導(dǎo)語(yǔ)：自動(dòng)控制一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀(guān)點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

【摘要】當(dāng)前通過(guò)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)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(cè)及變頻驅(qū)動(dòng)或伺服驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建自動(dòng)化控制的一體化系統(tǒng)，能提高自動(dòng)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(jì)了一套工藝較復(fù)雜的自動(dòng)控制一體化系統(tǒng)，從設(shè)計(jì)思路到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面進(jìn)行闡述，用PLC分段多級(jí)控制各工序，用光電技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，用氣動(dòng)機(jī)械手及機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一套小型生產(chǎn)線(xiàn)的上料、灌裝、分揀、檢測(cè)、分類(lèi)、包裝和入庫(kù)等全智能自動(dòng)化控制過(guò)程，并通過(guò)實(shí)物組建、安裝及調(diào)試運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】PLC；光機(jī)電一體化技術(shù)；自動(dòng)控制

隨著PLC、傳感器和機(jī)器人技術(shù)的深入應(yīng)用，作為一門(mén)光學(xué)、微電子學(xué)、計(jì)算機(jī)信息、自動(dòng)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(dòng)控制在生產(chǎn)實(shí)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(jì)了一套控制精度較高的自動(dòng)控制一體化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，能夠完成產(chǎn)品的分揀、檢測(cè)、運(yùn)輸及入庫(kù)等功能。

1設(shè)計(jì)思路

1.1設(shè)計(jì)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(diǎn)。光機(jī)電一體化控制系統(tǒng)一般包括本體機(jī)械部分、計(jì)算機(jī)控制部分、執(zhí)行裝置和驅(qū)動(dòng)部分、傳感器4個(gè)部分[1]。在對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)開(kāi)展設(shè)計(jì)之前，首先分析工件加工、運(yùn)輸?shù)裙に囘^(guò)程，從而確定設(shè)計(jì)目標(biāo)、功能要素和功能模塊，擬定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，劃分成各個(gè)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(jì)分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)各種方案進(jìn)行可行性評(píng)價(jià)，考慮工效實(shí)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(jì)

首先確定機(jī)械分系統(tǒng)的功能需求，把工件所需運(yùn)動(dòng)的位置、方向、路程、速度等需求具體化，再對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行機(jī)械實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，并保證各機(jī)械在各段功能銜接性。對(duì)小型化自動(dòng)控制系統(tǒng)，可設(shè)計(jì)兩套機(jī)械運(yùn)行系統(tǒng)，工件的水平運(yùn)動(dòng)可采用傳送帶來(lái)實(shí)現(xiàn)，工件的上下、翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可用機(jī)械手夾住工件后，通過(guò)操縱機(jī)械手運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)；工件的加工機(jī)械可根據(jù)工件的專(zhuān)用加工機(jī)械實(shí)現(xiàn)。

1.3驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化控制常用驅(qū)動(dòng)方式有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)3種。氣動(dòng)方式防爆性好，容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)間短，具有較高的起動(dòng)力矩且成本相對(duì)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(dòng)方式推動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)的成本較高，液動(dòng)系統(tǒng)有液體泄漏隱患，維修難度大；電動(dòng)驅(qū)動(dòng)是最常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式，其控制方式較多，控制精度比氣動(dòng)執(zhí)行器要高，但電機(jī)工作特性決定了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度較慢。不同的驅(qū)動(dòng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)工藝對(duì)速度、方向、動(dòng)力和響應(yīng)時(shí)間的要求，選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式。本系統(tǒng)根據(jù)不同的機(jī)械性能需求，設(shè)計(jì)使用氣動(dòng)和電動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)主要采用氣動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，傳送和精度較高的運(yùn)行采用電動(dòng)加變頻或者電動(dòng)加伺服的方式實(shí)現(xiàn)。

1.4機(jī)器人分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)工件或者工具復(fù)雜的運(yùn)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(jià)格及可靠性等方面進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)。圖1傳感器和開(kāi)關(guān)與PLC連接原理圖

1.5檢測(cè)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(cè)距離長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間短、分辨率高、非接觸式檢測(cè)、可實(shí)現(xiàn)對(duì)顏色的判別等優(yōu)點(diǎn)，是智能化自動(dòng)控制系統(tǒng)的必備檢測(cè)元器件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)檢測(cè)的功能需求，確定檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成，以及傳感器類(lèi)型、參數(shù)和定位。

1.6控制分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一般小型自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)不多，對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。PLC經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并且PLC具有性?xún)r(jià)比高、抗干擾能力強(qiáng)、產(chǎn)品選擇范圍廣等優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)長(zhǎng)度、驅(qū)動(dòng)數(shù)量和檢測(cè)參量數(shù)量，按分布式控制模式進(jìn)行。先確定I/O點(diǎn)數(shù)，再考慮冗余性、抗干擾能力及通訊速度等因素，對(duì)PLC及變頻器的選型進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。

2各分系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1工序分段

把整個(gè)系統(tǒng)分成5段工序，每個(gè)工序分別有機(jī)械、電氣、控制等部分，各段工序分別實(shí)現(xiàn)工件加工的一個(gè)主要功能，生產(chǎn)線(xiàn)工序流程為上料→加工→分揀→包裝→入庫(kù)。上料工序?qū)⒐ぜ牧蟼}(cāng)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(cè)工件是否為正品，并對(duì)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(kù)工序把已包裝好的產(chǎn)品送往成品倉(cāng)。

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(guò)傳送帶在各個(gè)工序中傳送。工件抓取系統(tǒng)：各個(gè)工序中，用機(jī)械手抓取工件放到加工平臺(tái)或傳送帶上。

2.3驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)是機(jī)械分系統(tǒng)的動(dòng)力源，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)傳送系統(tǒng)、抓取系統(tǒng)和加工動(dòng)力，包括電源、電機(jī)和氣動(dòng)元件等。電源部分為三相380V電源供電，并經(jīng)過(guò)空開(kāi)、過(guò)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(dòng)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(dòng)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)相較伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)有更高的性?xún)r(jià)比。氣動(dòng)系統(tǒng)包括空壓機(jī)、氣缸或氣馬達(dá)、控制閥及過(guò)濾器等輔助元器件，工件抓取主要由氣動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成。

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(dòng)作較多，如果采用機(jī)械手會(huì)增加設(shè)計(jì)難度，因此考慮選用ABB系列的機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)。ABB機(jī)器人型號(hào)類(lèi)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(jí)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25kg，最高荷重3kg，工作范圍580mm，屬于緊湊型、輕量化的機(jī)器人，控制器為IRC5[3]。

2.5檢測(cè)分系統(tǒng)

檢測(cè)分系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)工件位置、產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，包括傳送帶傳送工件的限位開(kāi)關(guān)、機(jī)械手抓取工件上、下位置移動(dòng)的限位開(kāi)關(guān)，檢測(cè)產(chǎn)品是否到位的反射型光纖傳感器，以及檢測(cè)正、次品的對(duì)射型顏色傳感器等各類(lèi)傳感器及開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)傳感器選型時(shí)，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(lèi)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(duì)整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行生產(chǎn)控制，包括PLC、變頻器、接觸器、繼電器、啟動(dòng)急停按鈕等。分系統(tǒng)采用分布式控制，即在每個(gè)工序使用1個(gè)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(gè)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(dòng)運(yùn)行和停止時(shí)間，保證各工序運(yùn)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(jìn)行參數(shù)設(shè)定和控制，分級(jí)控制原理圖如圖2所示。

3系統(tǒng)控制

以上料工序?yàn)槔?，闡述如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。

3.1控制流程圖

上料輸送皮帶逐個(gè)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(shí)，主輸送帶停止，定位氣缸推出，將工件固定；同時(shí)循環(huán)選料機(jī)構(gòu)將料筒內(nèi)的物料推出，對(duì)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(dòng)作，等物料被取走后，繼續(xù)運(yùn)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(kāi)，上料輸送皮帶和主皮帶啟動(dòng)，將完成上料工序的工件輸送到下一個(gè)工位，完成一個(gè)流程。整個(gè)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(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)一般情況下對(duì)信號(hào)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(chǔ)空間大，不需要外部擴(kuò)展內(nèi)存卡即可達(dá)到24K步，運(yùn)算速度快，并支持多達(dá)128個(gè)子程序和21個(gè)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?xún)r(jià)比高，能完全滿(mǎn)足小型化生產(chǎn)自動(dòng)化控制需求。各工序可根據(jù)本工序輸入輸出點(diǎn)數(shù)選擇不同型號(hào)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(diǎn)的數(shù)量，上料工序采用匯川H2U3624MRPLC，其I/O功能分配見(jiàn)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(biāo)準(zhǔn)。通信協(xié)議及連接：由于多臺(tái)PLC需要同步交換信息，采用PLC內(nèi)置的N：N協(xié)議，實(shí)現(xiàn)PLC的多方通訊。采用N：N協(xié)議的PLC通信時(shí)，從站只能跟主站通訊，各PLC從站把信號(hào)發(fā)到主站PLC，主站PLC把自己及各從站PLC的數(shù)據(jù)信號(hào)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(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(gè)PLC通訊，硬件上要把所有PLC的COM1端口的信號(hào)線(xiàn)對(duì)應(yīng)并聯(lián)。設(shè)計(jì)時(shí)把主控PLC設(shè)為主站，其余PLC設(shè)為從站[5]。程序初始化時(shí)，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(diǎn)號(hào)設(shè)為1，D8178速度模式設(shè)為1，可交換和讀取32個(gè)M、4個(gè)D變量的數(shù)據(jù)[5]。程序啟動(dòng)時(shí)，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(jiàn)表2。變頻器與PLC的連接端口見(jiàn)表3。3.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器為YKD系列。通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，其控制驅(qū)動(dòng)器DIR+口為高電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)PLC的Y1給驅(qū)動(dòng)器的DIR-口高電平時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；通過(guò)PLC的Y0能驅(qū)動(dòng)器的PU-一個(gè)脈沖信號(hào)，沒(méi)有進(jìn)行細(xì)分設(shè)置時(shí)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)0.9度，實(shí)際生產(chǎn)中可通過(guò)細(xì)分撥碼表更改電機(jī)步距角。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器連接原理圖如圖5所示。

4結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)實(shí)物組建、安裝和調(diào)試，能較好地實(shí)現(xiàn)工件加工和運(yùn)送功能。系統(tǒng)采用多個(gè)PLC進(jìn)行分段分級(jí)控制，有效降低了PLC信號(hào)處理速度的要求和編程的復(fù)雜性，提高了信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力，并能較容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)柔性化。

參考文獻(xiàn)

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［3］ABB（中國(guó)）有限公司．ABBIRB120機(jī)器人產(chǎn)品手冊(cè)［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(hù)手冊(cè)［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(cè)［Z］

作者：陳文雄 單位：柳州市職業(yè)技能公共實(shí)訓(xùn)中心