甘梓堅(jiān)

摘 要：自機(jī)械化時(shí)代到來之后，生產(chǎn)流水線就被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。生產(chǎn)流水線的基本原理是將一個(gè)生產(chǎn)重復(fù)的過程進(jìn)行分解，使其成為若干個(gè)子過程，且前一個(gè)子過程為下一個(gè)子過程創(chuàng)造執(zhí)行條件，有效提高了生產(chǎn)效率。隨著時(shí)代的發(fā)展，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)下的生產(chǎn)流水線已經(jīng)難以滿足生產(chǎn)的需要，積極研制新型控制系統(tǒng)，提高流水線生產(chǎn)效率成為各個(gè)企業(yè)技術(shù)革新的目標(biāo)。文章對(duì)可編程邏輯控制器（PLC）生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：生產(chǎn)流水線；PLC；電氣控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM921.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）03-0107-03

Abstract： Since the advent of mechanization， the production of pipeline has been used in industrial production. The basic principle of pipeline production is to decompose a repeated production process into several sub-processes， and the former sub-process creates the execution conditions for the next sub-process， which effectively improves the production efficiency. With the development of the times， the production of pipeline under the traditional control system has been difficult to meet the needs of production. Actively developing a new control system to improve the efficiency of pipeline production has become the goal of technological innovation. This paper discusses the design of the electric control system for the production of pipeline by programmable logic controller （PLC）.

Keywords： assemble line； PLC； electrical control system

伴隨著工業(yè)化的發(fā)展，作為一種專門應(yīng)對(duì)工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子設(shè)備，PLC因其功能性強(qiáng)、可靠性高、編程簡單、對(duì)環(huán)境要求較低、便于控制等優(yōu)勢被全面應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展迅速，工業(yè)控制系統(tǒng)逐漸向自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化、智能化控制發(fā)展，在此背景下，生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)的自動(dòng)化與智能化成為必然發(fā)展趨勢。為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流水線的自動(dòng)化控制，應(yīng)實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜穩(wěn)定的功能，如：各機(jī)構(gòu)預(yù)定的各個(gè)程序應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，工件上下料、定位加緊等均應(yīng)自動(dòng)化，基于此，PLC在工業(yè)生產(chǎn)中的優(yōu)勢越發(fā)凸顯。

生產(chǎn)流水線主要是指在一定線路上連續(xù)輸送貨物的一種搬運(yùn)機(jī)械，在產(chǎn)品加工、分揀及運(yùn)輸過程中起著重要的作用。目前，我國多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)流水線均采用PLC進(jìn)行自動(dòng)化控制，簡化了接線過程，便利了設(shè)備維護(hù)，真正實(shí)現(xiàn)了少人值班甚至無人值班，提高了生產(chǎn)效率。

1 PLC的特點(diǎn)

1.1 較強(qiáng)的可靠性與抗干擾能力

在電氣控制系統(tǒng)中，為保障系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最佳效果，必須具備高可靠性。PLC采用的技術(shù)為現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，其內(nèi)部電路采用了高抗干擾性技術(shù)，具有較高的可靠性，因此，在電氣控制系統(tǒng)中，應(yīng)用PLC能夠取到較好的效果。

1.2 較強(qiáng)的適應(yīng)性

由于PLC的快速發(fā)展與應(yīng)用，市場上出現(xiàn)了不同規(guī)模的產(chǎn)品，被應(yīng)用于不同的工業(yè)控制場合中。當(dāng)前，PLC隨著發(fā)展出現(xiàn)了諸多功能單元，PLC已被貫徹落實(shí)至溫度控制、位置控制等工業(yè)控制領(lǐng)域，相信，隨著PLC各種能力的不斷提高，其適應(yīng)場合、適應(yīng)領(lǐng)域等也會(huì)不斷拓展。

1.3 維護(hù)、改造相對(duì)便利

如今，工業(yè)控制中應(yīng)用的PLC多采用接線邏輯，有效減少了控制設(shè)備的外部接線，PLC的應(yīng)用有效縮短了電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)間，維修也相對(duì)便利，僅需要改變同一設(shè)備程序，生產(chǎn)過程也會(huì)改變，是多品種、小批量生產(chǎn)流水線上的理想控制器。

1.4 被工程技術(shù)人員廣泛認(rèn)可

目前，PLC已經(jīng)成為一種通用型的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC主要是依據(jù)工業(yè)、礦業(yè)生產(chǎn)研發(fā)的。PLC具有接口簡單、編程語言簡單等特點(diǎn)，工程技術(shù)人員能夠快速掌握并有效應(yīng)用。并且，PLC以梯形圖語言為表達(dá)方式，與繼電器電路圖類似，僅需要小部分開關(guān)量邏輯控制指令，就能夠達(dá)到與繼電器電路相同的效果，可見，PLC的優(yōu)勢明顯。

2 生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制系統(tǒng)應(yīng)具備的主要功能

（1）數(shù)據(jù)采集。為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流水線的自動(dòng)化、智能化控制，設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先對(duì)電氣控制系統(tǒng)、流水線、PLC及其他機(jī)電裝備的工作參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)等信息進(jìn)行獲取，傳感器能夠獲取準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)參數(shù)，因此，在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳感器是必不可缺的元件。

（2）數(shù)據(jù)管理。在傳感器對(duì)生產(chǎn)流水線相關(guān)參數(shù)采集完畢后，應(yīng)利用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，對(duì)此，上位機(jī)應(yīng)具備數(shù)據(jù)管理功能，能夠?qū)κ盏降臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行編輯加工，進(jìn)而通過人機(jī)交互合理表達(dá)數(shù)據(jù)信息，供工作人員獲取信息。

（3）自動(dòng)生產(chǎn)。PLC的有效應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制，在無人工干預(yù)下，生產(chǎn)流水線自動(dòng)運(yùn)行，可完成全部生產(chǎn)動(dòng)作。注意：為實(shí)現(xiàn)流水線全過程的自動(dòng)化，設(shè)計(jì)人員在PLC編程過程中，應(yīng)將生產(chǎn)流水線的全部動(dòng)作進(jìn)行編程控制。endprint

（4）遠(yuǎn)程控制。為實(shí)現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，遠(yuǎn)程控制是不可缺少的部分。該項(xiàng)功能的主要表現(xiàn)如下：上位機(jī)利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)布控制指令，電氣控制系統(tǒng)積極響應(yīng)，生產(chǎn)流水線自動(dòng)運(yùn)行。遠(yuǎn)程控制功能的實(shí)現(xiàn)使電氣控制系統(tǒng)真正達(dá)到了設(shè)計(jì)的初始目標(biāo)：自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程化。

2.2 電氣控制系統(tǒng)應(yīng)具備的主要結(jié)構(gòu)

（1）上位機(jī)：在生產(chǎn)流水線的電氣控制系統(tǒng)中，上位機(jī)主要指代的是數(shù)據(jù)管理終端設(shè)備，如：PC機(jī)、工控機(jī)等。在電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行中，上位機(jī)主要有兩種功能：管理傳感器采集并上傳的數(shù)據(jù)、向控制系統(tǒng)發(fā)布指令。為實(shí)現(xiàn)上述功能，上位機(jī)應(yīng)具備專用管理程序，如PLC，具備良好的人機(jī)交互性。為提高上位機(jī)人機(jī)交互性，通常借助組態(tài)軟件開發(fā)人機(jī)交互程序，以此再現(xiàn)生產(chǎn)狀態(tài)、被控對(duì)象狀態(tài)等。

（2）下位機(jī)：下位機(jī)的核心主要是指數(shù)據(jù)采集與獲取的相關(guān)設(shè)備，如：傳感器、PLC等，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如：交換機(jī)、路由器等。傳感器被用來采集生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息、位置信息等一切必要數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)管理與電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

3 生產(chǎn)流水線電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 生產(chǎn)流水線所需元件簡單介紹

（1）落料光電傳感器：主要用來檢測傳輸帶上是否有物料，并將檢測信號(hào)傳輸給PLC，PLC對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷，若傳輸帶上存在物料，則PLC將信息傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)電氣系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，流水線傳輸帶啟動(dòng)。（2）放料孔：主要定位物料落料，使物料落在準(zhǔn)確位置。（3）金屬料槽：主要用來放置金屬物料。（4）塑料料槽：主要用來放置非金屬物料。（5）電感式傳感器：用來檢測金屬材料，檢測距離約在3mm-5mm之間。（6）電容式傳感器：主要用來檢測非金屬材料，檢測距離約在5mm-10mm之間。（7）三相異步電機(jī)：為流水線不可缺少的部分，用來驅(qū)動(dòng)傳輸帶轉(zhuǎn)動(dòng)，元件開啟或閉合受控于變頻器。（8）推料氣缸：元件開啟后，能夠自動(dòng)將物料推入料槽，受控于雙向電控氣閥。

要想實(shí)現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)化，生產(chǎn)流水線應(yīng)首先具備自動(dòng)化功能。由流水線所需的各項(xiàng)設(shè)備作用可以看出，生產(chǎn)流水線完全具備無人工下的自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)功能。

3.2 生產(chǎn)流水線的程序設(shè)計(jì)

在生產(chǎn)流水線自動(dòng)化設(shè)計(jì)開始前期，技術(shù)人員提出了一定要求，即：利用PLC與變頻器控制交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，利用交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)流水線運(yùn)輸帶運(yùn)行，以此保障交流電動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行。

在交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中，共有五個(gè)可選檔位，一檔轉(zhuǎn)速600r/min，二擋轉(zhuǎn)速900r/min，三檔轉(zhuǎn)速2100r/min，四擋轉(zhuǎn)速2700r/min。上述四個(gè)檔位均是正向轉(zhuǎn)動(dòng)，五檔是反向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為1500r/min。在生產(chǎn)流水線運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，若采用二級(jí)電機(jī)，則上述轉(zhuǎn)速均可使用；若采用四級(jí)電機(jī)，則應(yīng)用轉(zhuǎn)速為上述轉(zhuǎn)速的二分之一；若采用六級(jí)電機(jī)，則可應(yīng)用轉(zhuǎn)速為上述轉(zhuǎn)速的三分之一，以此類推。

在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，按鈕SB1可啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使生產(chǎn)線進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)；按鈕SB2可關(guān)閉電動(dòng)機(jī)，使生產(chǎn)線進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)；SB3能夠控制電動(dòng)機(jī)正方向運(yùn)轉(zhuǎn)；SB4控制電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)；按鈕SB5可控制電動(dòng)機(jī)以一檔轉(zhuǎn)速運(yùn)行，以此類推，為電動(dòng)機(jī)每項(xiàng)狀態(tài)設(shè)置一個(gè)按鈕，當(dāng)工作人員需要電動(dòng)機(jī)進(jìn)入某一狀態(tài)時(shí)，可直接利用計(jì)算機(jī)發(fā)布命令，最后由上位機(jī)進(jìn)行控制，既能便利人工觀察，又可提高生產(chǎn)流水線的自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 電氣控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

（1）硬件設(shè)計(jì)。在電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，PLC是不可或缺的部分，設(shè)計(jì)人員應(yīng)將各種類型的PLC在體積、價(jià)格、速度、功能等方面進(jìn)行比較。例如，本次設(shè)計(jì)最終選擇西門子公司S7-200系列CPU 224XP CN，該系列產(chǎn)品適用于單機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)輸入信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)，輸出為負(fù)載三相交流電動(dòng)機(jī)接觸器。PLC具有10個(gè)輸出點(diǎn)，14個(gè)輸入點(diǎn)。

在電氣控制系統(tǒng)自動(dòng)控制生產(chǎn)線時(shí)，PLC控制模塊利用通信電纜將控制信息傳輸至變頻器模塊，改變電源頻率，頻率變動(dòng)影響與PLC連接的電動(dòng)機(jī)，可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，最終起到自動(dòng)控制生產(chǎn)流水線速度的目的。在本次電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師采用的是具備RS-485通信接口的變頻器，PLC能夠通過自身通信接口與變頻器實(shí)現(xiàn)信息流動(dòng)，達(dá)到控制變頻器運(yùn)行的目的。并且，PLC的連接，能夠靈活讀取變頻器的電壓、電流等全部報(bào)警信息，降低流水線運(yùn)行故障，提高生產(chǎn)效率。

在電氣控制系統(tǒng)中，變頻器也是其中的重要部分，主要用于信息采集與傳輸。一般來講，變頻器是由整流器、平波回路、逆變器三部分組成的。變頻器通過上述三部分及電力半導(dǎo)體器件的PWM控制，對(duì)工頻交流電電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成電壓可變或頻率可變的交流電電源，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)速運(yùn)行。

（2）軟件設(shè)計(jì)。西門子S7-200系列CPU 224XP CN型號(hào)PLC的編程軟件主要是STEP7-Micro/Win32，該軟件主要運(yùn)行在計(jì)算機(jī)Windows系統(tǒng)中，該型號(hào)PLC具有界面簡單、功能較強(qiáng)、程序操作簡便、易于被操作人員掌握與應(yīng)用等優(yōu)勢。在電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員利用PC/PPI編程電纜將計(jì)算機(jī)RS-232串口、S7-200系列PLC的RS-485通信接口連接之后，編程軟件即可向PLC下載應(yīng)用程序或上傳設(shè)計(jì)人員所編寫的應(yīng)用程序。在軟件程序運(yùn)行中，技術(shù)人員應(yīng)安裝監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控PLC運(yùn)行情況，若PLC運(yùn)行出現(xiàn)問題，即可通過強(qiáng)制命令調(diào)試PLC，保障PLC良好運(yùn)行。

在STEP7-Micro/Win32主界面中，系統(tǒng)菜單、工具欄幾乎提供了各種功能，編輯資源如：程序塊、符號(hào)表、狀態(tài)圖等均根據(jù)指令樹結(jié)構(gòu)的模式列出，交由編輯區(qū)編輯程序。本次設(shè)計(jì)中，編程結(jié)構(gòu)使用的是模塊化編程體系，該體系具備結(jié)構(gòu)簡單、組織方便、編寫規(guī)模大等優(yōu)勢。

3.4 最終測試

在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，為了解系統(tǒng)是否能夠真正實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)流水線的自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程化控制，設(shè)計(jì)人員要對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行最后測試。

在系統(tǒng)啟用前，技術(shù)人員要對(duì)生產(chǎn)流水線及控制系統(tǒng)進(jìn)行最后檢測，保障生產(chǎn)線每一設(shè)備均處于規(guī)定位置，電氣控制系統(tǒng)每一程序、每一元件均準(zhǔn)確無誤。下達(dá)開啟命令，觀察生產(chǎn)流水線是否自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)，觀察金屬元件或非金屬元件是否準(zhǔn)確進(jìn)入對(duì)應(yīng)放料口，觀察交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)是否與對(duì)應(yīng)按鈕同步，觀察生產(chǎn)流水線是否能在無人工下自動(dòng)生產(chǎn)。觀察完畢后，下達(dá)停止命令，觀察生產(chǎn)流水線是否停止。在生產(chǎn)流水線運(yùn)行時(shí)，技術(shù)人員可突然斷開電源，模仿突發(fā)性停電事故，在恢復(fù)供電后，再次啟動(dòng)電氣控制系統(tǒng)，觀察生產(chǎn)線運(yùn)行是否處于正常狀態(tài)，若仍正常，則電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完好，可投入使用。若出現(xiàn)問題，技術(shù)人員應(yīng)快速檢查，及時(shí)修復(fù)，再次進(jìn)行測試，直至電氣控制系統(tǒng)能夠有效控制生產(chǎn)流水線自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化運(yùn)行。

4 結(jié)束語

綜上所述，PLC系統(tǒng)的有效利用，能有效推動(dòng)電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化與遠(yuǎn)程化，提高生產(chǎn)流水線的效率。PLC具有結(jié)構(gòu)簡單、編程便捷、操作性強(qiáng)等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)流程的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，市場發(fā)展遠(yuǎn)大。

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