生產流水線電氣控制系統的設計研究

甘梓堅

摘 要：自機械化時代到來之后，生產流水線就被應用于工業生產中。生產流水線的基本原理是將一個生產重復的過程進行分解，使其成為若干個子過程，且前一個子過程為下一個子過程創造執行條件，有效提高了生產效率。隨著時代的發展，傳統控制系統下的生產流水線已經難以滿足生產的需要，積極研制新型控制系統，提高流水線生產效率成為各個企業技術革新的目標。文章對可編程邏輯控制器（PLC）生產流水線電氣控制系統的設計進行了探討。

關鍵詞：生產流水線；PLC；電氣控制系統

中圖分類號：TM921.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）03-0107-03

Abstract： Since the advent of mechanization， the production of pipeline has been used in industrial production. The basic principle of pipeline production is to decompose a repeated production process into several sub-processes， and the former sub-process creates the execution conditions for the next sub-process， which effectively improves the production efficiency. With the development of the times， the production of pipeline under the traditional control system has been difficult to meet the needs of production. Actively developing a new control system to improve the efficiency of pipeline production has become the goal of technological innovation. This paper discusses the design of the electric control system for the production of pipeline by programmable logic controller （PLC）.

Keywords： assemble line； PLC； electrical control system

伴隨著工業化的發展，作為一種專門應對工業環境而設計的數字運算操作電子設備，PLC因其功能性強、可靠性高、編程簡單、對環境要求較低、便于控制等優勢被全面應用于工業控制系統中。

計算機網絡通信技術發展迅速，工業控制系統逐漸向自動化、遠程化、智能化控制發展，在此背景下，生產流水線控制系統的自動化與智能化成為必然發展趨勢。為實現生產流水線的自動化控制，應實現更多復雜穩定的功能，如：各機構預定的各個程序應實現自動化，工件上下料、定位加緊等均應自動化，基于此，PLC在工業生產中的優勢越發凸顯。

生產流水線主要是指在一定線路上連續輸送貨物的一種搬運機械，在產品加工、分揀及運輸過程中起著重要的作用。目前，我國多數企業的生產流水線均采用PLC進行自動化控制，簡化了接線過程，便利了設備維護，真正實現了少人值班甚至無人值班，提高了生產效率。

1 PLC的特點

1.1 較強的可靠性與抗干擾能力

在電氣控制系統中，為保障系統能夠實現最佳效果，必須具備高可靠性。PLC采用的技術為現代大規模集成電路技術，其內部電路采用了高抗干擾性技術，具有較高的可靠性，因此，在電氣控制系統中，應用PLC能夠取到較好的效果。

1.2 較強的適應性

由于PLC的快速發展與應用，市場上出現了不同規模的產品，被應用于不同的工業控制場合中。當前，PLC隨著發展出現了諸多功能單元，PLC已被貫徹落實至溫度控制、位置控制等工業控制領域，相信，隨著PLC各種能力的不斷提高，其適應場合、適應領域等也會不斷拓展。

1.3 維護、改造相對便利

如今，工業控制中應用的PLC多采用接線邏輯，有效減少了控制設備的外部接線，PLC的應用有效縮短了電氣控制系統設計的時間，維修也相對便利，僅需要改變同一設備程序，生產過程也會改變，是多品種、小批量生產流水線上的理想控制器。

1.4 被工程技術人員廣泛認可

目前，PLC已經成為一種通用型的工業控制計算機，PLC主要是依據工業、礦業生產研發的。PLC具有接口簡單、編程語言簡單等特點，工程技術人員能夠快速掌握并有效應用。并且，PLC以梯形圖語言為表達方式，與繼電器電路圖類似，僅需要小部分開關量邏輯控制指令，就能夠達到與繼電器電路相同的效果，可見，PLC的優勢明顯。

2 生產流水線電氣控制系統整體設計

2.1 電氣控制系統應具備的主要功能

（1）數據采集。為實現生產流水線的自動化、智能化控制，設計人員應首先對電氣控制系統、流水線、PLC及其他機電裝備的工作參數、狀態參數等信息進行獲取，傳感器能夠獲取準確、有效的數據參數，因此，在電氣控制系統設計中，傳感器是必不可缺的元件。

（2）數據管理。在傳感器對生產流水線相關參數采集完畢后，應利用網絡將數據傳輸至上位機，對此，上位機應具備數據管理功能，能夠對收到的數據信息進行編輯加工，進而通過人機交互合理表達數據信息，供工作人員獲取信息。

（3）自動生產。PLC的有效應用能夠實現電氣控制系統的自動控制，在無人工干預下，生產流水線自動運行，可完成全部生產動作。注意：為實現流水線全過程的自動化，設計人員在PLC編程過程中，應將生產流水線的全部動作進行編程控制。endprint

（4）遠程控制。為實現電氣控制系統的自動化控制，遠程控制是不可缺少的部分。該項功能的主要表現如下：上位機利用網絡發布控制指令，電氣控制系統積極響應，生產流水線自動運行。遠程控制功能的實現使電氣控制系統真正達到了設計的初始目標：自動化、智能化、遠程化。

2.2 電氣控制系統應具備的主要結構

（1）上位機：在生產流水線的電氣控制系統中，上位機主要指代的是數據管理終端設備，如：PC機、工控機等。在電氣控制系統運行中，上位機主要有兩種功能：管理傳感器采集并上傳的數據、向控制系統發布指令。為實現上述功能，上位機應具備專用管理程序，如PLC，具備良好的人機交互性。為提高上位機人機交互性，通常借助組態軟件開發人機交互程序，以此再現生產狀態、被控對象狀態等。

（2）下位機：下位機的核心主要是指數據采集與獲取的相關設備，如：傳感器、PLC等，數據傳輸網絡設備，如：交換機、路由器等。傳感器被用來采集生產流水線電氣控制系統的狀態信息、位置信息等一切必要數據，并通過網絡傳輸設備傳輸至上位機，實現數據的統計管理與電力系統的遠程控制。

3 生產流水線電氣控制系統的設計

3.1 生產流水線所需元件簡單介紹

（1）落料光電傳感器：主要用來檢測傳輸帶上是否有物料，并將檢測信號傳輸給PLC，PLC對信號進行判斷，若傳輸帶上存在物料，則PLC將信息傳遞給上位機，上位機利用網絡對電氣系統遠程控制，流水線傳輸帶啟動。（2）放料孔：主要定位物料落料，使物料落在準確位置。（3）金屬料槽：主要用來放置金屬物料。（4）塑料料槽：主要用來放置非金屬物料。（5）電感式傳感器：用來檢測金屬材料，檢測距離約在3mm-5mm之間。（6）電容式傳感器：主要用來檢測非金屬材料，檢測距離約在5mm-10mm之間。（7）三相異步電機：為流水線不可缺少的部分，用來驅動傳輸帶轉動，元件開啟或閉合受控于變頻器。（8）推料氣缸：元件開啟后，能夠自動將物料推入料槽，受控于雙向電控氣閥。

要想實現電氣控制系統的自動化，生產流水線應首先具備自動化功能。由流水線所需的各項設備作用可以看出，生產流水線完全具備無人工下的自動運轉功能。

3.2 生產流水線的程序設計

在生產流水線自動化設計開始前期，技術人員提出了一定要求，即：利用PLC與變頻器控制交流電動機的運轉，利用交流電動機運轉帶動流水線運輸帶運行，以此保障交流電動機持續運行。

在交流電動機轉動中，共有五個可選檔位，一檔轉速600r/min，二擋轉速900r/min，三檔轉速2100r/min，四擋轉速2700r/min。上述四個檔位均是正向轉動，五檔是反向轉動，轉速為1500r/min。在生產流水線運轉時，若采用二級電機，則上述轉速均可使用；若采用四級電機，則應用轉速為上述轉速的二分之一；若采用六級電機，則可應用轉速為上述轉速的三分之一，以此類推。

在電氣控制系統設計過程中，按鈕SB1可啟動電動機，使生產線進入運行狀態；按鈕SB2可關閉電動機，使生產線進入靜止狀態；SB3能夠控制電動機正方向運轉；SB4控制電動機反向運轉；按鈕SB5可控制電動機以一檔轉速運行，以此類推，為電動機每項狀態設置一個按鈕，當工作人員需要電動機進入某一狀態時，可直接利用計算機發布命令，最后由上位機進行控制，既能便利人工觀察，又可提高生產流水線的自動化運轉。

3.3 電氣控制系統的軟硬件設計

（1）硬件設計。在電氣控制系統硬件設計中，PLC是不可或缺的部分，設計人員應將各種類型的PLC在體積、價格、速度、功能等方面進行比較。例如，本次設計最終選擇西門子公司S7-200系列CPU 224XP CN，該系列產品適用于單機自動化控制系統。系統輸入信號為開關量信號，輸出為負載三相交流電動機接觸器。PLC具有10個輸出點，14個輸入點。

在電氣控制系統自動控制生產線時，PLC控制模塊利用通信電纜將控制信息傳輸至變頻器模塊，改變電源頻率，頻率變動影響與PLC連接的電動機，可改變電動機轉速，最終起到自動控制生產流水線速度的目的。在本次電氣控制系統設計中，設計師采用的是具備RS-485通信接口的變頻器，PLC能夠通過自身通信接口與變頻器實現信息流動，達到控制變頻器運行的目的。并且，PLC的連接，能夠靈活讀取變頻器的電壓、電流等全部報警信息，降低流水線運行故障，提高生產效率。

在電氣控制系統中，變頻器也是其中的重要部分，主要用于信息采集與傳輸。一般來講，變頻器是由整流器、平波回路、逆變器三部分組成的。變頻器通過上述三部分及電力半導體器件的PWM控制，對工頻交流電電源進行轉換，轉換成電壓可變或頻率可變的交流電電源，實現電動機自動調速運行。

（2）軟件設計。西門子S7-200系列CPU 224XP CN型號PLC的編程軟件主要是STEP7-Micro/Win32，該軟件主要運行在計算機Windows系統中，該型號PLC具有界面簡單、功能較強、程序操作簡便、易于被操作人員掌握與應用等優勢。在電氣控制系統軟件設計中，設計人員利用PC/PPI編程電纜將計算機RS-232串口、S7-200系列PLC的RS-485通信接口連接之后，編程軟件即可向PLC下載應用程序或上傳設計人員所編寫的應用程序。在軟件程序運行中，技術人員應安裝監控系統，監控PLC運行情況，若PLC運行出現問題，即可通過強制命令調試PLC，保障PLC良好運行。

在STEP7-Micro/Win32主界面中，系統菜單、工具欄幾乎提供了各種功能，編輯資源如：程序塊、符號表、狀態圖等均根據指令樹結構的模式列出，交由編輯區編輯程序。本次設計中，編程結構使用的是模塊化編程體系，該體系具備結構簡單、組織方便、編寫規模大等優勢。

3.4 最終測試

在電氣控制系統設計完成之后，為了解系統是否能夠真正實現對生產流水線的自動化、智能化、遠程化控制，設計人員要對電氣控制系統進行最后測試。

在系統啟用前，技術人員要對生產流水線及控制系統進行最后檢測，保障生產線每一設備均處于規定位置，電氣控制系統每一程序、每一元件均準確無誤。下達開啟命令，觀察生產流水線是否自動化運轉，觀察金屬元件或非金屬元件是否準確進入對應放料口，觀察交流電動機轉動是否與對應按鈕同步，觀察生產流水線是否能在無人工下自動生產。觀察完畢后，下達停止命令，觀察生產流水線是否停止。在生產流水線運行時，技術人員可突然斷開電源，模仿突發性停電事故，在恢復供電后，再次啟動電氣控制系統，觀察生產線運行是否處于正常狀態，若仍正常，則電氣控制系統設計完好，可投入使用。若出現問題，技術人員應快速檢查，及時修復，再次進行測試，直至電氣控制系統能夠有效控制生產流水線自動化、遠程化運行。

4 結束語

綜上所述，PLC系統的有效利用，能有效推動電氣控制系統的自動化、智能化與遠程化，提高生產流水線的效率。PLC具有結構簡單、編程便捷、操作性強等優勢，被廣泛應用于工業生產流程的自動化控制系統中，市場發展遠大。

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