自動控制一體化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳文雄

【摘 要】當(dāng)前通過PLC來實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化控制應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，以PLC為中心，加上光電傳感檢測及變頻驅(qū)動或伺服驅(qū)動，構(gòu)建自動化控制的一體化系統(tǒng)，能提高自動化控制的精度，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。文章基于PLC設(shè)計了一套工藝較復(fù)雜的自動控制一體化系統(tǒng)，從設(shè)計思路到系統(tǒng)實現(xiàn)兩個方面進(jìn)行闡述，用PLC分段多級控制各工序，用光電技術(shù)進(jìn)行檢測，用氣動機(jī)械手及機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動，實現(xiàn)一套小型生產(chǎn)線的上料、灌裝、分揀、檢測、分類、包裝和入庫等全智能自動化控制過程，并通過實物組建、安裝及調(diào)試運行。

【關(guān)鍵詞】PLC;光機(jī)電一體化技術(shù);自動控制

【中圖分類號】TH39 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）03-0033-04

0 引言

隨著PLC、傳感器和機(jī)器人技術(shù)的深入應(yīng)用，作為一門光學(xué)、微電子學(xué)、計算機(jī)信息、自動控制技術(shù)和機(jī)械制造及其他相關(guān)技術(shù)交叉與融合的綜合性高新技術(shù)，光機(jī)電一體化自動控制在生產(chǎn)實際中得到迅猛發(fā)展。本文利用光機(jī)電一體化技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計了一套控制精度較高的自動控制一體化實訓(xùn)系統(tǒng)，能夠完成產(chǎn)品的分揀、檢測、運輸及入庫等功能。

1 設(shè)計思路

1.1 設(shè)計總思路

光機(jī)電一體化技術(shù)的特征是在機(jī)電一體化概念的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)光、光電子、激光和光纖通信等技術(shù)的作用，屬于應(yīng)用領(lǐng)域更為寬闊的機(jī)電一體化技術(shù)。與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品相比較，光機(jī)電一體化產(chǎn)品具有體積小、成本低、高精度、多功能、柔性化、智能化、高可靠性、高穩(wěn)定性、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點。光機(jī)電一體化控制系統(tǒng)一般包括本體機(jī)械部分、計算機(jī)控制部分、執(zhí)行裝置和驅(qū)動部分、傳感器4個部分[1]。

在對自動化控制系統(tǒng)開展設(shè)計之前，首先分析工件加工、運輸?shù)裙に囘^程，從而確定設(shè)計目標(biāo)、功能要素和功能模塊，擬定系統(tǒng)總體設(shè)計方案，劃分成各個分系統(tǒng)模塊的功能需求，根據(jù)分系統(tǒng)功能需求設(shè)計分系統(tǒng)實現(xiàn)方案，并對各種方案進(jìn)行可行性評價，考慮工效實用性、可靠性、穩(wěn)定性及人機(jī)安全性等各種相關(guān)因素，最終確定最優(yōu)方案。

1.2 機(jī)械分系統(tǒng)設(shè)計

首先確定機(jī)械分系統(tǒng)的功能需求，把工件所需運動的位置、方向、路程、速度等需求具體化，再對產(chǎn)品的運動進(jìn)行機(jī)械實現(xiàn)設(shè)計，并保證各機(jī)械在各段功能銜接性。對小型化自動控制系統(tǒng)，可設(shè)計兩套機(jī)械運行系統(tǒng)，工件的水平運動可采用傳送帶來實現(xiàn)，工件的上下、翻轉(zhuǎn)運動可用機(jī)械手夾住工件后，通過操縱機(jī)械手運行來實現(xiàn);工件的加工機(jī)械可根據(jù)工件的專用加工機(jī)械實現(xiàn)。

1.3 驅(qū)動分系統(tǒng)設(shè)計

自動化控制常用驅(qū)動方式有氣動、液動、電動3種。氣動方式防爆性好，容易實現(xiàn)無級調(diào)速，正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換時間短，具有較高的起動力矩且成本相對低廉，但響應(yīng)較慢，控制精度較低，抗偏離能力較差，噪音較大;液動方式推動力強(qiáng)，輸出的推力或力矩基本恒定，超載安全性好，抗偏離能力強(qiáng)，但液動驅(qū)動的成本較高，液動系統(tǒng)有液體泄漏隱患，維修難度大;電動驅(qū)動是最常見的驅(qū)動方式，其控制方式較多，控制精度比氣動執(zhí)行器要高，但電機(jī)工作特性決定了啟動轉(zhuǎn)矩不大，實現(xiàn)響應(yīng)速度較慢。不同的驅(qū)動方式各有優(yōu)缺點，可根據(jù)工藝對速度、方向、動力和響應(yīng)時間的要求，選擇合適的驅(qū)動方式。本系統(tǒng)根據(jù)不同的機(jī)械性能需求，設(shè)計使用氣動和電動兩種驅(qū)動方式，機(jī)械手的驅(qū)動主要采用氣動方式實現(xiàn)，傳送和精度較高的運行采用電動加變頻或者電動加伺服的方式實現(xiàn)。

1.4 機(jī)器人分系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)產(chǎn)品功能需求，在復(fù)雜工序段包裝工序加入機(jī)器人系統(tǒng)。機(jī)器人精度高，靈活性大，能實現(xiàn)工件或者工具復(fù)雜的運行或加工工藝，但由于機(jī)器人較為昂貴，需要充分在性能、價格及可靠性等方面進(jìn)行平衡設(shè)計。

1.5 檢測分系統(tǒng)設(shè)計

光電傳感器是光機(jī)電一體化系統(tǒng)的重要組成部分，它具備檢測距離長、響應(yīng)時間短、分辨率高、非接觸式檢測、可實現(xiàn)對顏色的判別等優(yōu)點，是智能化自動控制系統(tǒng)的必備檢測元器件。系統(tǒng)設(shè)計時，可根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)檢測的功能需求，確定檢測系統(tǒng)的構(gòu)成，以及傳感器類型、參數(shù)和定位。

1.6 控制分系統(tǒng)設(shè)計

一般小型自動化生產(chǎn)線的檢測點數(shù)不多，對響應(yīng)速度要求不是太高，信息傳輸量不大，因此首選用PLC來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。PLC經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并且PLC具有性價比高、抗干擾能力強(qiáng)、產(chǎn)品選擇范圍廣等優(yōu)勢。設(shè)計時可根據(jù)整個生產(chǎn)線長度、驅(qū)動數(shù)量和檢測參量數(shù)量，按分布式控制模式進(jìn)行。先確定I/O點數(shù)，再考慮冗余性、抗干擾能力及通訊速度等因素，對PLC及變頻器的選型進(jìn)行設(shè)計[2]。

2 各分系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 工序分段

把整個系統(tǒng)分成5段工序，每個工序分別有機(jī)械、電氣、控制等部分，各段工序分別實現(xiàn)工件加工的一個主要功能，生產(chǎn)線工序流程為上料→加工→分揀→包裝→入庫。

上料工序?qū)⒐ぜ牧蟼}按順序排好后送出，傳送帶將工件傳送到加工工序;工件在加工工序加工后被傳送到分揀工序;分揀工序檢測工件是否為正品，并對正、次品進(jìn)行分揀，分揀后把正品送往包裝工序;包裝工序把小產(chǎn)品裝入大包裝盒中并貼上標(biāo)簽;入庫工序把已包裝好的產(chǎn)品送往成品倉。

2.2 機(jī)械分系統(tǒng)

機(jī)械分系統(tǒng)主要包括工件傳送系統(tǒng)和工件抓取系統(tǒng)。工件傳送系統(tǒng)：采用傳送帶傳送工件，傳送帶選用帶式傳送帶，由步進(jìn)電機(jī)控制，工件通過傳送帶在各個工序中傳送。工件抓取系統(tǒng)：各個工序中，用機(jī)械手抓取工件放到加工平臺或傳送帶上。

2.3 驅(qū)動分系統(tǒng)

驅(qū)動分系統(tǒng)是機(jī)械分系統(tǒng)的動力源，負(fù)責(zé)驅(qū)動傳送系統(tǒng)、抓取系統(tǒng)和加工動力，包括電源、電機(jī)和氣動元件等。電源部分為三相380 V電源供電，并經(jīng)過空開、過流漏電保護(hù)器等，把電送到電機(jī)和變頻器。電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)和變頻電機(jī)，其中傳送帶選用步進(jìn)電機(jī)，機(jī)械手根據(jù)工序功能和精度要求可選用氣動馬達(dá)、伺服電機(jī)或變頻電機(jī)。如在加工工序，工件加工行程精度要求較高，扭矩要求恒定，可選用伺服電機(jī)驅(qū)動，伺服電機(jī)驅(qū)動具備較高的精度，能保證小型工件的行程定位和加工質(zhì)量;在精度要求不太高的工序，如上料工序可選用變頻電機(jī)，由變頻器控制變頻電機(jī)，根據(jù)生產(chǎn)狀況設(shè)定不同的電機(jī)速度，變頻電機(jī)驅(qū)動相較伺服電機(jī)驅(qū)動有更高的性價比。氣動系統(tǒng)包括空壓機(jī)、氣缸或氣馬達(dá)、控制閥及過濾器等輔助元器件，工件抓取主要由氣動系統(tǒng)驅(qū)動機(jī)械手完成。08E62C2A-6DE9-4404-B157-458B3935F4F6

2.4 機(jī)器人分系統(tǒng)

包裝工序需要把產(chǎn)品放入包裝盒并貼標(biāo)簽，要完成的動作較多，如果采用機(jī)械手會增加設(shè)計難度，因此考慮選用ABB系列的機(jī)器人來實現(xiàn)。ABB機(jī)器人型號類型有很多，主要根據(jù)有效負(fù)載、自由度（軸數(shù)）、最大工作范圍、重復(fù)精度、速度、防護(hù)等級等因素進(jìn)行選型，本系統(tǒng)選用ABB6軸機(jī)器人IRB120，機(jī)器人本體重量25 kg，最高荷重3 kg，工作范圍580 mm，屬于緊湊型、輕量化的機(jī)器人，控制器為IRC5[3]。

2.5 檢測分系統(tǒng)

檢測分系統(tǒng)負(fù)責(zé)對工件位置、產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢測，包括傳送帶傳送工件的限位開關(guān)、機(jī)械手抓取工件上、下位置移動的限位開關(guān)，檢測產(chǎn)品是否到位的反射型光纖傳感器，以及檢測正、次品的對射型顏色傳感器等各類傳感器及開關(guān)。系統(tǒng)傳感器選型時，選用精度高、抗干擾能力強(qiáng)的數(shù)字光纖型傳感器，有顏色傳感器及反射型位置傳感器兩種。各類傳感器與PLC的連接原理圖如圖1所示。

2.6 控制分系統(tǒng)

控制分系統(tǒng)對整個生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)控制，包括PLC、變頻器、接觸器、繼電器、啟動急停按鈕等。分系統(tǒng)采用分布式控制，即在每個工序使用1個PLC控制該工序的機(jī)械手或機(jī)器人及傳送電機(jī)，控制完成工件在該工序的功能完成及輸送;再使用一個PLC作為系統(tǒng)總控制，總控PLC主要任務(wù)是協(xié)調(diào)各工序的啟動運行和停止時間，保證各工序運行步調(diào)一致。總控PLC和分控PLC之間采用RS485串行通訊方式，總控PLC使用觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和控制，分級控制原理圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)控制

以上料工序為例，闡述如何實現(xiàn)系統(tǒng)控制。

3.1 控制流程圖

上料輸送皮帶逐個將工件輸送到主輸送帶上，主輸送帶進(jìn)料傳感器感應(yīng)到工件后，上料輸送皮帶停止，工件到達(dá)定位傳感器后，根據(jù)適當(dāng)延時，主輸送帶停止，定位氣缸推出，將工件固定;同時循環(huán)選料機(jī)構(gòu)將料筒內(nèi)的物料推出，對物料根據(jù)顏色進(jìn)行分揀（可自定義物料顏色，如白色為合格，藍(lán)色為不合格），將合格物料分揀到位后，停止動作，等物料被取走后，繼續(xù)運轉(zhuǎn);上料填裝機(jī)構(gòu)將分揀到位的合格物料吸取放到工件內(nèi);物料到達(dá)設(shè)定的數(shù)量后，定位氣缸松開，上料輸送皮帶和主皮帶啟動，將完成上料工序的工件輸送到下一個工位，完成一個流程。整個上料工藝流程由PLC控制，PLC控制主程序的流程圖如圖3所示。

3.2 PLC的選型和I/O功能分配

考慮到普通自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)一般情況下對信號響應(yīng)的數(shù)量和頻率不是太高，總控和各工序PLC選用匯川H2U系列PLC。匯川PLC程序存儲空間大，不需要外部擴(kuò)展內(nèi)存卡即可達(dá)到24K步，運算速度快，并支持多達(dá)128個子程序和21個中斷子程序，以及通訊擴(kuò)展卡、I/O擴(kuò)展模塊、模擬量擴(kuò)展模塊和溫度控制擴(kuò)展模塊。匯川PLC可與三菱PLC完全兼容，性價比高，能完全滿足小型化生產(chǎn)自動化控制需求。各工序可根據(jù)本工序輸入輸出點數(shù)選擇不同型號的PLC，如總控、加工工序選用H2U-1616MR，分揀、包裝工序選用H2U-3232MR[4]。

根據(jù)輸入輸出點的數(shù)量，上料工序采用匯川H2U36 24MRPLC，其I/O功能分配見表1。

3.3 PLC間通信

通信端口：COM0口作程序下載端口，也兼HMI監(jiān)控端口。COM1作為通信端口，采用RS485標(biāo)準(zhǔn)。

通信協(xié)議及連接：由于多臺PLC需要同步交換信息，采用PLC內(nèi)置的N：N協(xié)議，實現(xiàn)PLC的多方通訊。采用N：N協(xié)議的PLC通信時，從站只能跟主站通訊，各PLC從站把信號發(fā)到主站PLC，主站PLC把自己及各從站PLC的數(shù)據(jù)信號廣播到各從站PLC，從站PLC可以從特定數(shù)據(jù)區(qū)讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)。匯川PLC的N：N協(xié)議與三菱PLC的N：N協(xié)議完全兼容，最高支持8個PLC通訊，硬件上要把所有PLC的COM1端口的信號線對應(yīng)并聯(lián)。設(shè)計時把主控PLC設(shè)為主站，其余PLC設(shè)為從站[5]。

程序初始化時，在上料工序PLC系統(tǒng)寄存器D8126中設(shè)置為N：N協(xié)議從站，D8176站點號設(shè)為1，D8178速度模式設(shè)為1，可交換和讀取32個M、4個D變量的數(shù)據(jù)[5]。

程序啟動時，M8002閉合，N：N協(xié)議設(shè)置的程序如圖4所示。

3.4 變頻器控制

變頻器選用三菱通用變頻器FR-E740，需設(shè)置的參數(shù)見表2。

變頻器與PLC的連接端口見表3。

3.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制

步進(jìn)電機(jī)選用研控YAKOTEC的YK系列兩相步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動器為YKD系列。通過驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)運行，其控制驅(qū)動器DIR+口為高電平時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過PLC的Y1給驅(qū)動器的DIR-口高電平時，電機(jī)反轉(zhuǎn);通過PLC的Y0能驅(qū)動器的PU-一個脈沖信號，沒有進(jìn)行細(xì)分設(shè)置時，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)0.9度，實際生產(chǎn)中可通過細(xì)分撥碼表更改電機(jī)步距角。步進(jìn)驅(qū)動器連接原理圖如圖5所示。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)過實物組建、安裝和調(diào)試，能較好地實現(xiàn)工件加工和運送功能。系統(tǒng)采用多個PLC進(jìn)行分段分級控制，有效降低了PLC信號處理速度的要求和編程的復(fù)雜性，提高了信號傳輸?shù)目垢蓴_能力，并能較容易實現(xiàn)生產(chǎn)柔性化。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]方建軍，田建君，鄭清春.光機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]李樹雄.PLC原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[3]ABB（中國）有限公司.ABB IRB120機(jī)器人產(chǎn)品手冊[Z].

[4]深圳市匯川控制技術(shù)有限公司.匯川H2U系列可編程邏輯控制器用戶手冊[Z].

[5]深圳市匯川控制技術(shù)有限公司.匯川H1U/H2U系列可編程邏輯控制器指令及編程手冊[Z].08E62C2A-6DE9-4404-B157-458B3935F4F6