PLC控制下的工業(yè)自動化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

梁雄基

摘 要：隨著社會和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對各種工業(yè)產(chǎn)品的需求量持續(xù)增加，對工業(yè)自動化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)提出了更高要求。為了提升工業(yè)自動化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)效果，可以在其中應(yīng)用PLC控制技術(shù)，提升自動化生產(chǎn)線的自動化運(yùn)行效果。為此，筆者在文章中對PLC控制下的工業(yè)自動化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，希望對促進(jìn)我國工業(yè)的發(fā)展可以起到有利的作用。

關(guān)鍵詞：PLC控制;工業(yè)自動化;生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP278 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）04-022-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.04.011

自動化技術(shù)自20世紀(jì)以來發(fā)展非常迅速，經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)相對成熟。其可以在無人條件下實(shí)現(xiàn)對各種元件的控制和對儀表的監(jiān)控。自動化技術(shù)是現(xiàn)代科技發(fā)展的重要標(biāo)志，在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用不斷增加，使用的安全程度相對較高，能夠有效提升生產(chǎn)的安全性。

1 PLC技術(shù)介紹

PLC又可稱為可編程控制器，其是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，在其內(nèi)部一般都含有數(shù)片的單片機(jī)系統(tǒng)。其具有運(yùn)行簡單計(jì)算機(jī)指令的功能，為了加強(qiáng)這些單片機(jī)的功能，這些單片機(jī)的擴(kuò)展功能也很強(qiáng)大，很多單片機(jī)都具有通信功能，這在很大程度上對PLC的功能進(jìn)行了擴(kuò)展[1]。在PLC的外部有很多輸入和輸出接口，輸入接口可以對外部各種開關(guān)輸入量進(jìn)行輸入，再經(jīng)過其內(nèi)部微處理器的運(yùn)算加工后，就可以通過外部端口輸出各種控制信號，對外部設(shè)備進(jìn)行有效控制。現(xiàn)在很多PLC都具有通信功能，內(nèi)部會集成各種通信協(xié)議，可以和上位機(jī)甚至和設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可以控制設(shè)備完成復(fù)雜操作，或者將重要數(shù)據(jù)及時上傳到上位機(jī)，讓操作人員對整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)有一個非常清晰的掌握，從而使其及時對系統(tǒng)控制進(jìn)行調(diào)整。

PLC技術(shù)在實(shí)際使用過程中，主要具有以下幾個特點(diǎn)：通用性較強(qiáng)。各種編程模塊的使用相對簡單，能夠通過對各種模塊的合理使用組成各種不同的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與安全性相對較強(qiáng)。由于PLC采用了獨(dú)特硬件結(jié)構(gòu)，可以保證其在運(yùn)行過程中能夠有效避免外界干擾，在各種惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)控制。其輸入和輸出點(diǎn)都是各種開關(guān)量或者模擬量，且輸入和輸出的開關(guān)量采用了光耦隔離技術(shù)，進(jìn)一步提升了PLC運(yùn)行的抗干擾能力。調(diào)試相對靈活，體積較為小巧。在生產(chǎn)控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過程中，如果需要改變控制方式，只需要進(jìn)行少量修改就可以完成控制系統(tǒng)控制功能的調(diào)整。PLC技術(shù)實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)對現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行認(rèn)真考量，確保PLC系統(tǒng)具有足夠的抗干擾能力。

2 工業(yè)自動化生產(chǎn)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)與硬件設(shè)計(jì)工作同步進(jìn)行，能夠根據(jù)控制的具體要求將生產(chǎn)工藝圖轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪螆D。這是軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)，也是PLC技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵所在，這就需要設(shè)計(jì)人員認(rèn)真做好程序編寫工作。工程技術(shù)人員在工業(yè)控制應(yīng)用和調(diào)試過程中，應(yīng)掌握必要的軟件和硬件知識，并具有調(diào)試PLC系統(tǒng)和各類元件、儀表的能力。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)控制要求復(fù)雜程度的不同，將控制分為簡單控制和復(fù)雜控制。在結(jié)構(gòu)方式設(shè)計(jì)過程中，其采用的設(shè)計(jì)思想主要可以分為三類：條件與分支結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)。如果采用模塊化設(shè)計(jì)思路，各個模塊之間的連接關(guān)系相對簡單，各個模塊的獨(dú)立性也相對較強(qiáng)，程序修改和調(diào)試比較容易，可以將總控制目標(biāo)分為多個任務(wù)比較明確的程序模塊，最后完成一個比較完整的總?cè)蝿?wù)程序。其中，各個模塊可以分別進(jìn)行調(diào)試和編程，能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜過程的控制[2-3]。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

PLC硬件設(shè)計(jì)效果對PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，有著非常直接的影響，其主要包括輸入和輸出兩個部分的設(shè)計(jì)：

輸出電路設(shè)計(jì)。在輸出電路設(shè)計(jì)過程中，其主要包括變頻器、指示燈、數(shù)字直流調(diào)速等，可以直接采用晶體管輸出形式，這樣會更加有利于高頻動作。PLC的輸出頻率在5次/min以下，如果采用繼電器輸出形式，可以有效提升帶負(fù)載能力，且輸出電路設(shè)計(jì)會更加簡單。如果PLC的輸入為感性負(fù)載，則在負(fù)載斷電的過程中會造成電流浪涌現(xiàn)象。因此，對于交流感性負(fù)載，可以采用浪涌吸收電路。如果是直流感性負(fù)載，就需要在旁邊接續(xù)流二極管，避免PLC在使用過程中出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

輸入電路設(shè)計(jì)。PLC的電源適應(yīng)范圍相對較寬，通過使用電源凈化元件，可以進(jìn)一步提升抗干擾能力。為了有效避免高低頻脈沖干擾現(xiàn)象發(fā)生，可以直接對隔離變壓器采用雙隔離技術(shù)。在PLC輸入電路電源帶負(fù)載的過程中，可以直接使用直流24伏電源，為了避免在PLC運(yùn)行過程中出現(xiàn)電源短路現(xiàn)象，就需要認(rèn)真應(yīng)用防短路措施，這對提升安全域系統(tǒng)的供電安全是非常重要的。為了進(jìn)一步避免發(fā)生短路現(xiàn)象，可以直接在輸入電源支路加裝熔絲，直接使用輸入電路功率兩倍的電源容量設(shè)計(jì)。

2.2 抗干擾設(shè)計(jì)

如今，變頻調(diào)速裝置和晶閘管可控整流技術(shù)廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)污染現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，對控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此，在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要認(rèn)真思考抗干擾問題。通常情況下，可以采用以下抗干擾方式：

屏蔽。在這個過程中，可以直接將PLC系統(tǒng)安放在金屬柜中并認(rèn)真做好金屬外殼屏蔽工作，通過合理使用接地金屬，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的空間輻射問題。隔離。在這個過程中，可以使用隔離變壓器并將中性點(diǎn)經(jīng)過電容接地。

2.3 系統(tǒng)調(diào)試

只有采用良好的調(diào)試步驟，才能有效完成系統(tǒng)調(diào)試工作。在PLC控制系統(tǒng)調(diào)試過程中，調(diào)試主要分為I/O端子測試、系統(tǒng)程序調(diào)試。在系統(tǒng)程序調(diào)試過程中，需要將整個系統(tǒng)按功能劃分為多個部分，首先對各部分進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，完成各部分的單獨(dú)調(diào)試再進(jìn)行整體調(diào)試。通過反復(fù)調(diào)試系統(tǒng)，及時消除系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)的問題。只有保持足夠的調(diào)試時間，才可以充分暴露問題并及時進(jìn)行修改。在調(diào)試過程中，應(yīng)認(rèn)真做好程序修改、硬件檢查、設(shè)備調(diào)試工作，并對現(xiàn)場控制量和信號進(jìn)行綜合調(diào)試。盡管如此，在設(shè)備生產(chǎn)過程中，通常還是會發(fā)現(xiàn)程序漏洞，所以在編寫程序時要盡量考慮到會出現(xiàn)的各種情況。

3 自動化生產(chǎn)線中PLC技術(shù)應(yīng)用案例

新材料分揀碼垛物流自動化工站應(yīng)用。原來的碼垛工作是人工將接近11kg的絲錠碼垛成4層，每層16個;或3層，每層16個?，F(xiàn)在改用機(jī)器人拆錠、碼垛：首先，人工將裝滿絲錠的絲車推到上料線，然后在上位機(jī)建立碼垛任務(wù);拆錠機(jī)器人對絲車的每個絲錠進(jìn)行拍照，并且將拍照結(jié)果傳送給PLC，PLC對比后再反饋結(jié)果給拆錠機(jī)器人，拆錠機(jī)器人收到合格信號才將絲錠放到碼垛位，然后碼垛機(jī)器人執(zhí)行碼垛;整垛碼完后，再進(jìn)行打帶、纏膜、稱重、貼標(biāo)、掃描等工作。PLC在整條生產(chǎn)線中需要與上位機(jī)、機(jī)器人進(jìn)行通訊，將生產(chǎn)任務(wù)信息從上位機(jī)傳遞到機(jī)器人，再將最終碼垛完的整垛重量等信息反饋給上位機(jī)，同時通過接收機(jī)器人的信號，對夾具和運(yùn)輸線運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。PLC控制各輸送線、掃碼槍，還要與變頻器、伺服、掃描槍等執(zhí)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)對它們的控制。

在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用了一個S7-1500PLC作為主PLC，另外還有三個S7-1200PLC，這三個PLC又都帶滿8個擴(kuò)展模塊。用S7-1500PLC作為主PLC，再用S7-1200PLC和其模塊作為輸入輸出信號，既可以降低項(xiàng)目總成本，也可以提高程序運(yùn)行速度，增加設(shè)備的可靠性。S7-1500PLC需要與上位機(jī)進(jìn)行OPC通訊，與6臺機(jī)器人、4臺伺服進(jìn)行PROFINET通訊，而覆膜機(jī)、打帶機(jī)、纏膜機(jī)、稱重機(jī)等外包設(shè)備使用S7-200PLC，與其進(jìn)行S7通訊。利用總線通，既減少接線的工作量，又提高通訊的穩(wěn)定性。

壓鑄島處理自動化應(yīng)用。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)工件從壓鑄機(jī)壓鑄成型后，前工序機(jī)器人從壓鑄機(jī)取出壓鑄件，然后放到水箱冷卻，再放到刻印臺利用激光刻印機(jī)對工件進(jìn)行明碼和二維碼刻印，并進(jìn)行二維碼檢驗(yàn)?？逃『蜋z驗(yàn)完成后，后工序機(jī)器人從刻印臺取走工件，分別放到切邊機(jī)、鋸床和鉆床進(jìn)行加工，最后從鉆床取走工件，再根據(jù)PLC給出的OK或者NG信號，確定工件是發(fā)到下料線，還是NG品放置臺。

整套設(shè)備中包括壓鑄島、前工序、后工序、切邊、鋸床和鉆床，分別使用了6個S7-1200PLC。PLC之間進(jìn)行PROFINET通訊，其中后工序PLC作為IO控制器，與其余5臺設(shè)備的PLC作為智能IO設(shè)備。這樣就優(yōu)化了項(xiàng)目管理，使每臺設(shè)備的PLC程序可以作為一個單獨(dú)工程，可以多人分別對每臺設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試。PLC系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

4 結(jié)語

隨著時代的不斷發(fā)展，對工業(yè)自動化生產(chǎn)提出了更高的要求。為了進(jìn)一步提升自動化設(shè)計(jì)效果，可以將PLC技術(shù)合理應(yīng)用到其中，實(shí)現(xiàn)各種操作的自動化控制，并能夠?qū)φ麄€生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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