機(jī)械加工的自動(dòng)化控制是單向的。整個(gè)控制過(guò)程會(huì)按照預(yù)設(shè)的流程順序，從一個(gè)控制階段過(guò)渡到另一個(gè)控制階段，使得整個(gè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)作狀態(tài)進(jìn)入既定的加工程序并一直循環(huán)下去[3]。

2.2 PLC主控模塊選型

PLC在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化控制中應(yīng)用較為廣泛，結(jié)構(gòu)主要包括接口電路、電源以及通信模塊等。在電源電壓穩(wěn)定的前提下，CPU按照既定程序的研判條件判斷整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，將寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到對(duì)應(yīng)的輸出裝置[4]。依據(jù)分析的食品自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線(xiàn)的加工工藝流程的復(fù)雜程度，可以預(yù)見(jiàn)現(xiàn)場(chǎng)需要的控制開(kāi)關(guān)較多，且有相當(dāng)一部分開(kāi)關(guān)與控制柜之間的距離較大。這種情況下選用S7-200的傳統(tǒng)輕工業(yè)加工PLC型號(hào)，會(huì)導(dǎo)致連線(xiàn)較多，現(xiàn)場(chǎng)走線(xiàn)過(guò)于復(fù)雜。不僅會(huì)增加整個(gè)硬件系統(tǒng)的構(gòu)建成本，也不利于后續(xù)系統(tǒng)功能性升級(jí)和日常檢修維護(hù)。因此，這里采用西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-300 PLC。該型號(hào)PLC集成了PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)通信功能模塊，能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信，大大降低了電纜成本[5]。因此，本文建議選用西門(mén)子公司S7-300系列的PLC作為食品柔性生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主控核心。

該系列的PLC作業(yè)流程分為5個(gè)階段，如圖1所示。第1階段，內(nèi)部處理階段，主要負(fù)責(zé)運(yùn)行主控程序。第2階段，通信處理階段，主要負(fù)責(zé)電信號(hào)到數(shù)據(jù)信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)到電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)譯，由PLC集成的數(shù)據(jù)通信模塊負(fù)責(zé)。第3階段，輸入掃描階段，主要用于掃描和識(shí)別用戶(hù)從編程模塊中輸入的指令，及時(shí)根據(jù)用戶(hù)輸入的指令更新內(nèi)處理階段的主控程序。第4階段，用戶(hù)程序執(zhí)行階段，掃描后執(zhí)行最終主控程序的數(shù)據(jù)運(yùn)算與邏輯判斷。第5階段，輸出處理階段，主要負(fù)責(zé)將用戶(hù)程序執(zhí)行結(jié)果輸出給數(shù)據(jù)通信模塊，經(jīng)數(shù)據(jù)信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)譯與抗干擾處理后生成最終的主控指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)作業(yè)機(jī)械設(shè)備的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。

2.3 PLC相關(guān)模塊的選用

PLC相關(guān)模塊包括數(shù)字量輸入/輸出模塊、分布式輸入/輸出（Input/Output，I/O）模塊、模擬量輸入輸出模塊以及人機(jī)交互界面等。這些模塊的主要功用在于信息采集和指令發(fā)布。為了確保兼容性，在選用西門(mén)子公司的S7-300 PLC主控核心后，最好相關(guān)模塊也采用西門(mén)子公司出品的同一系列。

圖1 S7-300系列PLC工作流程

2.3.1 數(shù)字量輸入/輸出模塊

建議選擇SM322、SM321，共16點(diǎn)輸入模塊，另外SM322為16點(diǎn)輸出模塊，模塊電壓與PLC電源一致為24 V。本文需要用到8個(gè)SM321和4個(gè)SM322模塊。

2.3.2 分布式I/O模塊

西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-300 PLC兼容的I/O模塊為ET200系列。這一系列有多種型號(hào)可供選擇。結(jié)合自動(dòng)化控制的實(shí)際環(huán)境，選用模塊化從站ET200M型號(hào)的I/O模塊作為相關(guān)模塊。該型號(hào)I/O模塊自帶1個(gè)IM153-1接口，使其具備了更好的功能擴(kuò)展性，同時(shí)更加適合包裝生產(chǎn)線(xiàn)模塊化工藝流程。

2.3.3 模擬量輸入/輸出模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)將傳感器輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)譯為能夠被PLC主控核心識(shí)別的數(shù)據(jù)信號(hào)，同時(shí)負(fù)責(zé)將PLC的輸出數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠被各個(gè)加工設(shè)備識(shí)別的電信號(hào)。SM331包括了補(bǔ)償電路、邏輯電路等電氣元器件。這些元器件都有自己的參數(shù)，可以通過(guò)STEP7設(shè)置調(diào)整元器件參數(shù)。

2.3.4 人機(jī)交互界面

選用由西門(mén)子公司出品的MP277型號(hào)觸摸屏，兼容性較強(qiáng)，自帶多點(diǎn)接口（Multi Point Interface，MPI）、PROFINET以及通用串行總線(xiàn)（Universal Serial Bus，USB）等接口，可以與西門(mén)子S7-300系列的PLC組成通信網(wǎng)絡(luò)。該顯示屏能夠防水防塵，能夠適應(yīng)惡劣的車(chē)間環(huán)境。觸摸屏操作系統(tǒng)為Windows CE，可為用戶(hù)提供較為便捷靈活的操作體驗(yàn)。

2.4 系統(tǒng)硬件構(gòu)成與配置

系統(tǒng)硬件主要包括PLC、電源模塊、ET200M模塊、模擬量輸入模塊以及數(shù)字量輸入輸出模塊和人機(jī)交互模塊。整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的硬件模組需要統(tǒng)一安裝在同一個(gè)控制柜中，由控制柜電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)電源、短路保護(hù)等功能。在控制柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布置方面，通常將自動(dòng)化控制系統(tǒng)統(tǒng)一安裝在控制柜的底層部分，將PLC主控模塊放置在整個(gè)控制系統(tǒng)的最上端，方便操作人員直觀觀察到PLC模塊狀態(tài)指示燈的亮滅情況?？刂乒竦纳戏街饕糜诎惭b散熱風(fēng)扇，風(fēng)扇對(duì)準(zhǔn)PLC主控芯片，幫助PLC模塊保持合適的高頻運(yùn)作性能環(huán)境。控制柜的中部主要用于安裝電源線(xiàn)路、電源開(kāi)關(guān)模組以及短路熔斷保護(hù)裝置等控制系統(tǒng)的輔助模組。

3 食品包裝生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 編程裝置和編程軟件的選擇

編程裝置是靈活應(yīng)用PLC技術(shù)構(gòu)建自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)人機(jī)交互的主要渠道。編程器根據(jù)其功能特點(diǎn)可以分為簡(jiǎn)單型和智能型兩種。簡(jiǎn)單型編程器體積較小，便于攜帶，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)PLC控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，能夠通過(guò)編輯指令表程序進(jìn)行PLC控制程序的編輯和維護(hù)。智能型編程器則是以梯形圖PLC編程語(yǔ)言為基礎(chǔ)的專(zhuān)業(yè)編程軟件，一般要借助個(gè)人計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)程序的調(diào)試與維護(hù)，但可以借助梯形圖語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)多功能模塊負(fù)載控制系統(tǒng)邏輯代碼的編寫(xiě)工作，快速準(zhǔn)確地生成程序邏輯梯形圖、指令表以及功能塊圖，適用于從無(wú)到有進(jìn)行PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)程序的編輯工作。

考慮到食品包裝生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化工藝流程中的參數(shù)較多，建議采用西門(mén)子公司推出的STEP7編程軟件作為智能編程裝置，通過(guò)實(shí)時(shí)觀察梯形圖中觸點(diǎn)和線(xiàn)圈的通斷情況調(diào)試整個(gè)控制系統(tǒng)的各類(lèi)參數(shù)。

3.2 STEP7軟件編程特性

STEP7軟件是一款應(yīng)用與Window XP系統(tǒng)的PC端編程軟件，主要針對(duì)S7-300、S7-400系列的PLC程序編寫(xiě)、調(diào)試工作專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的軟件工具包，其中包括多種如語(yǔ)句表語(yǔ)言、功能塊圖、邏輯梯形圖等功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)PLC系統(tǒng)程序的項(xiàng)目管理、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控程序編寫(xiě)、硬件組態(tài)以及通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)等PLC編程功能。借助于邏輯梯形圖功能，程序設(shè)計(jì)人員可以直觀觀察控制電路當(dāng)前的通斷情況，方便調(diào)試程序邏輯代碼和相關(guān)參數(shù)。功能塊圖可以直觀展示電子電路的邏輯圖，以便合理調(diào)試PLC控制系統(tǒng)的電子電路聯(lián)通情況。語(yǔ)句表的主要作用類(lèi)似于匯編語(yǔ)言風(fēng)格。設(shè)計(jì)人員可以面向機(jī)器設(shè)備直接訪(fǎng)問(wèn)它們的存儲(chǔ)單元和控制單元。STEP7還支持中高級(jí)PLC編程語(yǔ)言包的擴(kuò)展。要熟練應(yīng)用STEP7軟件，熟悉S7系列的各類(lèi)型PLC編程語(yǔ)言的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。

3.3 STEP7梯形圖程序運(yùn)行流程設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)要想實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備工序的自動(dòng)化控制，需要通過(guò)STEP7梯形圖編寫(xiě)程序，即依據(jù)硬件構(gòu)成的PLC主控核心輸入、輸出、模擬量等變量的邏輯判斷原理，編寫(xiě)食品包裝產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)程序。系統(tǒng)判斷機(jī)構(gòu)是否在原位，如果在原位，則判斷是否有工件。若原位有工件，則進(jìn)行傳送，然后判斷工件是否運(yùn)行到位。若運(yùn)行到位，則進(jìn)行加工處理。完成加工后，檢測(cè)工件是否合格。若工件合格，則進(jìn)行計(jì)數(shù)并進(jìn)行卸料，至此完成所有程序。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)食品包裝行業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究，以袋裝食品為例，分析了袋裝食品柔性包裝生產(chǎn)線(xiàn)的工藝流程。依據(jù)該工藝流程明確自動(dòng)化控制系統(tǒng)功能需求，基于PLC控制技術(shù)，從硬件PLC選型、PLC相關(guān)模塊選型、軟件編程器選擇、編程軟件的應(yīng)用、梯形圖程序的設(shè)計(jì)等多個(gè)方面提出了食品包裝柔性生產(chǎn)線(xiàn)的PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)構(gòu)建策略。