生产流水线电气控制系统的设计研究

甘梓坚

摘 要：自机械化时代到来之后，生产流水线就被应用于工业生产中。生产流水线的基本原理是将一个生产重复的过程进行分解，使其成为若干个子过程，且前一个子过程为下一个子过程创造执行条件，有效提高了生产效率。随着时代的发展，传统控制系统下的生产流水线已经难以满足生产的需要，积极研制新型控制系统，提高流水线生产效率成为各个企业技术革新的目标。文章对可编程逻辑控制器（PLC）生产流水线电气控制系统的设计进行了探讨。

关键词：生产流水线；PLC；电气控制系统

中图分類号：TM921.5 文献标志码：A 文章编号：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

伴随着工业化的发展，作为一种专门应对工业环境而设计的数字运算操作电子设备，PLC因其功能性强、可靠性高、编程简单、对环境要求较低、便于控制等优势被全面应用于工业控制系统中。

计算机网络通信技术发展迅速，工业控制系统逐渐向自动化、远程化、智能化控制发展，在此背景下，生产流水线控制系统的自动化与智能化成为必然发展趋势。为实现生产流水线的自动化控制，应实现更多复杂稳定的功能，如：各机构预定的各个程序应实现自动化，工件上下料、定位加紧等均应自动化，基于此，PLC在工业生产中的优势越发凸显。

生产流水线主要是指在一定线路上连续输送货物的一种搬运机械，在产品加工、分拣及运输过程中起着重要的作用。目前，我国多数企业的生产流水线均采用PLC进行自动化控制，简化了接线过程，便利了设备维护，真正实现了少人值班甚至无人值班，提高了生产效率。

1 PLC的特点

1.1 较强的可靠性与抗干扰能力

在电气控制系统中，为保障系统能够实现最佳效果，必须具备高可靠性。PLC采用的技术为现代大规模集成电路技术，其内部电路采用了高抗干扰性技术，具有较高的可靠性，因此，在电气控制系统中，应用PLC能够取到较好的效果。

1.2 较强的适应性

由于PLC的快速发展与应用，市场上出现了不同规模的产品，被应用于不同的工业控制场合中。当前，PLC随着发展出现了诸多功能单元，PLC已被贯彻落实至温度控制、位置控制等工业控制领域，相信，随着PLC各种能力的不断提高，其适应场合、适应领域等也会不断拓展。

1.3 维护、改造相对便利

如今，工业控制中应用的PLC多采用接线逻辑，有效减少了控制设备的外部接线，PLC的应用有效缩短了电气控制系统设计的时间，维修也相对便利，仅需要改变同一设备程序，生产过程也会改变，是多品种、小批量生产流水线上的理想控制器。

1.4 被工程技术人员广泛认可

目前，PLC已经成为一种通用型的工业控制计算机，PLC主要是依据工业、矿业生产研发的。PLC具有接口简单、编程语言简单等特点，工程技术人员能够快速掌握并有效应用。并且，PLC以梯形图语言为表达方式，与继电器电路图类似，仅需要小部分开关量逻辑控制指令，就能够达到与继电器电路相同的效果，可见，PLC的优势明显。

2 生产流水线电气控制系统整体设计

2.1 电气控制系统应具备的主要功能

（1）数据采集。为实现生产流水线的自动化、智能化控制，设计人员应首先对电气控制系统、流水线、PLC及其他机电装备的工作参数、状态参数等信息进行获取，传感器能够获取准确、有效的数据参数，因此，在电气控制系统设计中，传感器是必不可缺的元件。

（2）数据管理。在传感器对生产流水线相关参数采集完毕后，应利用网络将数据传输至上位机，对此，上位机应具备数据管理功能，能够对收到的数据信息进行编辑加工，进而通过人机交互合理表达数据信息，供工作人员获取信息。

（3）自动生产。PLC的有效应用能够实现电气控制系统的自动控制，在无人工干预下，生产流水线自动运行，可完成全部生产动作。注意：为实现流水线全过程的自动化，设计人员在PLC编程过程中，应将生产流水线的全部动作进行编程控制。endprint

（4）远程控制。为实现电气控制系统的自动化控制，远程控制是不可缺少的部分。该项功能的主要表现如下：上位机利用网络发布控制指令，电气控制系统积极响应，生产流水线自动运行。远程控制功能的实现使电气控制系统真正达到了设计的初始目标：自动化、智能化、远程化。

2.2 电气控制系统应具备的主要结构

（1）上位机：在生产流水线的电气控制系统中，上位机主要指代的是数据管理终端设备，如：PC机、工控机等。在电气控制系统运行中，上位机主要有两种功能：管理传感器采集并上传的数据、向控制系统发布指令。为实现上述功能，上位机应具备专用管理程序，如PLC，具备良好的人机交互性。为提高上位机人机交互性，通常借助组态软件开发人机交互程序，以此再现生产状态、被控对象状态等。

（2）下位机：下位机的核心主要是指数据采集与获取的相关设备，如：传感器、PLC等，数据传输网络设备，如：交换机、路由器等。传感器被用来采集生产流水线电气控制系统的状态信息、位置信息等一切必要数据，并通过网络传输设备传输至上位机，实现数据的统计管理与电力系统的远程控制。

3 生产流水线电气控制系统的设计

3.1 生产流水线所需元件简单介绍

（1）落料光电传感器：主要用来检测传输带上是否有物料，并将检测信号传输给PLC，PLC对信号进行判断，若传输带上存在物料，则PLC将信息传递给上位机，上位机利用网络对电气系统远程控制，流水线传输带启动。（2）放料孔：主要定位物料落料，使物料落在准确位置。（3）金属料槽：主要用来放置金属物料。（4）塑料料槽：主要用来放置非金属物料。（5）电感式传感器：用来检测金属材料，检测距离约在3mm-5mm之间。（6）电容式传感器：主要用来检测非金属材料，检测距离约在5mm-10mm之间。（7）三相异步电机：为流水线不可缺少的部分，用来驱动传输带转动，元件开启或闭合受控于变频器。（8）推料气缸：元件开启后，能够自动将物料推入料槽，受控于双向电控气阀。

要想实现电气控制系统的自动化，生产流水线应首先具备自动化功能。由流水线所需的各项设备作用可以看出，生产流水线完全具备无人工下的自动运转功能。

3.2 生产流水线的程序设计

在生产流水线自动化设计开始前期，技术人员提出了一定要求，即：利用PLC与变频器控制交流电动机的运转，利用交流电动机运转带动流水线运输带运行，以此保障交流电动机持续运行。

在交流电动机转动中，共有五个可选档位，一档转速600r/min，二挡转速900r/min，三档转速2100r/min，四挡转速2700r/min。上述四个档位均是正向转动，五档是反向转动，转速为1500r/min。在生产流水线运转时，若采用二级电机，则上述转速均可使用；若采用四级电机，则应用转速为上述转速的二分之一；若采用六级电机，则可应用转速为上述转速的三分之一，以此类推。

在电气控制系统设计过程中，按钮SB1可启动电动机，使生产线进入运行状态；按钮SB2可关闭电动机，使生产线进入静止状态；SB3能够控制电动机正方向运转；SB4控制电动机反向运转；按钮SB5可控制电动机以一档转速运行，以此类推，为电动机每项状态设置一个按钮，当工作人员需要电动机进入某一状态时，可直接利用计算机发布命令，最后由上位机进行控制，既能便利人工观察，又可提高生产流水线的自动化运转。

3.3 电气控制系统的软硬件设计

（1）硬件设计。在电气控制系统硬件设计中，PLC是不可或缺的部分，設计人员应将各种类型的PLC在体积、价格、速度、功能等方面进行比较。例如，本次设计最终选择西门子公司S7-200系列CPU 224XP CN，该系列产品适用于单机自动化控制系统。系统输入信号为开关量信号，输出为负载三相交流电动机接触器。PLC具有10个输出点，14个输入点。

在电气控制系统自动控制生产线时，PLC控制模块利用通信电缆将控制信息传输至变频器模块，改变电源频率，频率变动影响与PLC连接的电动机，可改变电动机转速，最终起到自动控制生产流水线速度的目的。在本次电气控制系统设计中，设计师采用的是具备RS-485通信接口的变频器，PLC能够通过自身通信接口与变频器实现信息流动，达到控制变频器运行的目的。并且，PLC的连接，能够灵活读取变频器的电压、电流等全部报警信息，降低流水线运行故障，提高生产效率。

在电气控制系统中，变频器也是其中的重要部分，主要用于信息采集与传输。一般来讲，变频器是由整流器、平波回路、逆变器三部分组成的。变频器通过上述三部分及电力半导体器件的PWM控制，对工频交流电电源进行转换，转换成电压可变或频率可变的交流电电源，实现电动机自动调速运行。

（2）软件设计。西门子S7-200系列CPU 224XP CN型号PLC的编程软件主要是STEP7-Micro/Win32，该软件主要运行在计算机Windows系统中，该型号PLC具有界面简单、功能较强、程序操作简便、易于被操作人员掌握与应用等优势。在电气控制系统软件设计中，设计人员利用PC/PPI编程电缆将计算机RS-232串口、S7-200系列PLC的RS-485通信接口连接之后，编程软件即可向PLC下载应用程序或上传设计人员所编写的应用程序。在软件程序运行中，技术人员应安装监控系统，监控PLC运行情况，若PLC运行出现问题，即可通过强制命令调试PLC，保障PLC良好运行。

在STEP7-Micro/Win32主界面中，系统菜单、工具栏几乎提供了各种功能，编辑资源如：程序块、符号表、状态图等均根据指令树结构的模式列出，交由编辑区编辑程序。本次设计中，编程结构使用的是模块化编程体系，该体系具备结构简单、组织方便、编写规模大等优势。

3.4 最终测试

在电气控制系统设计完成之后，为了解系统是否能够真正实现对生产流水线的自动化、智能化、远程化控制，设计人员要对电气控制系统进行最后测试。

在系统启用前，技术人员要对生产流水线及控制系统进行最后检测，保障生产线每一设备均处于规定位置，电气控制系统每一程序、每一元件均准确无误。下达开启命令，观察生产流水线是否自动化运转，观察金属元件或非金属元件是否准确进入对应放料口，观察交流电动机转动是否与对应按钮同步，观察生产流水线是否能在无人工下自动生产。观察完毕后，下达停止命令，观察生产流水线是否停止。在生产流水线运行时，技术人员可突然断开电源，模仿突发性停电事故，在恢复供电后，再次启动电气控制系统，观察生产线运行是否处于正常状态，若仍正常，则电气控制系统设计完好，可投入使用。若出现问题，技术人员应快速检查，及时修复，再次进行测试，直至电气控制系统能够有效控制生产流水线自动化、远程化运行。

4 结束语

综上所述，PLC系统的有效利用，能有效推动电气控制系统的自动化、智能化与远程化，提高生产流水线的效率。PLC具有结构简单、编程便捷、操作性强等优势，被广泛应用于工业生产流程的自动化控制系统中，市场发展远大。

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