基于PLC控制的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)

袁雨桐

摘 要：針對(duì)我國的一些生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)效率低下、可靠性差以及系統(tǒng)處理復(fù)雜等問題，提出了一種以PLC作為控制核心，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行檢測與控制，并將檢測結(jié)果發(fā)送給PLC控制單元，由PLC對(duì)檢測信號(hào)進(jìn)行處理之后，發(fā)起相應(yīng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的動(dòng)作控制命令。重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的整體組成、硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)，并最終表明，該系統(tǒng)具有高的可靠性，運(yùn)行穩(wěn)定，很大程度上提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：PLC;自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng);軟件;硬件

中圖分類號(hào)：TB ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.07.094

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，我們國家工業(yè)生產(chǎn)的負(fù)擔(dān)越來越重。通過將一些新的科學(xué)技術(shù)、新的方法應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)里面，通過改善落后的生產(chǎn)技術(shù)，能夠幫助我們提高工業(yè)化自動(dòng)生產(chǎn)的效率和可靠性。目前雖然很多的工業(yè)企業(yè)已經(jīng)采用了自動(dòng)化的生產(chǎn)系統(tǒng)，但也都存在一些缺點(diǎn)，比如農(nóng)作物生產(chǎn)只是在收割環(huán)節(jié)采用了機(jī)械自動(dòng)化收割技術(shù)，而在分練等環(huán)節(jié)仍然采用的是人工;機(jī)械加工行業(yè)來應(yīng)用自動(dòng)化對(duì)加工器件進(jìn)行控制，但是很多的機(jī)械仍然超負(fù)荷運(yùn)作，并且各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)配合度較差。這些傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式已經(jīng)處于落后的地位，都有其明顯的缺點(diǎn)，已經(jīng)不能夠滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生產(chǎn)的需求。

自動(dòng)化生產(chǎn)不應(yīng)該只是滿足生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化，還應(yīng)該要求在送料、裝配以及運(yùn)輸?shù)绕渌h(huán)節(jié)均采用自動(dòng)化。PLC除了能夠進(jìn)行一些基本的運(yùn)算之外，還能夠通過自身的外部接口與外部設(shè)備相連接，去實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)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(qiáng)等特點(diǎn)，并且開發(fā)周期短，維護(hù)起來也比較方便，是應(yīng)用在自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的首選器件。隨著工業(yè)產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛，通過以PLC為核心的綜合生產(chǎn)管理系統(tǒng)去控制多個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)具有重要的應(yīng)用意義。

1 自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)的送料環(huán)節(jié)、加工環(huán)節(jié)、裝配環(huán)節(jié)、輸送環(huán)節(jié)和分練環(huán)節(jié)進(jìn)行智能化的控制。在五個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中分別設(shè)置一臺(tái)PLC作為該環(huán)節(jié)的主要控制核心部分，不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的PLC通過串行RS485總線來實(shí)現(xiàn)互相通信。通過這種分布式的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有通用性強(qiáng)、生產(chǎn)周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，除此之外，這種分布式的自動(dòng)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，當(dāng)其中一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障的時(shí)候，也不會(huì)影響其他環(huán)節(jié)的生產(chǎn)工作，提高了系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

PLC是整個(gè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的核心控制部分，起著十分重要的控制作用。在對(duì)PLC進(jìn)行選型的時(shí)候主要關(guān)注兩個(gè)指標(biāo)，一個(gè)是存儲(chǔ)容量的大小，一個(gè)是整個(gè)系統(tǒng)所需要的功能。經(jīng)過綜合考慮之后，最終選擇S7-300系列PLC作為整個(gè)供水控制系統(tǒng)的核心控制模塊。

S7-300系列系列產(chǎn)品產(chǎn)生于21世紀(jì)初期，是一款性價(jià)比十分高的PLC產(chǎn)品。它具有很強(qiáng)的電磁兼容特性，較高的耐沖擊性能，十分強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于化工、交通、智能通信等很多領(lǐng)域。S7-300在其產(chǎn)品的內(nèi)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(chǎn)品，能夠滿足一般控制的需求，它的主要系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

2.2 輸送單元PLC模塊

輸送單元是自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中任務(wù)最繁重的一個(gè)環(huán)節(jié)，它需要為其他的環(huán)節(jié)進(jìn)行輸送任務(wù)。輸送單位的PLC同時(shí)也要實(shí)現(xiàn)與其他各個(gè)環(huán)節(jié)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(jié)合，發(fā)送高速脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)與其他環(huán)節(jié)的通信功能，其中輸送單元的輸入信號(hào)有指示燈、控制開關(guān)等信號(hào)，輸出信號(hào)主要包括控制信號(hào)、驅(qū)動(dòng)信號(hào)等。

2.3 供料單元PLC模塊

由于S7-300系列的PLC它是一個(gè)模塊化的產(chǎn)品，因此在供料環(huán)節(jié)要注意對(duì)PLC的各個(gè)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(duì)I/O 信號(hào)模塊以及通信處理模塊等其它模塊進(jìn)行安裝。PLC的系統(tǒng)配置也要遵循一定的原則，具體規(guī)定如下：

（1）在CPU附近安裝的信號(hào)模塊最多不能超過8個(gè)。

（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(duì)于機(jī)架的擴(kuò)展數(shù)量最多不得超過4個(gè)。

（4）需要對(duì)機(jī)架進(jìn)行擴(kuò)展的時(shí)候，要使用IM模式進(jìn)行擴(kuò)展。

2.4 加工單元PLC模塊

加工單元是整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，在加工做成中，待加工的物料需要從運(yùn)輸臺(tái)傳輸?shù)郊庸^(qū)域，在沖壓氣缸下方對(duì)工件進(jìn)行加工，對(duì)加工好的物料成品再經(jīng)過傳輸臺(tái)運(yùn)送到裝配單元。其中加工單元的輸入信號(hào)有停止和啟動(dòng)控制信號(hào)、工作模式切換信號(hào);輸出信號(hào)主要有指示燈和電磁鐵控制信號(hào)。

2.5 裝配單元PLC模塊

裝配單元主要完成的功能是對(duì)半成品的裝配，其中包括裝配機(jī)械手和轉(zhuǎn)臺(tái)等設(shè)備，PLC在該環(huán)節(jié)要完成對(duì)這些設(shè)備的控制。其中PLC的輸入信號(hào)主要有傳感器信號(hào)和停止和啟動(dòng)控制信號(hào);輸出信號(hào)主要有指示燈和電磁鐵控制信號(hào)、變頻器控制信號(hào)。

2.6 分練單元PLC模塊

分揀單元是自動(dòng)換生產(chǎn)控制系統(tǒng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的分練，其中PLC的輸入信號(hào)主要有傳感器信號(hào)和停止和啟動(dòng)控制信號(hào);輸出信號(hào)主要有指示燈和電磁鐵控制信號(hào)、變頻器控制信號(hào)、警示燈信號(hào)和指示燈信號(hào)。

3 自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(duì)其進(jìn)行編程去實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)供水控制系統(tǒng)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?yàn)榫哂芯帉懼庇^、形象的特點(diǎn)被大多數(shù)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(jìn)行控制的原因。PLC能夠直接對(duì)繼電器的原理圖進(jìn)行一定的格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成適用于梯形圖編程方式的程序語言，從而將其設(shè)計(jì)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(diǎn)進(jìn)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(jìn)行相連接，中間必須經(jīng)過觸點(diǎn)進(jìn)行連接，右母線是一行程序的終點(diǎn)，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(diǎn)主要有兩種：一種為常開觸點(diǎn);另一種為常閉觸點(diǎn)。這些觸點(diǎn)之間可以以串聯(lián)或者并聯(lián)的方式進(jìn)行連接。

（3）觸點(diǎn)能夠在編程的過程中被多次的使用，不限制次數(shù)。

（4）在PLC的梯形圖編程模式下，程序的運(yùn)行順序要遵循自上到下以及自左到右的原則。程序的運(yùn)行遵循自循環(huán)的原則，當(dāng)程序運(yùn)行到結(jié)尾之后，它又會(huì)從頭開始進(jìn)行程序的運(yùn)行。

（5）對(duì)先進(jìn)行了串聯(lián)的電路再進(jìn)行并聯(lián)操作時(shí)，應(yīng)該按照串聯(lián)電路中觸點(diǎn)由多到少的順序自上而下的對(duì)多個(gè)串聯(lián)電路進(jìn)行并聯(lián)操作。

（6）梯形圖中所有的觸點(diǎn)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(nèi)。

3.2 PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC的編程工具選擇的為STEP7。STEP7編程工具是一種結(jié)構(gòu)化的編程工具，能夠以文件塊的形式管理程序以及其所運(yùn)行的數(shù)據(jù)。STEP7編程工具編寫的程序具有組織結(jié)構(gòu)清晰，容易理解和修改等優(yōu)點(diǎn)。

由于 STEP7編程工具的模塊化編程特點(diǎn)，本文將控制系統(tǒng)的程序進(jìn)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(shù)據(jù)跟變量存放在用于存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊（DB）中， OB為主程序中用于循環(huán)處理的組織塊，在OB中可以對(duì)各個(gè)用戶子程序模塊FC進(jìn)行調(diào)用。

根據(jù)控制系統(tǒng)的具體工作性質(zhì)和具體的工作流程，需要對(duì)各個(gè)子單元進(jìn)行控制，因此系統(tǒng)的程序又可以分為以下幾個(gè)程序結(jié)構(gòu)組成如圖3。

其中，手動(dòng)控制程序主要用來對(duì)運(yùn)作機(jī)械的手動(dòng)參數(shù)進(jìn)行修改，以及在調(diào)試階段對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行檢測等;自動(dòng)運(yùn)行程序主要的目的是對(duì)手動(dòng)操作的一個(gè)循環(huán)執(zhí)行過程;公共子程序是整個(gè)程序的核心部分，該程序模塊能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的初始化、控制模塊的啟停、控制模塊的具體運(yùn)行方式等。

4 結(jié)論

本文在了解了自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及對(duì)PLC技術(shù)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前一些工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)工作效率低下、生產(chǎn)設(shè)備可靠性差等問題，提出了基于PLC控制自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)。針對(duì)控制系統(tǒng)的整體環(huán)境進(jìn)行了搭建，并針對(duì)具體的應(yīng)用環(huán)境對(duì)PLC進(jìn)行了選型，并研究了PLC的編程技術(shù)，通過編程去控制機(jī)器的工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)的控制。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧國超.基于PLC的生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)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(tǒng)設(shè)計(jì)[D].天津： 天津大學(xué)，2012.

[3]李秀忠.基于S7-300 PLC和ET200S的電鍍生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)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(jī)械加工自動(dòng)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)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(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2019，41（10）：80-83.

[6]梁新平.基于PLC的自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)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(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀表，2017， 7 （10）：45-48.

[8]許川佩，彭圣華.基于PLC的自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)[J].電氣應(yīng)用，2016，（11）：71-75.