張穎穎，尚　欣，楊樹川

(寧夏大學(xué)　機(jī)械工程學(xué)院，銀川　750021)

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基于PLC的吊蔓器制作裝備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張穎穎，尚欣，楊樹川

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，銀川750021)

摘要：農(nóng)業(yè)上藤蔓類植物大多采用吊蔓栽培技術(shù)，因此設(shè)計(jì)研發(fā)出一種吊蔓器制作裝備來加工吊蔓器。為了提高該設(shè)備的機(jī)械自動化水平、解放勞動力，從而更加高效率地加工吊蔓器，采用西門子小型PLC控制技術(shù)，結(jié)合液壓傳動技術(shù)與設(shè)計(jì)思路，分析了主要的硬件原理圖和軟件梯形圖，實(shí)現(xiàn)了對吊蔓器加工的自動控制。最終，將設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對吊蔓器進(jìn)行加工試驗(yàn)。結(jié)果表明：程序結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行效率高，可以很好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；吊蔓器；液壓傳動；PLC

0引言

長期以來，我國溫室吊蔓器的加工都是工人手動操作，自動化水平較低，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、成本高；更重要的是手工加工的吊蔓器一致性差，影響了吊蔓器在大棚中的使用，從而導(dǎo)致了吊蔓器綜合成本的提高，極大地影響了田間農(nóng)業(yè)機(jī)械化快速發(fā)展，成為制約吊蔓器規(guī)模生產(chǎn)的瓶頸。近年來，隨著電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品朝著智能化的方向發(fā)展，能夠用于自動化系統(tǒng)的控制方式也越來越多。工業(yè)上常用的控制方式有繼電器控制、PLC控制、嵌入式控制和傳統(tǒng)PC控制。PLC具有通用性較強(qiáng)、適應(yīng)性廣泛、可靠性高、抗干擾性強(qiáng)及編程簡單等特點(diǎn)，并且有簡單的監(jiān)控程序，能完成故障檢查、修改執(zhí)行命令等功能。它采用梯形圖語言編程，相對匯編語言而言，具有直觀、簡單、易學(xué)的特點(diǎn)。為此，筆者設(shè)計(jì)了一套吊蔓器制作裝備控制系統(tǒng)，通過PLC對吊蔓器的加工實(shí)現(xiàn)自動控制，加工的吊蔓器質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高，為吊蔓器在田間的使用提供了方便。同時，也可以有效地解決勞動力不足的問題，降低勞動成本，提高勞動生產(chǎn)率，對藤蔓類植物的栽培發(fā)展具有重要意義。

1主要結(jié)構(gòu)與加工工藝過程

吊蔓器制作裝備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　蔓器制作裝備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

吊蔓器制作裝備主要由機(jī)械部分、液壓缸、電動機(jī)、油泵、控制柜及箱體外殼組成，如圖2所示。

1.箱體外殼　2.液壓缸　3.機(jī)械部分

機(jī)械部分由凸模、凹模、卸料模、導(dǎo)柱、活動梁、機(jī)架及液壓缸組成，如圖3所示。

1.凸?！?、6、7、9.液壓缸　3、5.凹模　4.活動梁

結(jié)構(gòu)中，凸模的上升和下降，凹模的伸出和縮回動作采用的是液壓控制，它們分別與一直線運(yùn)動液壓缸活塞桿固接，并運(yùn)用4個兩位三通電磁閥控制液壓缸的運(yùn)動。電機(jī)的作用是通過帶動液壓缸來驅(qū)動各個模具塊的運(yùn)動，完成對吊蔓器的加工?；顒恿菏怯脕砼c凹模2、3配合，所以在活動梁上開出導(dǎo)向槽；活動梁外側(cè)的最外端焊上兩個帶內(nèi)螺紋孔的小擋塊，小擋塊上裝有螺釘，起到定位作用。液壓缸與各個模具通過法蘭連接在一起，首先進(jìn)行一次折彎時把零件折成U型，然后再進(jìn)行兩邊加工。由于吊蔓器的左右兩側(cè)分別有一凹形，所以凹模兩側(cè)設(shè)計(jì)出來兩個對稱的凹槽，加工該處時用銑床來加工。為了在加工工作時不把鐵絲卡住，還進(jìn)行了斜度的設(shè)計(jì)和匹配。機(jī)架是用來固定液壓缸10，為卸料模的運(yùn)動提供動力。

工作原理：將要加工的鐵絲平放在活動梁上，接通電源，打開油泵，電動機(jī)啟動，帶動液壓缸運(yùn)動，設(shè)備開始進(jìn)入工作狀態(tài)；液壓缸9驅(qū)動凸模向下運(yùn)動，當(dāng)快要到達(dá)接近開關(guān)時停止運(yùn)動，這時已將放好的鐵絲進(jìn)行一次折彎，折彎后的鐵絲成"U"型。之后，凹模2、3分別在液壓缸7、8的驅(qū)動下對向運(yùn)動，對鐵絲進(jìn)行二次折彎，凹模2、3與凸模相配合。在外力作用下，鐵絲產(chǎn)生的彎曲總變形由塑形變形和彈性變形兩部分組成。當(dāng)外力去掉后，塑性變形保留下來，彈性變形則完全消失，即發(fā)生了回彈現(xiàn)象。所以，在二次折彎后，凹模2、3對鐵絲要有一個保壓的過程。經(jīng)過兩次折彎，吊蔓器已經(jīng)制作完成；此時，PLC控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，凹模2、3在電機(jī)的驅(qū)動下反向運(yùn)動，復(fù)位，然后凸模也復(fù)位。卸料模具在液壓缸10的驅(qū)動下沿著凸模的凹槽進(jìn)行直線運(yùn)動，將凸模上加工好的吊蔓器推送下來，之后卸料模復(fù)位，一次完整的加工過程結(jié)束。當(dāng)加工過程中，出現(xiàn)意外或者出現(xiàn)迫不得已必須停止工作的情況，按下開關(guān)按鈕面板中的急停按鈕，設(shè)備將停止當(dāng)前工作；當(dāng)需要繼續(xù)工作，按下復(fù)位鍵，繼而開始正常工作。

2吊蔓器制作裝備的控制系統(tǒng)

2.1　PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC是現(xiàn)今最常用的控制設(shè)備，幾乎可以完成工業(yè)控制領(lǐng)域的所有任務(wù)。隨著PLC應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，PLC技術(shù)及其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都在不斷改進(jìn)，功能日益強(qiáng)大，性價比也越來越高。可編程控制器是一種運(yùn)用數(shù)字運(yùn)算執(zhí)行操作的電子系統(tǒng)，是專門為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的；采用一類可編程存儲器，用于其內(nèi)部的程序存儲、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、定時、順序控制及計(jì)數(shù)與算數(shù)操作等多數(shù)面向用戶的指令，并且通過模擬或數(shù)字式輸入/輸出來控制各種類型的機(jī)械或制造生產(chǎn)過程。PLC控制還具有功能性強(qiáng)、易操作及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，完全符合本次吊蔓器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因此，本次吊蔓器制作裝備的控制系統(tǒng)采用PLC控制。

2.2　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

輸入部分包括4個按鈕開關(guān)、7個接近開關(guān)。輸出部分則負(fù)責(zé)控制1個電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和4個液壓缸的動作；輸出24伏直流信號來控制中間繼電器的工作，延遲一定時間后，電磁閥通電并控制液壓缸的移動與電機(jī)的轉(zhuǎn)動。PLC的生產(chǎn)廠家有很多，主要有德國西門子、美國施耐德、美國通用電氣及日本三菱和OMRON等。其中，西門子公司的PLC抗干擾能力較強(qiáng)，比較耐用，維護(hù)率和損壞率比較低，并且根據(jù)該控制系統(tǒng)所需的控制功能及輸入、輸出點(diǎn)數(shù)和信號類型，系統(tǒng)PLC機(jī)選用SIEMENS S7-200系列，共22點(diǎn)輸入、12點(diǎn)輸出。其中，CPU 為224CN系列(14點(diǎn)輸入、10點(diǎn)輸出)。該P(yáng)LC的構(gòu)成框圖和計(jì)算機(jī)是一樣的，都有中央處理器(CPU)、存儲器和輸入/輸出接口，具有一個串行通訊端口，即RS-485口。為了保護(hù)線路末端的電線和用電設(shè)備，采用一種DZ47-63A型的小型斷路器，不僅可以分?jǐn)嗪徒油ǘ搪冯娏?，還可以接通和分?jǐn)嗾＿^負(fù)荷電流和負(fù)荷電流。斷路器在電路中不僅起控制作用，還具有一定的保護(hù)作用。

PLC控制系統(tǒng)輸入/輸出分析如下：

1)輸入設(shè)備是用來產(chǎn)生輸入信號，從而來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的各種功能。輸入設(shè)備主要是操作按鈕、繼電器的觸點(diǎn)、接近開關(guān)等。輸入設(shè)備及其功能如表1所示。

表1　輸入設(shè)備及其功能

2)輸出設(shè)備。輸出設(shè)備是應(yīng)用PLC的輸出信號，來驅(qū)動執(zhí)行元件，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的各種動作，本設(shè)備采用液壓控制，輸出設(shè)備均為電磁閥，其輸出設(shè)備及功能如表2所示。

表2　輸出設(shè)備及其功能

3)I/O端子的分配。I/O端子是PLC的重要外部部件，是PLC控制器與外部設(shè)備(輸出設(shè)備、輸入設(shè)備)連接的重要通道，I/O點(diǎn)的端子將I/O設(shè)備與PLC進(jìn)行連接，將PLC與現(xiàn)場構(gòu)成系統(tǒng)，通過輸入設(shè)備得到信息，經(jīng)過處理后再由輸入設(shè)備送往現(xiàn)場進(jìn)行輸出，從而實(shí)現(xiàn)自動化控制的目的。

此次控制系統(tǒng)采用西門子PLC S7-200的224CN系列，有14個輸入點(diǎn)，10個輸出點(diǎn)，可采用助記符和梯形圖兩種編程方式。其I/O地址分配如表3所示。

2.3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

為了更好地調(diào)整組合吊蔓器制作裝備控制系統(tǒng)部分的硬件功能，完成對系統(tǒng)的控制要求，不僅要完成系統(tǒng)硬件配置，還必須對其進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)。本次控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC程序設(shè)計(jì)。

表3　PLC數(shù)字量I/O地址分配

2.3.1程序結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計(jì)中，吊蔓器制作裝備選擇步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，其整個運(yùn)動狀態(tài)由油泵按鈕、啟動按鈕、復(fù)位按鈕及急停按鈕所控制，在運(yùn)動過程中由接近開關(guān)控制，凹凸模與卸料模由液壓裝置完成，采用感應(yīng)式接近開關(guān)進(jìn)行位置檢測，各個液壓缸的動作由電磁閥控制。其工作過程流程圖如圖4所示。

圖4　工作流程圖

2.3.2程序設(shè)計(jì)

S7-200使用的編程軟件是STEP7 Micro-Win,適用于所有西門子S7-200PLC機(jī)型的軟件編程，同時支持LAD、STL、FBD3種編程語言，并且可以根據(jù)自己的需要以及習(xí)慣隨時在這3者之間進(jìn)行切換。此軟件允許用戶在軟件環(huán)境下直接調(diào)試并監(jiān)控程序的運(yùn)行，可以在通用微機(jī)中運(yùn)行，并且可以在Windows環(huán)境下進(jìn)行編程。當(dāng)進(jìn)行相互間的通信時，可以通過計(jì)算機(jī)的串口和1根PC/PPI轉(zhuǎn)接電纜將它與PLC的PPI口相連。本系統(tǒng)軟件是在SIEMENS公司提供的STEP7 Micro-Win操作平臺上編制完成的。本設(shè)計(jì)中選用的編程軟件STEP7 Micro-Win應(yīng)用于S7-200系列。在進(jìn)行編程時，可以在仿真軟件上進(jìn)行在線調(diào)試，在梯形圖上可以仿真真實(shí)的信號、元件以及設(shè)備的通斷，仿真結(jié)束后可以根據(jù)仿真結(jié)果對軟件或硬件中的錯誤以及不足之處進(jìn)行修整、改進(jìn)。圖5為凸模下降工作及復(fù)位的梯形程序圖。

圖5　PLC控制系統(tǒng)梯形圖

3樣機(jī)制作及試驗(yàn)驗(yàn)證

針對目前我國傳統(tǒng)手工制作吊蔓器效率低、成本高、一致性差、無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化要求的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)研發(fā)了一款PLC控制系統(tǒng)自動化的吊蔓器制作裝備，并已經(jīng)將設(shè)備制作出來使制作加工吊蔓器的過程實(shí)現(xiàn)了自動控制，且一次加工可得到多個吊蔓器，效率較高。制作好的樣機(jī)實(shí)物與PLC控制柜實(shí)物圖如圖6、圖7所示。通過現(xiàn)場試驗(yàn)調(diào)試，操作者感覺該設(shè)備加工吊蔓器操作簡單，省時省力，僅需手動操作設(shè)備上的按鈕即可完成加工，最終通過PLC控制實(shí)現(xiàn)了吊蔓器加工過程的自動化。

圖6　吊蔓器制作裝備樣機(jī)實(shí)物圖

圖7　控制柜實(shí)物圖

4結(jié)論

1)本吊蔓器制作裝備控制系統(tǒng)采用PLC技術(shù)為平臺，以控制軟件為手段，實(shí)現(xiàn)了吊蔓器的加工制作，使各部件有序組合并協(xié)調(diào)工作，達(dá)到了自動化生產(chǎn)的目的。

2)吊蔓器制作裝備采用了自動控制與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的一體化設(shè)計(jì)，從根本上扭轉(zhuǎn)了吊蔓器成本高、一致性差的局面，達(dá)到了有效提高吊蔓器生產(chǎn)效率與質(zhì)量的目的。

3)該生產(chǎn)實(shí)踐表明：此系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、效率高，有效地提高了吊蔓器制造生產(chǎn)效益，此裝備已分別申請了實(shí)用新型專利和發(fā)明型專利。

參考文獻(xiàn)：

[1]宮淑貞,王冬青,徐世許.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2002.

[2]尹秀妍，柴秋，溫紅真． PLC 在農(nóng)產(chǎn)品稱量包裝控制中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007(1):200-201．

[3]西門子(中國)有限公司自動化與驅(qū)動集團(tuán)編.深入淺出西門子S7-200 PLC[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[4]陳國清,沈其文. 板材折彎工藝過程優(yōu)化[J].鍛壓機(jī)械，1994(1)：52-54.

[5]劉俊.基于PLC的液壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動化，2010(2)：45-48.

[6]黃運(yùn)杰.基于PLC的液壓泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長沙：湖南大學(xué)，2010.

[7]李國屏. 談PLC可編程控制器的原理和工業(yè)應(yīng)用[J].寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2005(2)：25-27.

[8]朱乃燔. 國內(nèi)外折彎機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展 [J].鍛壓機(jī)械，1995，30(6)：9-13.

[9]吳剛，王海鵬，劉若愚. 折彎機(jī)器人[J].金屬加工，2010(17):43-45.

[10]S.K. Gupta，David A. Bourne,K.H.Kim,S.S.Khrishnan. Automated Process Planning for Sheet Metal Bending Operations[D].Pennsylvania:Carnegie Mellon University,1998.

[11]廖常初．可編程控制器的編程方法與工程應(yīng)用[M].重慶: 重慶大學(xué)出版社，2001．

[12]羅凱華. PLC在折彎機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2007(2):50-53.

[13]John T.Winship,P.E. Press Brake Bend Toword CNC[J].Metal Starnping,1955(2):34-37.

The PLC Control System Design of Equipment for Hanging Tendril Device

Zhang Yingying， Shang Xin， Yang Shuchuan

(School of Mechanical Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China)

Abstract：Agriculture of vine plants mostly adopts hanging vine cultivation technology, we designed and developed a hanging vine production equipment to processing hanging vine device, in order to improve the equipment level of automation machinery, liberate the workforce, thus more efficient processing hanging vines. So the use of SIEMENS PLC control technology, combined with hydraulic transmission technology and design ideas, analysis of the main hardware schematics and software ladder diagram, to achieve the automatic control of the crane. Finally the design of the control system for the crane to carry out the processing test. The results show that the structure of the program is compact, the operation efficiency is high, and the design requirements can be realized well.

Key words：control system;lift device; hydraulic transmission; PLC

中圖分類號：S220.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0222-05

作者簡介：張穎穎(1990-)，女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，(E-mail)18809502960@163.com。通訊作者：尚欣(1971-)，男，西安人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)xkshangx@163.com。

基金項(xiàng)目：寧夏高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(NGY2014050)

收稿日期：2015-10-30