基于PLC飲品自動調配供應

戴福堅　藍勇　肖文迪　曾曉靜　葉德玲

【摘 要】本設計以PLC為控制核心，通過對電機實現(xiàn)控制、對傳感器采集回來的數(shù)據(jù)進行處理和應用、對整體生產(chǎn)的過程進行集中控、與HMI進行信息交換，實現(xiàn)HMI對系統(tǒng)間接控制;通過通訊方式與STM32實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送和反饋，對PLC實現(xiàn)間接的控制與狀態(tài)反饋。測試的結果表明，本設計的各項功能基本正常，成功的建立了遠程端模式，實現(xiàn)了飲品的自動生產(chǎn)與監(jiān)控。

【關鍵詞】單片機;PLC;人機交互;飲料自動調配;遠端模式

中圖分類號： F426.82;F724.6;TP273文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）10-0036-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.012

Design of Beverage Preparation System Based on PLC

DAI Fu-jian LAN Yong XIAO Wen-di ZENG Xiao-jing YE De-ling

（Pearl River College， South China Agricultural University，Guangzhou Guangdong 510900，China）

【Abstract】This design with PLC as control core，through the motor to control，process and application of sensor collected data，on the whole production process for centralized control，the exchange of information and HMI，realize the HMI on the system of indirect control;Through communication with STM32 data transmission and feedback，PLC to achieve indirect control and state feedback.The test results show that the functions of the design are basically normal， and the remote mode is successfully established to realize the automatic production and monitoring of drinks.

【Key words】Single chip microcomputer;PLC;Human-computer interaction;Automatic mixing of drinks;The remote mode

0 引言

自動配料系統(tǒng)是一個用于不同類型的物料進行運送的系統(tǒng)，實現(xiàn)各種物料的配比、混合攪拌及成品包裝等生產(chǎn)過程的自動化生產(chǎn)線，大多應用在制造類行業(yè)。采用PLC控制方式，配合顧客需求對原材料的進行配比，完成原配料的傳輸，配比量的控制，配方的設計，以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理等功能。

1 系統(tǒng)控制方案

系統(tǒng)采用三菱的FX3GPLC-48MT作為主控制器，F(xiàn)X3GPLC的控制能力強、體積小、可靠性高、重量輕并且使用方便，是自動化控制的首選器件。主要負責對步進電機控制，對各傳感器采集的信息進行分析、處理?？梢詽M足本次飲料調配系統(tǒng)的設計，系統(tǒng)的硬件布局如圖1所示。

根據(jù)項目技術協(xié)議要求，整機的動力裝置主要有步進電機、調速電機和直流電機。在整機中步進電機主要有PLC發(fā)送高速脈沖進行控制，在步進電機運動精度的控制上，主要對電機的細分數(shù)進行設置。細分數(shù)也大，則一個脈沖量對應的角位移則越小，精度則越高。在轉盤工位上，每個物料口對應的位置都設置有固定的脈沖量，在選料后，步進電機會根據(jù)需求，將物料口轉動到反應瓶上方。在灌裝工位上，步進電機通過帶動絲桿上的滑塊，對管道進行移動，滑塊的運動會在極限位置觸發(fā)限位開關來停止對電機發(fā)送脈沖。當裝上物料后，電機上電會發(fā)出明顯的電流聲，這是因為步進電機均有固定的共振區(qū)域，電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。傳送工位的牽引裝置為調速電機，其控制電壓為220V，需要通過中間繼電器來控制電機的通斷。調速電機還有一個像配對的調速器，調節(jié)調速器上有按鈕和旋鈕，通過按鈕可改變電流方向，從而改變電機的轉向，通過旋轉旋鈕，來控制調速電機的轉速。

2 硬件實現(xiàn)

根據(jù)飲料系統(tǒng)在電氣工藝、運行要求、后期開發(fā)等因素，確定PLC的數(shù)字量輸入、數(shù)質量輸出、模擬量輸入點數(shù)分別為24、24、8點。并根據(jù)控制要求，選用顧美CX2N-48MT-8AD型PLC，外部布局接線如圖2所示。

2.1 機械臂抓取

在關于飲料的裝配方面使用的是一款由MG995舵機制作而成的機械臂，因為機械臂的制作需要參考大量的運動學控制原理，和機械工程制造，還需要一定的機械知識，所以本次大學生創(chuàng)新出創(chuàng)業(yè)項目中使用的機械臂是原裝購買的TSKY的機械臂，此機械臂擁有6自由度控制，180度的擺臂角度，足以滿足制作模型所需的硬件條件。并且此機械臂擁有反應時間短，相應速度快的優(yōu)點。

2.2 硬件控制

機械臂的控制實際上一個舵機聯(lián)調控制，所以在控制機械臂的電路板需要使用舵機控制電路板，舵機控制電路最重要的控制因素是PWM波的控制，在眾多的單片機中，STM32是一款可以輸出多個PWM波的單片機，同一個定時器下，可以輸出頻率相同，占空比不同的PWM波。所以為了方便機械臂的控制，使用STM32作為主控芯片是一個不錯的選擇方案。

3 PLC軟件調試

3.1 PLC對HMI的數(shù)據(jù)處理

PLC與HMI（人機界面）通過串口的形式以三菱專用的通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互，在檢測到HMI的點餐觸發(fā)信號的軟元件置位信號后，PLC程序對HMI中的原料搭配的數(shù)據(jù)做暫存處理，直到本次點餐確認觸發(fā)信號置位，PLC程序根據(jù)采集到HMI的信息，給下位機械設備發(fā)送特定動作的信號，現(xiàn)場設備進行調配飲料。

3.2 工作臺的軟件調試

主工作臺主要由電機、容量瓶、液位開關組成。主工作臺在分六個工位，每個工位有特定的位置。PLC在每次調配飲料時需要進行一次回原點操作（功能指令ZRN），然后才能根據(jù)HMI上的數(shù)據(jù)定位到某個工位進行卸料，其中定位功能指令DRVA，在此過程中電機運行速度和位移通過脈沖數(shù)和步進電機的細分共同決定，細分越小且脈沖越大此時速度越快或位移越大，反之亦然。當整個卸料動作完成后將發(fā)送一個卸料完成標志位，然后電機在接受到卸料完成標志置位信號，進行攪拌，然后通過水泵抽料，罐裝、機械臂夾杯、傳送帶傳送飲料，系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

3.3 PLC與STM32通訊

PLC與STM32通過串口RS485的形式以自由口協(xié)議的方式進行通訊，本次設計需要進行數(shù)據(jù)交互的信息有，PLC向STM32發(fā)送罐裝位置電機到位準備卸料的標志信號、機械臂夾具到達傳送帶的信號，STM32向PLC發(fā)送機械臂夾具到位信號、總體完成信號。整個過程是完成飲料空間平面轉移的必要條件。為了保證數(shù)據(jù)發(fā)送準確，雙方在通訊的過程做重復對比校驗，同時通訊時候雙方做脈沖心跳包，來檢測通訊是否正常，不正常則進行報警。

3.4 物聯(lián)選擇

物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的是通過ESP8266無線連接模塊實現(xiàn)的，聯(lián)網(wǎng)的MAC地址的是WiFi的地址，所以此物聯(lián)網(wǎng)的功能只有在WiFi的環(huán)境下才可以實現(xiàn)。ESP8266通過EDP協(xié)議和物聯(lián)網(wǎng)平臺進行通訊，通訊的格式為CJSON格式。

3.5 通訊

因為此次實驗用的PLC不適合使用字符進行通訊，所以我們使用16進制的數(shù)據(jù)，485通信協(xié)議，作為通訊代碼，第一位代表原料，第二位代表使用和有無，如0待變1號原料已經(jīng)接近使用完的狀態(tài)。因為此次單片機使用的是16位的處理器，所以不適宜使用過長的通訊代碼。

4 調試

在通過對PLC和STM32控制的器件進行分部分、分模塊的調試后，把各元器件固定后進入整個系統(tǒng)的聯(lián)合調試，再做更細微、細致的調整。將PLC控制的模塊與STM32控制的模塊通過TTL轉485進行通訊后，進行整體的調試，發(fā)現(xiàn)了大大小小的問題。圓盤在復位回到原點時，木條觸發(fā)光電開關時，會出現(xiàn)越位（下轉第52頁）（上接第37頁）現(xiàn)象，猜想步進電機反轉的步距角過大或是由于慣性而造成的過沖。通過調試電機驅動器的細分和電流，發(fā)現(xiàn)由于細分太小的原因，使得步進電機反轉回原點時，轉步太大而越位。PLC與STM32單片機通訊不成功，多次檢查參數(shù)和線路的連接都查找不出問題所在。最后發(fā)現(xiàn)是因為通訊的板子壞了，由于線路通斷頻繁，沖擊電流過大，導致板子上的元器件的燒毀，后面更換了一塊TTL轉485通訊模塊，問題得以解決。

5 小結

本設計基于PLC的飲品自動調制供應系統(tǒng)是用于飲料大批量生產(chǎn)行業(yè)或是用于大型店面的自動生產(chǎn)與售貨行業(yè)，實物如圖4所示，在現(xiàn)有的灌裝機上采取PLC作為控制核心，聯(lián)合單片機STM32進行通訊，實現(xiàn)遠端監(jiān)控模式，使得該設計系統(tǒng)智能化，同時PLC多余的I/O口可作為預留接口，為后續(xù)拓展系統(tǒng)功能提供支持。在本次設計中，通過硬件系統(tǒng)設計、軟件系統(tǒng)編寫、系統(tǒng)仿真調試等幾個方面的設計工作，總體上完成了前期設想的系統(tǒng)設計，同時可以自動化、智能化概念走進日常生活及工作生產(chǎn)中。

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