導語：自動控制一體化系統(tǒng)設計思路一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

【摘要】當前通過PLC來實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化控制應用已經(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設計了一套工藝較復雜的自動控制一體化系統(tǒng)，從設計思路到系統(tǒng)實現(xiàn)兩個方面進行闡述，用PLC分段多級控制各工序，用光電技術進行檢測，用氣動機械手及機器人進行驅(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。

【關鍵詞】PLC；光機電一體化技術；自動控制

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

1設計思路

1.1設計總思路

光機電一體化技術的特征是在機電一體化概念的基礎上，強調(diào)光、光電子、激光和光纖通信等技術的作用，屬于應用領域更為寬闊的機電一體化技術。與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品相比較，光機電一體化產(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、應用范圍廣等優(yōu)點。光機電一體化控制系統(tǒng)一般包括本體機械部分、計算機控制部分、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)開展設計之前，首先分析工件加工、運輸?shù)裙に囘^程，從而確定設計目標、功能要素和功能模塊，擬定系統(tǒng)總體設計方案，劃分成各個分系統(tǒng)模塊的功能需求，根據(jù)分系統(tǒng)功能需求設計分系統(tǒng)實現(xiàn)方案，并對各種方案進行可行性評價，考慮工效實用性、可靠性、穩(wěn)定性及人機安全性等各種相關因素，最終確定最優(yōu)方案。

1.2機械分系統(tǒng)設計

首先確定機械分系統(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)品的運動進行機械實現(xiàn)設計，并保證各機械在各段功能銜接性。對小型化自動控制系統(tǒng)，可設計兩套機械運行系統(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)運動可用機械手夾住工件后，通過操縱機械手運行來實現(xiàn)；工件的加工機械可根據(jù)工件的專用加工機械實現(xiàn)。

1.3驅(qū)動分系統(tǒng)設計

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，輸出的推力或力矩基本恒定，超載安全性好，抗偏離能力強，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，但電機工作特性決定了啟動轉(zhuǎn)矩不大，實現(xiàn)響應速度較慢。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)不同的機械性能需求，設計使用氣動和電動兩種驅(qū)動方式，機械手的驅(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機器人分系統(tǒng)設計

根據(jù)產(chǎn)品功能需求，在復雜工序段包裝工序加入機器人系統(tǒng)。機器人精度高，靈活性大，能實現(xiàn)工件或者工具復雜的運行或加工工藝，但由于機器人較為昂貴，需要充分在性能、價格及可靠性等方面進行平衡設計。圖1傳感器和開關與PLC連接原理圖

1.5檢測分系統(tǒng)設計

光電傳感器是光機電一體化系統(tǒng)的重要組成部分，它具備檢測距離長、響應時間短、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)的構成，以及傳感器類型、參數(shù)和定位。

1.6控制分系統(tǒng)設計

一般小型自動化生產(chǎn)線的檢測點數(shù)不多，對響應速度要求不是太高，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，技術已經(jīng)非常成熟，并且PLC具有性價比高、抗干擾能力強、產(chǎn)品選擇范圍廣等優(yōu)勢。設計時可根據(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及變頻器的選型進行設計[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簽；入庫工序把已包裝好的產(chǎn)品送往成品倉。

2.2機械分系統(tǒng)

機械分系統(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，由步進電機控制，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)是機械分系統(tǒng)的動力源，負責驅(qū)動傳送系統(tǒng)、抓取系統(tǒng)和加工動力，包括電源、電機和氣動元件等。電源部分為三相380V電源供電，并經(jīng)過空開、過流漏電保護器等，把電送到電機和變頻器。電機有步進電機、伺服電機和變頻電機，其中傳送帶選用步進電機，機械手根據(jù)工序功能和精度要求可選用氣動馬達、伺服電機或變頻電機。如在加工工序，工件加工行程精度要求較高，扭矩要求恒定，可選用伺服電機驅(qū)動，伺服電機驅(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，由變頻器控制變頻電機，根據(jù)生產(chǎn)狀況設定不同的電機速度，變頻電機驅(qū)動相較伺服電機驅(qū)動有更高的性價比。氣動系統(tǒng)包括空壓機、氣缸或氣馬達、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)動機械手完成。

2.4機器人分系統(tǒng)

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

2.5檢測分系統(tǒng)

檢測分系統(tǒng)負責對工件位置、產(chǎn)品質(zhì)量進行檢測，包括傳送帶傳送工件的限位開關、機械手抓取工件上、下位置移動的限位開關，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。系統(tǒng)傳感器選型時，選用精度高、抗干擾能力強的數(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控制該工序的機械手或機器人及傳送電機，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?？偪豍LC和分控PLC之間采用RS485串行通訊方式，總控PLC使用觸摸屏進行參數(shù)設定和控制，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，主輸送帶進料傳感器感應到工件后，上料輸送皮帶停止，工件到達定位傳感器后，根據(jù)適當延時，主輸送帶停止，定位氣缸推出，將工件固定；同時循環(huán)選料機構將料筒內(nèi)的物料推出，對物料根據(jù)顏色進行分揀（可自定義物料顏色，如白色為合格，藍色為不合格），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)；上料填裝機構將分揀到位的合格物料吸取放到工件內(nèi)；物料到達設定的數(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。

3.2PLC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，不需要外部擴展內(nèi)存卡即可達到24K步，運算速度快，并支持多達128個子程序和21個中斷子程序，以及通訊擴展卡、I/O擴展模塊、模擬量擴展模塊和溫度控制擴展模塊。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H2U3624MRPLC，其I/O功能分配見表1。

3.3PLC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標準。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可以從表3變頻器與PLC的連接端口表特定數(shù)據(jù)區(qū)讀取相應數(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端口的信號線對應并聯(lián)。設計時把主控PLC設為主站，其余PLC設為從站[5]。程序初始化時，在上料工序PLC系統(tǒng)寄存器D8126中設置為N：N協(xié)議從站，D8176站點號設為1，D8178速度模式設為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步進電機驅(qū)動器控制步進電機選用研控YAKOTEC的YK系列兩相步進電機，驅(qū)動器為YKD系列。通過驅(qū)動器控制步進電機運行，其控制驅(qū)動器DIR+口為高電平時，電機正轉(zhuǎn)，通過PLC的Y1給驅(qū)動器的DIR-口高電平時，電機反轉(zhuǎn)；通過PLC的Y0能驅(qū)動器的PU-一個脈沖信號，沒有進行細分設置時，步進電機旋轉(zhuǎn)0.9度，實際生產(chǎn)中可通過細分撥碼表更改電機步距角。步進驅(qū)動器連接原理圖如圖5所示。

4結(jié)束語

該系統(tǒng)設計經(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

［1］方建軍，田建君，鄭清春．光機電一體化系統(tǒng)設計［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2004．

［2］李樹雄．PLC原理與應用［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2013．

［3］ABB（中國）有限公司．ABBIRB120機器人產(chǎn)品手冊［Z］．

［4］深圳市匯川控制技術有限公司．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］

作者：陳文雄 單位：柳州市職業(yè)技能公共實訓中心