基于PLC的機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

劉 波， 劉曉鵬， 趙俊生， 高 琳

(中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030051)

0 引 言

機(jī)械電子工程俗稱機(jī)電一體化，是將機(jī)械、電氣控制、計(jì)算機(jī)、傳感器等多種技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，并綜合應(yīng)用到機(jī)電類產(chǎn)品和系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、和試驗(yàn)工作的綜合技術(shù)，現(xiàn)代化的自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備幾乎可以說都是機(jī)電一體化綜合設(shè)備。而且機(jī)電一體化作為一種實(shí)踐即產(chǎn)品的基礎(chǔ)技術(shù)，給傳統(tǒng)的機(jī)械制造業(yè)帶來的深刻變化,是當(dāng)下機(jī)械工業(yè)發(fā)展的主要趨勢,也是我國振興與發(fā)展機(jī)械、電子等行業(yè)的必由之路。對于工科大學(xué)機(jī)電類專業(yè)的學(xué)生來說，機(jī)電方面的知識是必不可缺的。在加強(qiáng)基礎(chǔ)理論教學(xué)的同時(shí)，應(yīng)注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)，來培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力。如何改變傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，開發(fā)具有開放性、綜合性的實(shí)驗(yàn)，越來越成為機(jī)械電子工程專業(yè)教育的一大問題[1-6]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置要求及設(shè)計(jì)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置要求

實(shí)驗(yàn)裝置的控制柜需包含交流接觸器、中間繼電器、變頻器PLC等基本電氣控制元件，采用開放型布置，能實(shí)現(xiàn)繼電器連鎖動(dòng)作實(shí)訓(xùn)、接線、系統(tǒng)故障排除、更換電器等內(nèi)容，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)有利于學(xué)生觀察和對系統(tǒng)整體把握與認(rèn)識。在用電安全設(shè)計(jì)方面，使用隔離裝置供電，所有電源開關(guān)采用漏電保護(hù)型，增強(qiáng)用電操作安全。機(jī)械手搬運(yùn)控制模塊能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的升降、抓取和旋轉(zhuǎn)。通過光電開關(guān)實(shí)現(xiàn)物料檢測功能。通過對變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)調(diào)速；通過擴(kuò)展觸摸屏可實(shí)現(xiàn)組態(tài)及網(wǎng)絡(luò)通信等先進(jìn)控制技術(shù)在實(shí)驗(yàn)臺上的應(yīng)用擴(kuò)展。

1.2 設(shè)計(jì)方案

針對所提的要求，本實(shí)驗(yàn)裝置包含空氣開關(guān)、交流接觸器、中間繼電器、PLC(含擴(kuò)展模塊)、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器等基本電氣元件組成電氣控制系統(tǒng)，控制完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺的全部動(dòng)作；由帶式輸送機(jī)、變頻電動(dòng)機(jī)和光電編碼器組成帶式輸送系統(tǒng)，主要是完成物塊的輸送，當(dāng)檢測到物塊時(shí)輸送機(jī)停止；由蝸輪蝸桿減速器、伺服電動(dòng)機(jī)、氣泵、氣缸和氣爪組成搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)，主要是完成物塊的搬運(yùn)；由十字滑臺和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成物塊儲放系統(tǒng)，主要是通過十字滑臺的移動(dòng)完成物塊的存放[7-9]。

圖1 控制方案設(shè)計(jì)

2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

本一體化多功能機(jī)電控制綜合實(shí)驗(yàn)臺是以一臺晶體管型的S7-200 PLC和一臺繼電器型的S7-200 PLC作為控制核心，由于繼電器有動(dòng)作次數(shù)壽命，晶體管只有老化沒有使用次數(shù)限制，且晶體管響應(yīng)速度快于繼電器，選用晶體管型PLC控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和氣動(dòng)系統(tǒng)，繼電器型PLC控制伺服電動(dòng)機(jī)和變頻器。硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示，實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 步進(jìn)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)由57步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和57/86步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器及用聯(lián)軸器與絲杠相連接，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元器件。其速度控制是通過改變PLC發(fā)出的脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的速度控制；方向控制是通過控制輸出的脈沖信號的高低電平到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器的方向信號端，從而來控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。本裝置通過PLC程序中的定時(shí)器指令和脈沖輸出聯(lián)合控制的方式實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置自動(dòng)調(diào)節(jié)[10]。

圖2 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.2 氣動(dòng)系統(tǒng)

本系統(tǒng)由雙導(dǎo)桿氣缸、氣爪和空氣壓縮機(jī)構(gòu)成。對雙導(dǎo)桿氣缸的控制是用一個(gè)二位五通電磁閥控制，閥上配有1個(gè)來自空氣壓縮機(jī)的進(jìn)氣口P和2個(gè)分別通向氣缸的A、B口。A、B分別與進(jìn)、出氣口相連接，因此氣缸只有收回和伸出兩個(gè)工作狀態(tài)。電磁閥通斷電切換氣缸的工作狀態(tài)，即初始通電時(shí)，A口進(jìn)B口出，氣缸伸出；斷電后，B口進(jìn)A口出，氣缸收回。氣爪的工作原理也如上所述，對應(yīng)的工作狀態(tài)是氣爪的松開和夾緊。而利用PLC去控制氣缸、氣爪的動(dòng)作，節(jié)省大量配線和附件及安裝工時(shí)，并且現(xiàn)場調(diào)試只需要改變控制程序即可實(shí)現(xiàn)目的[11-12]。

2.3 伺服系統(tǒng)

本系統(tǒng)由伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器及蝸輪蝸桿減速器構(gòu)成。伺服電機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 伺服電機(jī)基本參數(shù)

經(jīng)稱重可知：

m氣缸=2.3 kg，m氣爪=0.66 kg

L=0.5 m(臂長)

V=a×b×c=1 000 mm×45 mm×

8 mm=3.6×10-4m3

ρ=7.85×103kg/m3

扭力臂的質(zhì)量為

m力臂=ρV=2.826 kg

扭矩為

T=F×L=(m氣缸+m氣爪+m力臂)g×L=

2.893 N·m

與伺服電動(dòng)機(jī)的參數(shù)對照，發(fā)現(xiàn)所需的扭矩遠(yuǎn)大于電機(jī)的額定扭矩，為了實(shí)驗(yàn)裝置的絕對安全性以及解決伺服電機(jī)輸出扭矩不足和低轉(zhuǎn)速不易控制的問題，采用傳動(dòng)比為1∶50的蝸輪蝸桿減速器。

2.4 變頻系統(tǒng)

本系統(tǒng)由變頻器、三相異步電動(dòng)機(jī)、輸送機(jī)及光電開關(guān)構(gòu)成。通過鏈條將電動(dòng)機(jī)和輸送機(jī)相連接，利用變頻器控制電動(dòng)機(jī)從而控制輸送機(jī)的速度，并用安裝在輸送帶兩側(cè)的光電開關(guān)檢測物料。

為了更好地控制電動(dòng)機(jī)的速度，將電位器的三端分接到變頻器的電壓輸入端，電壓輸出端和公共端，即可通過輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)外接電位器的旋鈕，就可以進(jìn)行頻率設(shè)置，達(dá)到控制三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

在該系統(tǒng)中，對于物塊檢測選用對射式光電開關(guān)，由結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器組成，當(dāng)無障礙時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的光線直接被接收器接收。當(dāng)物塊(被檢測物)通過發(fā)射器和接收器之間且完全阻斷光線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號，該信號作為輸入信號發(fā)送給PLC，使輸送機(jī)停止運(yùn)行。當(dāng)檢測物不透明時(shí)，優(yōu)先選用對射式光電開關(guān)作為檢測裝置[3]，如圖4所示。

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

作為一套一體化多功能機(jī)電控制綜合實(shí)驗(yàn)臺，既

圖4 光電開關(guān)工作原理

可以用按鈕等硬件控制，也可以通過及計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件作為上位機(jī)進(jìn)行控制。

3.1 觸摸屏控制

本裝置采用的是威綸通型號為TK6102i的觸摸屏，需先在計(jì)算機(jī)上用其專用的軟件EB8000建立工程文件，編輯好控制界面，并做好變量連接，然后通過Mini USB下載口將工程文件下載到觸摸屏的存儲器中，并用兩條USB PPI通信電纜通過Com1: RS-232/RS-485 2w/4w, Com3: RS-485 2w口與兩臺PLC相連接，在EB8000的穿透通信設(shè)置及V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9中的通信端口進(jìn)行通信參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完成后即可實(shí)現(xiàn)利用觸摸屏對下位機(jī)的控制。

3.2 PC Access和WinCC組態(tài)控制

在帶有Win7系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上安裝PC Access及WinCC7.0，打開PC Access，先利用PLC通過PC/PPI通信電纜與PC Access建立通信，并在PC Access中通過新建項(xiàng)目的方式添加相關(guān)變量，并將變量添加到測試客戶機(jī)，當(dāng)PLC程序運(yùn)行時(shí)，即可檢測其狀態(tài)。然后在PLC程序中添加內(nèi)部寄存器作為中間變量，在WinCC中建立單用戶工程文件，添加OPC驅(qū)動(dòng)，建立S7-200.OPCServer，就可以看到在PC Access中的項(xiàng)目變量，利用靜態(tài)文本作注釋，將中間變量(I/O地址)與畫面中的按鈕(I/O域)連接，運(yùn)行WinCC組態(tài)項(xiàng)目，即可實(shí)現(xiàn)通過控制畫面中的按鈕對實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行控制[13-15]。

4 結(jié) 語

通過上述工作，一體化多功能機(jī)電控制綜合實(shí)驗(yàn)臺的功能要求基本上得到了實(shí)現(xiàn)，既可以通過電氣柜面板上的按鈕開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)裝置，也可以通過觸摸屏和組態(tài)軟件完成實(shí)驗(yàn)要求，充分說明了設(shè)計(jì)方案的可行性。而且作為一套典型的機(jī)電一體化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，成功地將步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、氣缸等多種控制單元用PLC聯(lián)系起來，并實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)控制，下一步將在精確控制方向做出更多研究。

該綜合實(shí)驗(yàn)臺能夠讓學(xué)生在增加實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)開拓了思路和眼界，相信在師生的共同努力下，一定能為機(jī)械電子工程專業(yè)培養(yǎng)出更加優(yōu)秀的人才。

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