基于PLC与变频器控制流水线示教系统的研制

沈承楠

(厦门兴才学院 福建厦门 361024)

目前，实验室作为高职院校进行教学和科学研究的重要基地，它的建设与管理，直接影响到学生的技能培养。实训装置作为掌握与应用新技术的重要载体，研发符合应用人才培养目标的、较先进的实训装置，对高校教师的技术水平进步，具有重要的作用［1］。基于此，项目组认真调查高职学生现有知识和技术水平后，自主研制了一套实训装置，整个实训系统包含了机电专业教学中所涉及的诸如电机驱动、机械传动、气动、可编程控制器、传感器、变频调速［2］、单片机等多个知识点，可以为高职生提供一个典型的综合实训环境。

1 设计原理

该实训系统主要设计了基于PLC与变频器的教学型流水线平台，系统控制部分主要模拟了自动流水线上工件输送和分拣的工艺流程。在整个系统设计过程中主要工作有:

⑴变频器与PLC的选型和配置。针对系统控制要求同时结合实验室现有条件和设备，设计中选用了三菱公司的VFD－M型变频器和FX2N系列PLC。

⑵显示电路的设计。本系统的显示电路采用的是LED数码管动态显示［3］，核心控制芯片选用ATMEL生产的51单片机AT89S51系列，显示部分采用集成化的数码管驱动芯片TM1620，以简化了电路设计，缩短开发周期，节约开发成本。

⑶系统程序设计，包括PLC程序设计、单片机工件分拣显示程序。运用三菱编程软件设计使用PLC梯形图程序，实现对实训系统功能的控制;运用C语言编程实现工件分拣结果显示。

⑷硬件系统的安装、调试。根据场地尺寸设计实训装置的尺寸及外观，确定摆放位置，然后电气设计图完成电气接线。系统上电试车，确保接线无误。

⑸系统网络通讯、功能调试。系统采用RS－232C接口，完成PLC控制器与上位机的通讯;将设计好的PLC程序和单片机程序写入，经过反复修改、调试后，能够实现设计要求。

2 系统硬件电路设计

硬件电路主要包括电源及接口电路、单片机控制电路和数码管显示电路。

2.1 供电电路

由于本设备主要用于PLC控制的生产流水线上，故而选用典型的供电电压24V进行电路设计。外部输入的直流电压，经DC－DC模块隔离降压后，产生稳定9V电压，并再次通过LM7805稳压后给设备供电，以保证设备的稳定运行，具体电 路如图1所示。

图1 供电电路图

2.2 计数脉冲输入电路

单片机选用典型的5V电压供电，因而不能直接与PLC和传感器直接相连。为解决电压匹配问题，选用更为稳定可靠的光耦隔离电路，实现输入脉冲电平的转化与隔离，具体电路设计如图2所示。

图2 计数脉冲输入电路图

2.3 单片机控制电路

单片机控制电路具体电路设计如图3所示。

图3 单片机控制电路图

2.4 数码管显示电路

本系统的显示电路采用的是LED数码管动态显示，能够显示的范围是0－99电路选用2组共阴极结构的2位LED数码管，显示程序由单片机编程实现，需要显示的字符由单片机的P1口输出［3］，通过排针与显示驱动芯片连接，经显示驱动芯片去驱动数码管显示。显示部分采用集成化的数码管驱动芯片TM1620，TM1620是一种带键盘扫描接口的数码管驱动控制专用电路，内部集成有MCU数字接口、数据锁存器、LED高压驱动、键盘扫描等电路。一片TM1620可以驱动6位数码管，本系统只用到4位数码管，故电路中只将TM1620芯片的11、13、16、17引脚与4位数码管相连，电路设计如图4所示。

图4 数码管显示屏电路图

3 系统软件程序设计

根据整个工作平台的控制要求，该系统的控制主要完成两方面的设计，一是PLC与变频器控制流水线进行工件输送和分拣，二是单片机控制进行产品分拣显示。本系统的输入信号有启动开关、停止开关、物料检测、金属检测等输出控制的对象有状态指示灯、电磁阀、控制端子等。采用三菱FX2N控制，该系统输入输出分配图和分配表分别如图5和表1所示。

在教学过程中，可以通过设定检测时间、运行速度来要求学生自己设计控制程序，达到课程训练的要求。

图5 I/O接线图

表1 I/O地址分配表

4 实训装置的架构及工作原理

4.1 实训装置架构

本实训装置主要分为两部分;一部分为机械模块，另一部分为电气控制模块。机械模块主要采用齿轮变速增大扭矩带动输送带;这部分安装于实验台工作面上;电气控制模块控制柜的开启形式采用抽屉式，结构简洁、美观，接线形式采用插线方式，利于学生熟悉实训装置的线路联结(特别是变频器控制回路端子的联结)和自行联结PLC的控制线。实验操作台安装有小型流水线、传感器、控制面板、指示灯、按钮等，底板安装有变频器、PLC、空气开关、液晶显示屏等。

该装置具体配置了可编程控制器 (PLC)、变频器装置、气动装置、传感器、上料器［4］，外观如图6所示。

图6 实训装置外观图

4.2 实训装置的工作原理［4］

按下启动按扭后，PLC启动送料电机驱动放料盘旋转，物料由送料槽滑到物料提升位置，物料检测光电传感器开始检测;如果送料电机运行设定时间后，物料检测光电传感器仍未检测到物料，则说明送料机构已经无物料，这时要停机并报警;当物料检测光电传感器检测到有物料，将给PLC发出信号，由PLC驱动上料单向电磁阀上料，将物料放到传送带上，传送带输送物料，传感器则根据物料性质 (金属和非金属)，分别由PLC控制相应电磁阀使气缸动作，对物料进行分拣，同时数码显示屏显示工件的个数。

5 实训装置特点

本系统是笔者在分析国内外现有实验实训装置的基础上结合学校专业建设所需自主开发的一款新型机电综合实训装置，该套装置具有下面几个特点:

⑴开放式结构，方便学生观察操作、观察实验现象，利于教学开展。

⑵模块化设计，可以灵活组合，便于升级扩展。学生可自行设计控制方案，进行综合性、创造性的实训设计。

⑶具体控制参数和控制方案多样化，可以完成多种不同类型的实验、实训项目，具有很高的教学和实用价值。

⑷控制组件来源于工业现场，真实性、直观性、综合性强。

作为项目研制的延伸，今后该系统拟添加机械手送料模块，结合我校“生产性”实训基地建设升级建成小型自动化流水线，从而进一步开发、拓展新实训项目，并规划在条件成熟的情况下与科教公司合作批量生产。

［1］朱涛，吉智.机电一体化技术综合实验实训系统研究与实践 ［J］.中国现代教育装备，2011，9(23):64.

［2］邓洪武.浅析技师学院机电一体化专业实习设备合理配置的有效途径 ［J］.职业，2011，10(3):60.

［3］王晓.基于 AT89S51单片机的倒车雷达系统的设计 ［J］.企业导报，2012，13(12):278.

［4］张志鹏.基于PLC软件的教学用自动物料分检系统的设计与实现 ［D］.西安:电子科技大学，2011.15.