基于PLC與變頻器控制流水線(xiàn)示教系統(tǒng)的研制

沈承楠

(廈門(mén)興才學(xué)院 福建廈門(mén) 361024)

目前，實(shí)驗(yàn)室作為高職院校進(jìn)行教學(xué)和科學(xué)研究的重要基地，它的建設(shè)與管理，直接影響到學(xué)生的技能培養(yǎng)。實(shí)訓(xùn)裝置作為掌握與應(yīng)用新技術(shù)的重要載體，研發(fā)符合應(yīng)用人才培養(yǎng)目標(biāo)的、較先進(jìn)的實(shí)訓(xùn)裝置，對(duì)高校教師的技術(shù)水平進(jìn)步，具有重要的作用［1］?；诖耍?xiàng)目組認(rèn)真調(diào)查高職學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)和技術(shù)水平后，自主研制了一套實(shí)訓(xùn)裝置，整個(gè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)包含了機(jī)電專(zhuān)業(yè)教學(xué)中所涉及的諸如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)、氣動(dòng)、可編程控制器、傳感器、變頻調(diào)速［2］、單片機(jī)等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，可以為高職生提供一個(gè)典型的綜合實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

1 設(shè)計(jì)原理

該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了基于PLC與變頻器的教學(xué)型流水線(xiàn)平臺(tái)，系統(tǒng)控制部分主要模擬了自動(dòng)流水線(xiàn)上工件輸送和分揀的工藝流程。在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中主要工作有:

⑴變頻器與PLC的選型和配置。針對(duì)系統(tǒng)控制要求同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件和設(shè)備，設(shè)計(jì)中選用了三菱公司的VFD－M型變頻器和FX2N系列PLC。

⑵顯示電路的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的顯示電路采用的是LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示［3］，核心控制芯片選用ATMEL生產(chǎn)的51單片機(jī)AT89S51系列，顯示部分采用集成化的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片TM1620，以簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

⑶系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，包括PLC程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)工件分揀顯示程序。運(yùn)用三菱編程軟件設(shè)計(jì)使用PLC梯形圖程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)功能的控制;運(yùn)用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)工件分揀結(jié)果顯示。

⑷硬件系統(tǒng)的安裝、調(diào)試。根據(jù)場(chǎng)地尺寸設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)裝置的尺寸及外觀(guān)，確定擺放位置，然后電氣設(shè)計(jì)圖完成電氣接線(xiàn)。系統(tǒng)上電試車(chē)，確保接線(xiàn)無(wú)誤。

⑸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊、功能調(diào)試。系統(tǒng)采用RS－232C接口，完成PLC控制器與上位機(jī)的通訊;將設(shè)計(jì)好的PLC程序和單片機(jī)程序?qū)懭耄?jīng)過(guò)反復(fù)修改、調(diào)試后，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要包括電源及接口電路、單片機(jī)控制電路和數(shù)碼管顯示電路。

2.1 供電電路

由于本設(shè)備主要用于PLC控制的生產(chǎn)流水線(xiàn)上，故而選用典型的供電電壓24V進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。外部輸入的直流電壓，經(jīng)DC－DC模塊隔離降壓后，產(chǎn)生穩(wěn)定9V電壓，并再次通過(guò)LM7805穩(wěn)壓后給設(shè)備供電，以保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，具體電 路如圖1所示。

圖1 供電電路圖

2.2 計(jì)數(shù)脈沖輸入電路

單片機(jī)選用典型的5V電壓供電，因而不能直接與PLC和傳感器直接相連。為解決電壓匹配問(wèn)題，選用更為穩(wěn)定可靠的光耦隔離電路，實(shí)現(xiàn)輸入脈沖電平的轉(zhuǎn)化與隔離，具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 計(jì)數(shù)脈沖輸入電路圖

2.3 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 單片機(jī)控制電路圖

2.4 數(shù)碼管顯示電路

本系統(tǒng)的顯示電路采用的是LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，能夠顯示的范圍是0－99電路選用2組共陰極結(jié)構(gòu)的2位LED數(shù)碼管，顯示程序由單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，需要顯示的字符由單片機(jī)的P1口輸出［3］，通過(guò)排針與顯示驅(qū)動(dòng)芯片連接，經(jīng)顯示驅(qū)動(dòng)芯片去驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。顯示部分采用集成化的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片TM1620，TM1620是一種帶鍵盤(pán)掃描接口的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)控制專(zhuān)用電路，內(nèi)部集成有MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED高壓驅(qū)動(dòng)、鍵盤(pán)掃描等電路。一片TM1620可以驅(qū)動(dòng)6位數(shù)碼管，本系統(tǒng)只用到4位數(shù)碼管，故電路中只將TM1620芯片的11、13、16、17引腳與4位數(shù)碼管相連，電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 數(shù)碼管顯示屏電路圖

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)整個(gè)工作平臺(tái)的控制要求，該系統(tǒng)的控制主要完成兩方面的設(shè)計(jì)，一是PLC與變頻器控制流水線(xiàn)進(jìn)行工件輸送和分揀，二是單片機(jī)控制進(jìn)行產(chǎn)品分揀顯示。本系統(tǒng)的輸入信號(hào)有啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、停止開(kāi)關(guān)、物料檢測(cè)、金屬檢測(cè)等輸出控制的對(duì)象有狀態(tài)指示燈、電磁閥、控制端子等。采用三菱FX2N控制，該系統(tǒng)輸入輸出分配圖和分配表分別如圖5和表1所示。

在教學(xué)過(guò)程中，可以通過(guò)設(shè)定檢測(cè)時(shí)間、運(yùn)行速度來(lái)要求學(xué)生自己設(shè)計(jì)控制程序，達(dá)到課程訓(xùn)練的要求。

圖5 I/O接線(xiàn)圖

表1 I/O地址分配表

4 實(shí)訓(xùn)裝置的架構(gòu)及工作原理

4.1 實(shí)訓(xùn)裝置架構(gòu)

本實(shí)訓(xùn)裝置主要分為兩部分;一部分為機(jī)械模塊，另一部分為電氣控制模塊。機(jī)械模塊主要采用齒輪變速增大扭矩帶動(dòng)輸送帶;這部分安裝于實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作面上;電氣控制模塊控制柜的開(kāi)啟形式采用抽屜式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、美觀(guān)，接線(xiàn)形式采用插線(xiàn)方式，利于學(xué)生熟悉實(shí)訓(xùn)裝置的線(xiàn)路聯(lián)結(jié)(特別是變頻器控制回路端子的聯(lián)結(jié))和自行聯(lián)結(jié)PLC的控制線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)安裝有小型流水線(xiàn)、傳感器、控制面板、指示燈、按鈕等，底板安裝有變頻器、PLC、空氣開(kāi)關(guān)、液晶顯示屏等。

該裝置具體配置了可編程控制器 (PLC)、變頻器裝置、氣動(dòng)裝置、傳感器、上料器［4］，外觀(guān)如圖6所示。

圖6 實(shí)訓(xùn)裝置外觀(guān)圖

4.2 實(shí)訓(xùn)裝置的工作原理［4］

按下啟動(dòng)按扭后，PLC啟動(dòng)送料電機(jī)驅(qū)動(dòng)放料盤(pán)旋轉(zhuǎn)，物料由送料槽滑到物料提升位置，物料檢測(cè)光電傳感器開(kāi)始檢測(cè);如果送料電機(jī)運(yùn)行設(shè)定時(shí)間后，物料檢測(cè)光電傳感器仍未檢測(cè)到物料，則說(shuō)明送料機(jī)構(gòu)已經(jīng)無(wú)物料，這時(shí)要停機(jī)并報(bào)警;當(dāng)物料檢測(cè)光電傳感器檢測(cè)到有物料，將給PLC發(fā)出信號(hào)，由PLC驅(qū)動(dòng)上料單向電磁閥上料，將物料放到傳送帶上，傳送帶輸送物料，傳感器則根據(jù)物料性質(zhì) (金屬和非金屬)，分別由PLC控制相應(yīng)電磁閥使氣缸動(dòng)作，對(duì)物料進(jìn)行分揀，同時(shí)數(shù)碼顯示屏顯示工件的個(gè)數(shù)。

5 實(shí)訓(xùn)裝置特點(diǎn)

本系統(tǒng)是筆者在分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置的基礎(chǔ)上結(jié)合學(xué)校專(zhuān)業(yè)建設(shè)所需自主開(kāi)發(fā)的一款新型機(jī)電綜合實(shí)訓(xùn)裝置，該套裝置具有下面幾個(gè)特點(diǎn):

⑴開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，方便學(xué)生觀(guān)察操作、觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，利于教學(xué)開(kāi)展。

⑵模塊化設(shè)計(jì)，可以靈活組合，便于升級(jí)擴(kuò)展。學(xué)生可自行設(shè)計(jì)控制方案，進(jìn)行綜合性、創(chuàng)造性的實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)。

⑶具體控制參數(shù)和控制方案多樣化，可以完成多種不同類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，具有很高的教學(xué)和實(shí)用價(jià)值。

⑷控制組件來(lái)源于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，真實(shí)性、直觀(guān)性、綜合性強(qiáng)。

作為項(xiàng)目研制的延伸，今后該系統(tǒng)擬添加機(jī)械手送料模塊，結(jié)合我?！吧a(chǎn)性”實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)升級(jí)建成小型自動(dòng)化流水線(xiàn)，從而進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、拓展新實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，并規(guī)劃在條件成熟的情況下與科教公司合作批量生產(chǎn)。

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