淺談西門(mén)子PLC在電氣控制中的應(yīng)用分析
——以立體倉(cāng)庫(kù)的數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用為例

韋日禎

（廣西機(jī)電技師學(xué)院，廣西 柳州 545005）

伴隨著我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)控制模式已經(jīng)悄然改變，尤其是在信息時(shí)代到來(lái)以后，機(jī)械生產(chǎn)的快速發(fā)展使得在控制領(lǐng)域越來(lái)越多地依賴(lài)于電氣自動(dòng)化控制。電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械運(yùn)動(dòng)與信號(hào)處理的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)領(lǐng)域更精準(zhǔn)的控制。在很多領(lǐng)域，立體倉(cāng)庫(kù)數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設(shè)給各種操作實(shí)踐提供了平臺(tái)支持，但這一系統(tǒng)中的西門(mén)子PLC控制必不可少，特殊的控制技術(shù)，給系統(tǒng)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)提供了技術(shù)支持。

1 應(yīng)用實(shí)例

1.1 系統(tǒng)概述

數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)中，具體包含了仿真模型、訓(xùn)練PLC、仿真驅(qū)動(dòng)器等三大功能體系，這一系統(tǒng)的特殊構(gòu)成使得系統(tǒng)幾乎兼具了自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)設(shè)備的全部功能，當(dāng)學(xué)校受到場(chǎng)地、資金等條件限制難以人手一套自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)設(shè)備時(shí)，數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)，在每個(gè)學(xué)生的計(jì)算機(jī)中安裝了一套仿真模型，學(xué)生可以直接通過(guò)西門(mén)子PLC或者自動(dòng)化控制系統(tǒng)完成接線(xiàn)、編程等實(shí)訓(xùn)作業(yè)，與實(shí)訓(xùn)基本上不存在任何的區(qū)別，取得了良好的實(shí)訓(xùn)教學(xué)成果。

該3D仿真模型軟件的開(kāi)發(fā)方面，以Unity3D開(kāi)發(fā)平臺(tái)作為基礎(chǔ)，整個(gè)模型軟件的畫(huà)面清晰、生動(dòng)逼真、動(dòng)作流暢，與真實(shí)場(chǎng)景幾乎不存在任何的區(qū)別。Unity虛擬仿真系統(tǒng)在Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)引擎中搭建，最終所形成的Untity仿真系統(tǒng)在接口設(shè)計(jì)下有效保障了PLC數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪耘c高效性，完全達(dá)到了虛擬載體與實(shí)物的孿生動(dòng)作。該Unity虛擬仿真系統(tǒng)建成投入運(yùn)營(yíng)以后，用戶(hù)使用電腦中的Unity3D虛擬仿真載體也就對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的監(jiān)控、調(diào)節(jié)。在中、高職院校的虛擬實(shí)訓(xùn)載體、自動(dòng)化設(shè)備PLC通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

1.2 主要功能

該軟件系統(tǒng)兼具以下多種功能：（1）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)的信息化虛擬與仿真，經(jīng)由演示程序與軟件接口的設(shè)計(jì)與安裝，保障了上位機(jī)與下位機(jī)之間的良好通信與交互。（2）仿真模型中的各個(gè)模塊都是依據(jù)真實(shí)比例設(shè)計(jì)，無(wú)論是哪個(gè)模塊都具有數(shù)字孿生功能，運(yùn)行機(jī)構(gòu)演示動(dòng)作與功能都與I/O連接控制完全一致，正是這種虛擬仿真與現(xiàn)實(shí)的統(tǒng)一，使學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中可以有效進(jìn)行相應(yīng)的控制模擬與反饋。（3）仿真驅(qū)動(dòng)器履行其數(shù)據(jù)采集功能，在IO輸入端的輔助下，實(shí)時(shí)獲得立體倉(cāng)庫(kù)虛擬對(duì)象的輸出信息，并及時(shí)將這些信息傳輸給上位機(jī)仿真模型。

1.3 控制過(guò)程

該立體倉(cāng)庫(kù)的模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其中包含多個(gè)構(gòu)成要素，具體為入口輸送帶、龍門(mén)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、可升降滾輪、輸送鏈條、X軸水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y軸伸縮貨叉、Z軸升降機(jī)構(gòu)以及A、B、C三個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)。在利用西門(mén)子PLC開(kāi)展控制作業(yè)的過(guò)程中，重點(diǎn)是要對(duì)立體倉(cāng)庫(kù)中的堆垛機(jī)進(jìn)行控制。根據(jù)西門(mén)子PLC系統(tǒng)的組成部分，西門(mén)子CPU 1214C DC/DC/DC是核心構(gòu)成，其中，西門(mén)子V90、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、西門(mén)子變頻器G120分別負(fù)責(zé)對(duì)Z軸升降機(jī)構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)器、Y軸伸縮貨叉步進(jìn)電機(jī)、X軸水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的控制。

在立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)的運(yùn)行中，在X軸水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行控制方面，為閉環(huán)無(wú)極控制模式，為達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的，一系列的控制作業(yè)開(kāi)展是以激光測(cè)距儀的反饋距離、西門(mén)子變頻器與堆垛電機(jī)特性作為依據(jù)的，在這些前提下，經(jīng)由電機(jī)加速與減速特性曲線(xiàn)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。在利用西門(mén)子變頻器G120開(kāi)展調(diào)試作業(yè)時(shí)，包含以下控制方法：

（1）結(jié)合實(shí)際的控制需求與目標(biāo)，從特定模塊中直接調(diào)用宏功能，效率更高，也便于西門(mén)子變頻器G120的功能實(shí)現(xiàn)。SINAMICS G120的最初設(shè)計(jì)階段，正是為了滿(mǎn)足各種接口的使用需求，定義了多種預(yù)定義接口宏，不同的宏下對(duì)應(yīng)的接線(xiàn)方式也有所不同，宏與接線(xiàn)方式存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。在調(diào)試作業(yè)中，兩個(gè)固定轉(zhuǎn)速的控制方面，選用宏程序-雙方向兩線(xiàn)制的方式，在啟?？刂浦?，變頻器直接利用兩線(xiàn)制控制，數(shù)字量輸入是電機(jī)啟停、旋轉(zhuǎn)控制的關(guān)鍵；在速度調(diào)節(jié)方面，數(shù)字量輸入選擇機(jī)制下，可以率先設(shè)定兩個(gè)固定轉(zhuǎn)速，不同的數(shù)字量輸入固定轉(zhuǎn)速有所不同。

（2）標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文1對(duì)電機(jī)的啟停與速度進(jìn)行控制，在PROFINT PZD通訊方式下，將控制字1（STW1）和主設(shè)定值（NSOLL_A）周期性發(fā)送給變頻器，在此條件下，變頻器將狀態(tài)字1（ZSW1）和實(shí)際轉(zhuǎn)速（NIST_A）發(fā)送給西門(mén)子PLC中，如果發(fā)送的是控制字047E（16進(jìn)制），則表示停車(chē)，反之，發(fā)送控制字047F（16進(jìn)制）則代表的是正常啟動(dòng)。但這種控制方式下，速度設(shè)定值要經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)化處理。

伺服電機(jī)是控制立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)Z軸升降機(jī)構(gòu)的主體，再進(jìn)一步細(xì)分，西門(mén)子伺服驅(qū)動(dòng)器V90是控制系統(tǒng)中的核心。在整體設(shè)計(jì)中，PLC與V90之間的通訊任務(wù)達(dá)成可以經(jīng)由多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在V90伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，因?yàn)榇嬖赑ROFINET接口，也就給用戶(hù)與PLC之間的通信與交互提供了支持，相比而言，這種控制設(shè)計(jì)和通訊方式下的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，完全滿(mǎn)足了系統(tǒng)運(yùn)行和控制中的實(shí)時(shí)通信要求，無(wú)論采用的是外部脈沖位置控制、內(nèi)部位置控制還是速度、轉(zhuǎn)矩控制等方式，都可以達(dá)到較理想的控制效果。

步進(jìn)電機(jī)是控制堆垛機(jī)Y軸伸縮貨叉的關(guān)鍵要素，其控制任務(wù)是經(jīng)由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成的，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器在執(zhí)行控制任務(wù)的實(shí)施中，實(shí)現(xiàn)了電脈沖向角位移的轉(zhuǎn)換。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到脈沖信號(hào)的時(shí)候，系統(tǒng)中的控制模塊就會(huì)以給定的脈沖和方向作為基礎(chǔ)，旋轉(zhuǎn)固定的角度。在脈沖個(gè)數(shù)對(duì)角位移量進(jìn)行控制的同時(shí)，也就提升了定位精度，當(dāng)然，經(jīng)由對(duì)脈沖頻率的有效控制，也就是實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度與加速度的精準(zhǔn)控制。

堆垛機(jī)的控制主要包含以下流程：（1）在堆垛機(jī)接收到相應(yīng)的信號(hào)后，會(huì)立即以激光測(cè)距儀測(cè)量反饋的當(dāng)下位置信息作為判斷依據(jù)，在判斷的基礎(chǔ)上對(duì)變頻器的輸出功率進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。在X軸移動(dòng)的同時(shí)，一旦其移動(dòng)到與目標(biāo)值相近的位置，立即進(jìn)入減速狀態(tài)并停止運(yùn)轉(zhuǎn)，在此運(yùn)行與控制過(guò)程中，依舊位移反饋值將電機(jī)的移動(dòng)速度保持在合理范圍內(nèi)，始終保持堆垛機(jī)處于穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。（2）依據(jù)目標(biāo)倉(cāng)位，在系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)及時(shí)輸入X軸運(yùn)行位置、Y軸伸縮貨叉位置、Z軸升降機(jī)構(gòu)運(yùn)行位置信息，當(dāng)這些信息輸入后，不斷與目標(biāo)位置值進(jìn)行對(duì)比、分析，根據(jù)最終的分析結(jié)果來(lái)輔助控制決策，保障定位精度，提高控制水平。

2 數(shù)字孿生系統(tǒng)在教學(xué)中的發(fā)展前景和優(yōu)勢(shì)

數(shù)字孿生系統(tǒng)是信息時(shí)代下的一種新興技術(shù)，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，該系統(tǒng)的應(yīng)用完全可以通過(guò)數(shù)字孿生建模、數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與模型融合，來(lái)發(fā)揮這一技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。在當(dāng)前的研究領(lǐng)域，數(shù)字孿生系統(tǒng)的使用和研究日漸增多，這一技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)了物理系統(tǒng)向信息空間數(shù)字化的映射，在系統(tǒng)中分布有各種類(lèi)型的傳感器，這些傳感器在系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)體的數(shù)據(jù)分析與建模，經(jīng)由一系列的仿真過(guò)程，處于物理系統(tǒng)中的各種要素和過(guò)程均可以在模型中直觀呈現(xiàn)出來(lái)，在傳感器的信息采集、系統(tǒng)通訊輔助下，數(shù)字孿生系統(tǒng)也就實(shí)現(xiàn)了多維物理實(shí)體數(shù)據(jù)的集成化，再加上數(shù)據(jù)分析與仿真模擬的存在，對(duì)物理實(shí)體的控制將更便捷與高效。

數(shù)字孿生系統(tǒng)下的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)得以完成，因此，企業(yè)在利用數(shù)字孿生系統(tǒng)開(kāi)展相應(yīng)工作的過(guò)程中，也就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、處理問(wèn)題，正是因?yàn)閿?shù)字孿生系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中的能耗大大降低，控制效率和水平有所提升，符合現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢(shì)。此外，一些企業(yè)使用了數(shù)字孿生系統(tǒng)后，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗(yàn)，因?yàn)閿?shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)與生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的全周期模擬，虛擬設(shè)計(jì)與虛擬運(yùn)行下，設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量更有所保障，這種虛擬過(guò)程，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)期行為與設(shè)計(jì)行為偏差的控制，對(duì)提高設(shè)計(jì)水平、控制設(shè)計(jì)成本具有重要的意義。

與常規(guī)教學(xué)模式相比，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)突破了教學(xué)硬件條件的限制，完全可以滿(mǎn)足自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)設(shè)備的全部功能，學(xué)生經(jīng)由PLC與自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)展接線(xiàn)與編程訓(xùn)練，不僅可以開(kāi)發(fā)相應(yīng)的教學(xué)資源，取得良好的教學(xué)效果，還在一定程度上節(jié)約了教學(xué)成本。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中，西門(mén)子PLC得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在這些領(lǐng)域有效發(fā)揮了西門(mén)子PLC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)了電子控制自動(dòng)化、智能化目標(biāo)的快速實(shí)現(xiàn)，對(duì)行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的意義重大。但西門(mén)子PLC應(yīng)用尚存在一些發(fā)展難題，在未來(lái)要注重技術(shù)創(chuàng)新，提升發(fā)展成果。