自動控制一體化系統設計思路

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【摘要】當前通過PLC來實現生產線的自動化控制應用已經非常成熟，以PLC為中心，加上光電傳感檢測及變頻驅動或伺服驅動，構建自動化控制的一體化系統，能提高自動化控制的精度，從而提高生產效率和產品質量。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，從設計思路到系統實現兩個方面進行闡述，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動，實現一套小型生產線的上料、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實際中得到迅猛發展。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，能夠完成產品的分揀、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。與傳統的機械產品相比較，光機電一體化產品具有體積小、成本低、高精度、多功能、柔性化、智能化、高可靠性、高穩定性、應用范圍廣等優點。光機電一體化控制系統一般包括本體機械部分、計算機控制部分、執行裝置和驅動部分、傳感器4個部分[1]。在對自動化控制系統開展設計之前，首先分析工件加工、運輸等工藝過程，從而確定設計目標、功能要素和功能模塊，擬定系統總體設計方案，劃分成各個分系統模塊的功能需求，根據分系統功能需求設計分系統實現方案，并對各種方案進行可行性評價，考慮工效實用性、可靠性、穩定性及人機安全性等各種相關因素，最終確定最優方案。

1.2機械分系統設計

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

1.3驅動分系統設計

自動化控制常用驅動方式有氣動、液動、電動3種。氣動方式防爆性好，容易實現無級調速，正反轉轉換時間短，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，但液動驅動的成本較高，液動系統有液體泄漏隱患，維修難度大；電動驅動是最常見的驅動方式，其控制方式較多，控制精度比氣動執行器要高，但電機工作特性決定了啟動轉矩不大，實現響應速度較慢。不同的驅動方式各有優缺點，可根據工藝對速度、方向、動力和響應時間的要求，選擇合適的驅動方式。本系統根據不同的機械性能需求，設計使用氣動和電動兩種驅動方式，機械手的驅動主要采用氣動方式實現，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。

1.4機器人分系統設計

根據產品功能需求，在復雜工序段包裝工序加入機器人系統。機器人精度高，靈活性大，能實現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檢測分系統設計

光電傳感器是光機電一體化系統的重要組成部分，它具備檢測距離長、響應時間短、分辨率高、非接觸式檢測、可實現對顏色的判別等優點，是智能化自動控制系統的必備檢測元器件。系統設計時，可根據產品生產檢測的功能需求，確定檢測系統的構成，以及傳感器類型、參數和定位。

1.6控制分系統設計

一般小型自動化生產線的檢測點數不多，對響應速度要求不是太高，信息傳輸量不大，因此首選用PLC來實現對系統的控制。PLC經過多年的發展，技術已經非常成熟，并且PLC具有性價比高、抗干擾能力強、產品選擇范圍廣等優勢。設計時可根據整個生產線長度、驅動數量和檢測參量數量，按分布式控制模式進行。先確定I/O點數，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各分系統的實現

2.1工序分段

把整個系統分成5段工序，每個工序分別有機械、電氣、控制等部分，各段工序分別實現工件加工的一個主要功能，生產線工序流程為上料→加工→分揀→包裝→入庫。上料工序將工件從料倉按順序排好后送出，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；包裝工序把小產品裝入大包裝盒中并貼上標簽；入庫工序把已包裝好的產品送往成品倉。

2.2機械分系統

機械分系統主要包括工件傳送系統和工件抓取系統。工件傳送系統：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：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驅動分系統

驅動分系統是機械分系統的動力源，負責驅動傳送系統、抓取系統和加工動力，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，可選用伺服電機驅動，伺服電機驅動具備較高的精度，能保證小型工件的行程定位和加工質量；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，根據生產狀況設定不同的電機速度，變頻電機驅動相較伺服電機驅動有更高的性價比。氣動系統包括空壓機、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驅動機械手完成。

2.4機器人分系統

包裝工序需要把產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。ABB機器人型號類型有很多，主要根據有效負載、自由度（軸數）、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

檢測分系統負責對工件位置、產品質量進行檢測，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。系統傳感器選型時，選用精度高、抗干擾能力強的數字光纖型傳感器，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

控制分系統對整個生產線進行生產控制，包括PLC、變頻器、接觸器、繼電器、啟動急停按鈕等。分系統采用分布式控制，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作為系統總控制，總控PLC主要任務是協調各工序的啟動運行和停止時間，保證各工序運行步調一致。總控PLC和分控PLC之間采用RS485串行通訊方式，總控PLC使用觸摸屏進行參數設定和控制，分級控制原理圖如圖2所示。

3系統控制

以上料工序為例，闡述如何實現系統控制。

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；同時循環選料機構將料筒內的物料推出，對物料根據顏色進行分揀（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，繼續運轉；上料填裝機構將分揀到位的合格物料吸取放到工件內；物料到達設定的數量后，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線系統一般情況下對信號響應的數量和頻率不是太高，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自動化控制需求。各工序可根據本工序輸入輸出點數選擇不同型號的PLC，如總控、加工工序選用H2U-1616MR，分揀、包裝工序選用H2U-3232MR[4]。根據輸入輸出點的數量，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監控端口。COM1作為通信端口，采用RS485標準。通信協議及連接：由于多臺PLC需要同步交換信息，采用PLC內置的N：N協議，實現PLC的多方通訊。采用N：N協議的PLC通信時，從站只能跟主站通訊，各PLC從站把信號發到主站PLC，主站PLC把自己及各從站PLC的數據信號廣播到各從站PLC，從站PLC可以從表3變頻器與PLC的連接端口表特定數據區讀取相應數據。匯川PLC的N：N協議與三菱PLC的N：N協議完全兼容，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。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系統寄存器D8126中設置為N：N協議從站，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變量的數據[5]。程序啟動時，M8002閉合，N：N協議設置的程序如圖4所示。

3.4變頻器控制

變頻器選用三菱通用變頻器FR-E740，需設置的參數見表2。變頻器與PLC的連接端口見表3。3.5步進電機驅動器控制步進電機選用研控YAKOTEC的YK系列兩相步進電機，驅動器為YKD系列。通過驅動器控制步進電機運行，其控制驅動器DIR+口為高電平時，電機正轉，通過PLC的Y1給驅動器的DIR-口高電平時，電機反轉；通過PLC的Y0能驅動器的PU-一個脈沖信號，沒有進行細分設置時，步進電機旋轉0.9度，實際生產中可通過細分撥碼表更改電機步距角。步進驅動器連接原理圖如圖5所示。

4結束語

該系統設計經過實物組建、安裝和調試，能較好地實現工件加工和運送功能。系統采用多個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，提高了信號傳輸的抗干擾能力，并能較容易實現生產柔性化。

參考文獻

［1］方建軍，田建君，鄭清春．光機電一體化系統設計［M］.北京：化學工業出版社，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：柳州市職業技能公共實訓中心