自动控制一体化系统设计思路

【摘要】当前通过PLC来实现生产线的自动化控制应用已经非常成熟，以PLC为中心，加上光电传感检测及变频驱动或伺服驱动，构建自动化控制的一体化系统，能提高自动化控制的精度，从而提高生产效率和产品质量。文章基于PLC设计了一套工艺较复杂的自动控制一体化系统，从设计思路到系统实现两个方面进行阐述，用PLC分段多级控制各工序，用光电技术进行检测，用气动机械手及机器人进行驱动，实现一套小型生产线的上料、灌装、分拣、检测、分类、包装和入库等全智能自动化控制过程，并通过实物组建、安装及调试运行。

【关键词】PLC；光机电一体化技术；自动控制

随着PLC、传感器和机器人技术的深入应用，作为一门光学、微电子学、计算机信息、自动控制技术和机械制造及其他相关技术交叉与融合的综合性高新技术，光机电一体化自动控制在生产实际中得到迅猛发展。本文利用光机电一体化技术和机器人技术，设计了一套控制精度较高的自动控制一体化实训系统，能够完成产品的分拣、检测、运输及入库等功能。

1设计思路

1.1设计总思路

光机电一体化技术的特征是在机电一体化概念的基础上，强调光、光电子、激光和光纤通信等技术的作用，属于应用领域更为宽阔的机电一体化技术。与传统的机械产品相比较，光机电一体化产品具有体积小、成本低、高精度、多功能、柔性化、智能化、高可靠性、高稳定性、应用范围广等优点。光机电一体化控制系统一般包括本体机械部分、计算机控制部分、执行装置和驱动部分、传感器4个部分[1]。在对自动化控制系统开展设计之前，首先分析工件加工、运输等工艺过程，从而确定设计目标、功能要素和功能模块，拟定系统总体设计方案，划分成各个分系统模块的功能需求，根据分系统功能需求设计分系统实现方案，并对各种方案进行可行性评价，考虑工效实用性、可靠性、稳定性及人机安全性等各种相关因素，最终确定最优方案。

1.2机械分系统设计

首先确定机械分系统的功能需求，把工件所需运动的位置、方向、路程、速度等需求具体化，再对产品的运动进行机械实现设计，并保证各机械在各段功能衔接性。对小型化自动控制系统，可设计两套机械运行系统，工件的水平运动可采用传送带来实现，工件的上下、翻转运动可用机械手夹住工件后，通过操纵机械手运行来实现；工件的加工机械可根据工件的专用加工机械实现。

1.3驱动分系统设计

自动化控制常用驱动方式有气动、液动、电动3种。气动方式防爆性好，容易实现无级调速，正反转转换时间短，具有较高的起动力矩且成本相对低廉，但响应较慢，控制精度较低，抗偏离能力较差，噪音较大；液动方式推动力强，输出的推力或力矩基本恒定，超载安全性好，抗偏离能力强，但液动驱动的成本较高，液动系统有液体泄漏隐患，维修难度大；电动驱动是最常见的驱动方式，其控制方式较多，控制精度比气动执行器要高，但电机工作特性决定了启动转矩不大，实现响应速度较慢。不同的驱动方式各有优缺点，可根据工艺对速度、方向、动力和响应时间的要求，选择合适的驱动方式。本系统根据不同的机械性能需求，设计使用气动和电动两种驱动方式，机械手的驱动主要采用气动方式实现，传送和精度较高的运行采用电动加变频或者电动加伺服的方式实现。

1.4机器人分系统设计

根据产品功能需求，在复杂工序段包装工序加入机器人系统。机器人精度高，灵活性大，能实现工件或者工具复杂的运行或加工工艺，但由于机器人较为昂贵，需要充分在性能、价格及可靠性等方面进行平衡设计。图1传感器和开关与PLC连接原理图

1.5检测分系统设计

光电传感器是光机电一体化系统的重要组成部分，它具备检测距离长、响应时间短、分辨率高、非接触式检测、可实现对颜色的判别等优点，是智能化自动控制系统的必备检测元器件。系统设计时，可根据产品生产检测的功能需求，确定检测系统的构成，以及传感器类型、参数和定位。

1.6控制分系统设计

一般小型自动化生产线的检测点数不多，对响应速度要求不是太高，信息传输量不大，因此首选用PLC来实现对系统的控制。PLC经过多年的发展，技术已经非常成熟，并且PLC具有性价比高、抗干扰能力强、产品选择范围广等优势。设计时可根据整个生产线长度、驱动数量和检测参量数量，按分布式控制模式进行。先确定I/O点数，再考虑冗余性、抗干扰能力及通讯速度等因素，对PLC及变频器的选型进行设计[2]。

2各分系统的实现

2.1工序分段

把整个系统分成5段工序，每个工序分别有机械、电气、控制等部分，各段工序分别实现工件加工的一个主要功能，生产线工序流程为上料→加工→分拣→包装→入库。上料工序将工件从料仓按顺序排好后送出，传送带将工件传送到加工工序；工件在加工工序加工后被传送到分拣工序；分拣工序检测工件是否为正品，并对正、次品进行分拣，分拣后把正品送往包装工序；包装工序把小产品装入大包装盒中并贴上标签；入库工序把已包装好的产品送往成品仓。

2.2机械分系统

机械分系统主要包括工件传送系统和工件抓取系统。工件传送系统：采用传送带传送工件，传送带选用带式传送带，由步进电机控制，工件通过传送带在各个工序中传送。工件抓取系统：各个工序中，用机械手抓取工件放到加工平台或传送带上。

2.3驱动分系统

驱动分系统是机械分系统的动力源，负责驱动传送系统、抓取系统和加工动力，包括电源、电机和气动元件等。电源部分为三相380V电源供电，并经过空开、过流漏电保护器等，把电送到电机和变频器。电机有步进电机、伺服电机和变频电机，其中传送带选用步进电机，机械手根据工序功能和精度要求可选用气动马达、伺服电机或变频电机。如在加工工序，工件加工行程精度要求较高，扭矩要求恒定，可选用伺服电机驱动，伺服电机驱动具备较高的精度，能保证小型工件的行程定位和加工质量；在精度要求不太高的工序，如上料工序可选用变频电机，由变频器控制变频电机，根据生产状况设定不同的电机速度，变频电机驱动相较伺服电机驱动有更高的性价比。气动系统包括空压机、气缸或气马达、控制阀及过滤器等辅助元器件，工件抓取主要由气动系统驱动机械手完成。

2.4机器人分系统

包装工序需要把产品放入包装盒并贴标签，要完成的动作较多，如果采用机械手会增加设计难度，因此考虑选用ABB系列的机器人来实现。ABB机器人型号类型有很多，主要根据有效负载、自由度（轴数）、最大工作范围、重复精度、速度、防护等级等因素进行选型，本系统选用ABB6轴机器人IRB120，机器人本体重量25kg，最高荷重3kg，工作范围580mm，属于紧凑型、轻量化的机器人，控制器为IRC5[3]。

2.5检测分系统

检测分系统负责对工件位置、产品质量进行检测，包括传送带传送工件的限位开关、机械手抓取工件上、下位置移动的限位开关，检测产品是否到位的反射型光纤传感器，以及检测正、次品的对射型颜色传感器等各类传感器及开关。系统传感器选型时，选用精度高、抗干扰能力强的数字光纤型传感器，有颜色传感器及反射型位置传感器两种。各类传感器与PLC的连接原理图如图1所示。

2.6控制分系统

控制分系统对整个生产线进行生产控制，包括PLC、变频器、接触器、继电器、启动急停按钮等。分系统采用分布式控制，即在每个工序使用1个PLC控制该工序的机械手或机器人及传送电机，控制完成工件在该工序的功能完成及输送；再使用一个PLC作为系统总控制，总控PLC主要任务是协调各工序的启动运行和停止时间，保证各工序运行步调一致。总控PLC和分控PLC之间采用RS485串行通讯方式，总控PLC使用触摸屏进行参数设定和控制，分级控制原理图如图2所示。

3系统控制

以上料工序为例，阐述如何实现系统控制。

3.1控制流程图

上料输送皮带逐个将工件输送到主输送带上，主输送带进料传感器感应到工件后，上料输送皮带停止，工件到达定位传感器后，根据适当延时，主输送带停止，定位气缸推出，将工件固定；同时循环选料机构将料筒内的物料推出，对物料根据颜色进行分拣（可自定义物料颜色，如白色为合格，蓝色为不合格），将合格物料分拣到位后，停止动作，等物料被取走后，继续运转；上料填装机构将分拣到位的合格物料吸取放到工件内；物料到达设定的数量后，定位气缸松开，上料输送皮带和主皮带启动，将完成上料工序的工件输送到下一个工位，完成一个流程。整个上料工艺流程由PLC控制，PLC控制主程序的流程图如图3所示。

3.2PLC的选型和I/O功能分配

考虑到普通自动化生产线系统一般情况下对信号响应的数量和频率不是太高，总控和各工序PLC选用汇川H2U系列PLC。汇川PLC程序存储空间大，不需要外部扩展内存卡即可达到24K步，运算速度快，并支持多达128个子程序和21个中断子程序，以及通讯扩展卡、I/O扩展模块、模拟量扩展模块和温度控制扩展模块。汇川PLC可与三菱PLC完全兼容，性价比高，能完全满足小型化生产自动化控制需求。各工序可根据本工序输入输出点数选择不同型号的PLC，如总控、加工工序选用H2U-1616MR，分拣、包装工序选用H2U-3232MR[4]。根据输入输出点的数量，上料工序采用汇川H2U3624MRPLC，其I/O功能分配见表1。

3.3PLC间通信

通信端口：COM0口作程序下载端口，也兼HMI监控端口。COM1作为通信端口，采用RS485标准。通信协议及连接：由于多台PLC需要同步交换信息，采用PLC内置的N：N协议，实现PLC的多方通讯。采用N：N协议的PLC通信时，从站只能跟主站通讯，各PLC从站把信号发到主站PLC，主站PLC把自己及各从站PLC的数据信号广播到各从站PLC，从站PLC可以从表3变频器与PLC的连接端口表特定数据区读取相应数据。汇川PLC的N：N协议与三菱PLC的N：N协议完全兼容，最高支持8个PLC通讯，硬件上要把所有PLC的COM1端口的信号线对应并联。设计时把主控PLC设为主站，其余PLC设为从站[5]。程序初始化时，在上料工序PLC系统寄存器D8126中设置为N：N协议从站，D8176站点号设为1，D8178速度模式设为1，可交换和读取32个M、4个D变量的数据[5]。程序启动时，M8002闭合，N：N协议设置的程序如图4所示。

3.4变频器控制

变频器选用三菱通用变频器FR-E740，需设置的参数见表2。变频器与PLC的连接端口见表3。3.5步进电机驱动器控制步进电机选用研控YAKOTEC的YK系列两相步进电机，驱动器为YKD系列。通过驱动器控制步进电机运行，其控制驱动器DIR+口为高电平时，电机正转，通过PLC的Y1给驱动器的DIR-口高电平时，电机反转；通过PLC的Y0能驱动器的PU-一个脉冲信号，没有进行细分设置时，步进电机旋转0.9度，实际生产中可通过细分拨码表更改电机步距角。步进驱动器连接原理图如图5所示。

4结束语

该系统设计经过实物组建、安装和调试，能较好地实现工件加工和运送功能。系统采用多个PLC进行分段分级控制，有效降低了PLC信号处理速度的要求和编程的复杂性，提高了信号传输的抗干扰能力，并能较容易实现生产柔性化。

参考文献

［1］方建军，田建君，郑清春．光机电一体化系统设计［M］.北京：化学工业出版社，2004．

［2］李树雄．PLC原理与应用［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2013．

［3］ABB（中国）有限公司．ABBIRB120机器人产品手册［Z］．

［4］深圳市汇川控制技术有限公司．汇川H2U系列可编程逻辑控制器用户手册［Z］．

［5］深圳市汇川控制技术有限公司．汇川H1U/H2U系列可编程逻辑控制器指令及编程手册［Z］

作者：陈文雄 单位：柳州市职业技能公共实训中心