基于FluidSIM的氣動鉆床PLC控制設計

李霄偉，趙 軍，于啟龍

（1黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163711；2北大荒集團尖山農場有限公司，黑龍江 嫩江 161444）

氣動裝置結構簡單、輕便，安裝維護簡單，壓力等級低，使用安全。工作介質是空氣，排氣處理簡單，不污染環境，成本低[1]。隨著經濟技術的不斷發展，液壓氣動系統結合智能化、精準化不斷發展，有很好的發展前景。

1 控制要求

在利用繼電器進行電氣控制的氣動回路中，控制電路接線復雜、可靠性低且更改邏輯關系不方便。針對這一現象，在分析繼電器電控回路的基礎上，設計氣動回路的PLC控制程序，并設計合理的PLC接線圖，在簡化線路的同時，最大程度提高控制系統的可靠性[2]。本文主要研究了一個用于鉆孔的氣動機床的氣動系統及其自動控制。使用Festo公司的FluidSim P軟件進行氣動原理圖和電氣回路接線圖的繪制[3]，利用西門子STEP7軟件進行PLC程序的編輯，最后用昆侖通態公司的MCGS軟件進行觸摸板的控制界面設計。

本文中所研究的鉆床可以實現半自動化的均布打孔作業，將需要加工的工件由工人安放在工作臺上，按下總開關和啟動按鈕后，夾緊氣缸將工件完全夾緊，此時帶動打孔鉆頭的電動機啟動，且進給氣缸的活塞推動鉆頭快速接近工件，當活塞觸發限位開關時，由快進變為慢速的工進，此時慢速對工件進行打孔。打孔完畢后進給氣缸活塞快速縮回，待活塞退回到初始位置，電動機停止，氣馬達帶動回轉工作臺轉位90°，轉位結束后開始再一次進給打孔。當轉位的次數達到4次，系統停止工作且夾緊氣缸松開，由工人更換工件。轉位的次數和轉過的角度都可以通過電氣回路由使用者自由的設置。

2 氣動系統與電氣控制回路設計

2.1 氣動回路設計

氣動鉆床是采用氣動馬達完成主體運動主軸旋轉再由氣缸提供進給運動的鉆床[4]。FluidSIM是液壓專用軟件，液壓系統的各個元器件都能在軟件庫中找到，所以搭建液壓系統非常的方便[5]。圖1為利用FluidSim P繪制的氣動系統原理。氣動回路由氣缸、氣馬達、電磁換向閥、氣源以及壓力開關組成[6]。

圖1 氣動回路原理圖Fig.1 The schematic diagram of pneumatic circuit

2.2 電氣控制回路設計

電氣回路由按鈕開關、按鍵開關、繼電器、氣電轉換器、電磁線圈、延時斷開繼電器、計數器、電動機、限位開關和常開/常閉觸點組成。利用繼電器控制開關觸點，并用電磁線圈控制電磁換向。

2.3 仿真運行

進行仿真運行前，需要先設置元件參數。設夾緊氣缸行程為100 mm，進給氣缸Q2行程為300 mm。對于模擬運行的狀態圖屬性，選擇時間間隔為自動調節，記事文件路徑不選擇，采用計算機截圖的方法來記錄狀態圖，仿真步長為1S，填充顏色和圖層均設為默認值。

氣動回路模擬運行，運行中記錄并得出狀態圖（時間-位移圖），圖中第一部分為夾緊氣缸Q1運動狀態，中間為進給氣缸Q2運動狀態，第三部分為氣馬達的運動狀態。如圖2所示，當氣缸Q1夾緊時，氣缸Q2開始快進，此時圖形斜率較高；活塞觸發限位開關S2，氣缸Q2慢速工進，圖形斜率變緩；氣缸Q2活塞觸發限位S3時，活塞快退，斜率較大；在一次工作循環中氣缸Q2工進4次，在此期間，氣馬達控制轉臺轉動，在第4次打孔結束后，轉臺歸位。轉臺歸位后，氣缸Q1將工件松開。

圖2 FluidSim P仿真運行狀態圖Fig.2 The FluidSIM P simulation running state diagram

3 PLC控制設計

傳統的自動控制使用開關、繼電器和觸點進行控制，由觸點是否通電、控制器的通斷電來實現控制。但這種控制方式對于復雜的自動控制接線很繁瑣很復雜，而且容易發生故障，只適用于進行簡單的控制。如今各種無觸點控制電路的發展越來越成熟，利用PLC或工控機既可以實現各種繁雜的自動化作業，又可以方便地進行修改、改進升級等操作。S7-200CNPLC是專供中國市場的整體式小型機，該機型有8輸入和6輸出，14個數字量I/O點[7]。

I/O地址確定后，利用STEP7-MicroWin進行程序的編輯，在程序編寫完成后，先用軟件自帶的編譯功能檢驗程序是否正確。檢驗完成后，必須利用S7-200仿真軟件對程序進行仿真運行。

4 控制面板界面設計

本文選擇昆侖通態公司的MCGS組態軟件進行觸摸屏控制面板界面的設計與編輯。首先設置好動畫界面的大小等參數后，設置PLC與組態軟件的通訊地址，利用PPI通訊端口，使組態窗口中的功能按鍵、輸入框等與PLC尋址串接。進入設備窗口，選擇西門子PPI驅動，將PLC的設備地址填入。圖3為設計完成的控制面板界面。將指示燈與PLC的Q寄存器尋址綁定，按鈕與I寄存器尋址綁定，輸入框與定時器的時間值尋址綁定。并設置一個文字隨Q0.0的輸出狀態所變化的文本框，當氣缸Q1夾緊后，顯示為“工作中”；當氣缸Q1松開，顯示為“放置/更換工件”。

圖3 利用MCGS軟件制作的控制面板界面Fig.3 The control panel interface made by MCGS software

5 結論

本文利用Fluidsim軟件模擬運行了氣動系統，繪制了PLC接線圖，并用西門子STEP7軟件編輯了PLC程序。利用MCGS軟件制作了觸控面板。

氣動技術相較于液壓技術，更適合現代化工廠使用，使工作環境變得干凈整潔，且介質很容易獲取。目前PLC功能越來越強，有著不可比擬的實用性，與工控PC、單片機占據了大部分數控市場。隨著人工智能的不斷發展，PLC也迫切需要結合深度學習技術，以實現更高端的控制模式。