一種生產流水線電氣控制系統的設計

曹文燕

（中國質量認證中心，江蘇 南京210005）

0 引言

隨著工業自動控制技術的不斷發展與完善，可編程邏輯控制器（PLC）在工業控制系統中應用越來越廣泛。因其功能性強、可靠性高、編程簡單、抗干擾能力強、對工作環境要求低、控制方便、體積小巧等優點，在工業控制領域占據著重要的地位，它是根據順序邏輯控制的需要而發展起來的，是專門為工業環境應用而設計的數字運算操作的電子裝置。

隨著社會進步步伐的加快，自動化生產流水系統將需要實現更多復雜穩定的功能，它不僅要求各個機構能夠自動完成預定的各道工序，而且要求在工件上下料、定位夾緊、工件在工序間的輸送、機械加工等都能自動進行。因此，以PC機作為上位機，以PLC作為基本控制單元的控制系統在現代化生產中越來越顯示出其優越性，故對基于PLC的生產流水線電氣控制系統進行研究具有非常實用的意義。

本文設計使用PLC配合變頻器、步進電機等設備實現了生產流水線上的正向、反向及多段速運行，闡述了系統結構、硬件及軟件設計，分析了系統的技術特點，通過試驗結果驗證了設計的有效性。

1 系統結構

生產流水線是在一定的線路上連續輸送貨物的搬運機械，又稱輸送線或者輸送機。圖1是某生產流水線的簡易示意圖。

圖1 某生產流水線簡易示意圖

根據設計要求與設計思路，采用軟硬件相結合的方法，利用PLC、變頻器與電機之間的控制關系，研究設計了生產流水線某一控制電機的電氣控制系統，其中硬件設計部分有PLC I／O地址分配、S7－200接線圖、變頻器多段速控制及參數設置、變頻器接線圖等；軟件設計部分有SCR指令的應用、程序的設計編寫、仿真結果等。圖2是PLC與變頻器組成的控制系統示意圖。

圖2 控制系統示意圖

該控制系統具備啟停、調試、單選等基本功能，電機帶動的生產流水線某一部分工作臺能實現正轉、反轉以及多段速運行。

2 控制系統的軟硬件設計

2.1 硬件設計

PLC可以選擇西門子公司的S7－200系列，它具有體積小、價格低、速度快、標準化、功能強、可靠性高等特點，適用于單機自動化控制系統。該系統的輸入信號是開關量信號，輸出是負載三相交流電動機接觸器等。表1是PLC I／O地址分配表。由表可知，系統需要12個輸入點、5個輸出信號。課題中使用的S7－200系列CPU 224XP CN型PLC，具有14個輸入點和10個輸出點。

表1 I／O地址分配表

PLC控制模塊通過通信電纜將控制信息傳送到變頻器模塊，從而改變電源頻率，再通過通信電纜連接到電動機上，從而改變電動機的轉速，繼而改變生產流水線的速度，達到無極調速的目的。由于所選用的變頻器具有RS－485通信接口，因此PLC可以通過自有通信接口與變頻器通信，控制變頻器的運行，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率累計運行時間和過壓、過流、過負載等全部報警信息。

圖3為S7－200PLC（CPU 224XP CN）DC電源／DC輸入／DC輸出端子接線圖，DC輸入端由1M、I0.0～I0.7構成的第一組和由2M、I1.0～I1.5構成的第二組組成，1M和2M分別為各組公共端，DC24V的負極接公共端1M或者2M，輸入開關的一端接DC24V的正極，輸入開關的另一端接CPU 224XP CN各輸入端；DC輸出端由1M、1L＋、Q0.0～Q0.4構成的第一組和由2M、2L＋、Q0.5～Q1.1構成的第二組組成，1M 和2M分別為各組公共端，DC24V的負極接1M、2M端，正極接1L＋、2L＋端，Q0.1～Q0.4輸出一端接 CPU 224XP CN各輸出端，另一端分別與變頻器端7、端8、端16、端5連接。

圖3 S7－200 PLC外部接線圖

變頻器主電路的組成有3個部分，分別是整流器、平波回路和逆變器。圖4是變頻器接線圖。

圖4 變頻器接線示意圖

變頻器是通過整流、斬波、逆變等基本過程以及對電力半導體器件（如IGBT等）的PWM控制等，將電壓和頻率固定不變的工頻交流電電源變換為電壓或頻率可變的交流電電源，最終實現電動機的調速運行。

變頻調速是通過改變電動機定子電源的頻率來改變其同步轉速n的，變頻器的多段速通過功能端子控制，這些功能端子按照二進制的規律組合接通時，變頻器輸出各固定頻率。MMV變頻器最多可以通過3個端子組合閉合控制生成8種固定頻率，根據f＝nP／60可知能得到8段速。S7－200PLC輸出點與MMV變頻器的對應關系應該如表2所示。

表2 PLC輸出點與變頻器對應關系

2.2 軟件設計

STEP7－Micro／Win32是運行在計算機 Windows系統環境下的西門子S7－200系列PLC的編程軟件，其界面簡單、實用，功能強大，易于操作人員掌握和使用。通過PC／PPI編程電纜連接計算機的RS－232串口和S7－200PLC的RS－485通信接口后，編程軟件就可以向PLC下載或從PLC上載所編寫的應用程序。程序運行過程中還可以對PLC運行的情況進行監控，或通過強制命令對PLC進行調試。

STEP7－Micro／Win32的主界面中，系統菜單和工具欄提供各種功能，指令樹結構列出了編輯資源，包括程序塊、符號表、狀態圖、數據塊、通信塊等，還有所有可用指令。在編輯區，可進行程序編輯。這種編程結構使用了模塊化編程體系，程序結構簡單、組織方便、層次清楚，有利于編寫規模較大的程序。

PLC程序可以采用梯形圖、語句表、程序塊等形式表示。為了與繼電器—接觸器系統相承接，采用梯形圖形式對電氣控制系統進行編程。梯形圖與繼電器—接觸器系統的原理圖從本質上相一致，設計方法為參照繼電器原理圖在保持原有控制邏輯的基礎上改繪。

3 結語

本文設計了基于PLC的生產流水線電氣控制系統，這種集變頻啟動、PLC、現代控制理論于一體的新型流水線自動控制系統，通過程序設計實現智能控制，使生產流水線與主機的自動化水平相同，有利于自動化產業的發展。

［1］鐘肇新.可編程控制器原理及應用［M］.廣州：華南理工大學出版社，2004.

［2］范永勝，王岷.電器控制與PLC應用［M］.北京：中國電力出版社，2004.