基于PLC的机电一体化实验台设计

刘 波， 刘晓鹏， 赵俊生， 高 琳

(中北大学 机械与动力工程学院，太原 030051)

0 引 言

机械电子工程俗称机电一体化，是将机械、电气控制、计算机、传感器等多种技术进行有机结合，并综合应用到机电类产品和系统的开发、设计、制造、和试验工作的综合技术，现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化综合设备。而且机电一体化作为一种实践即产品的基础技术，给传统的机械制造业带来的深刻变化,是当下机械工业发展的主要趋势,也是我国振兴与发展机械、电子等行业的必由之路。对于工科大学机电类专业的学生来说，机电方面的知识是必不可缺的。在加强基础理论教学的同时，应注重实验教学，来培养学生的综合设计与实践能力。如何改变传统的验证性实验，开发具有开放性、综合性的实验，越来越成为机械电子工程专业教育的一大问题[1-6]。

1 实验装置要求及设计方案

1.1 实验装置要求

实验装置的控制柜需包含交流接触器、中间继电器、变频器PLC等基本电气控制元件，采用开放型布置，能实现继电器连锁动作实训、接线、系统故障排除、更换电器等内容，以激发学生的学习兴趣，同时有利于学生观察和对系统整体把握与认识。在用电安全设计方面，使用隔离装置供电，所有电源开关采用漏电保护型，增强用电操作安全。机械手搬运控制模块能实现机械手的升降、抓取和旋转。通过光电开关实现物料检测功能。通过对变频器进行参数设置实现调速；通过扩展触摸屏可实现组态及网络通信等先进控制技术在实验台上的应用扩展。

1.2 设计方案

针对所提的要求，本实验装置包含空气开关、交流接触器、中间继电器、PLC(含扩展模块)、变频器、伺服驱动器等基本电气元件组成电气控制系统，控制完成整个实验台的全部动作；由带式输送机、变频电动机和光电编码器组成带式输送系统，主要是完成物块的输送，当检测到物块时输送机停止；由蜗轮蜗杆减速器、伺服电动机、气泵、气缸和气爪组成搬运机械手系统，主要是完成物块的搬运；由十字滑台和步进电动机组成物块储放系统，主要是通过十字滑台的移动完成物块的存放[7-9]。

图1 控制方案设计

2 下位机设计

本一体化多功能机电控制综合实验台是以一台晶体管型的S7-200 PLC和一台继电器型的S7-200 PLC作为控制核心，由于继电器有动作次数寿命，晶体管只有老化没有使用次数限制，且晶体管响应速度快于继电器，选用晶体管型PLC控制步进电动机和气动系统，继电器型PLC控制伺服电动机和变频器。硬件控制系统设计如图2所示，实验装置机械结构如图3所示。

2.1 步进控制系统

本系统由57步进电动机和57/86步进驱动器及用联轴器与丝杠相连接，而步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元器件。其速度控制是通过改变PLC发出的脉冲频率来实现对电动机的速度控制；方向控制是通过控制输出的脉冲信号的高低电平到步进电动机控制器的方向信号端，从而来控制步进电动机的转动方向。本装置通过PLC程序中的定时器指令和脉冲输出联合控制的方式实现对步进电动机的位置自动调节[10]。

图2 硬件控制系统设计

图3 实验装置机械结构

2.2 气动系统

本系统由双导杆气缸、气爪和空气压缩机构成。对双导杆气缸的控制是用一个二位五通电磁阀控制，阀上配有1个来自空气压缩机的进气口P和2个分别通向气缸的A、B口。A、B分别与进、出气口相连接，因此气缸只有收回和伸出两个工作状态。电磁阀通断电切换气缸的工作状态，即初始通电时，A口进B口出，气缸伸出；断电后，B口进A口出，气缸收回。气爪的工作原理也如上所述，对应的工作状态是气爪的松开和夹紧。而利用PLC去控制气缸、气爪的动作，节省大量配线和附件及安装工时，并且现场调试只需要改变控制程序即可实现目的[11-12]。

2.3 伺服系统

本系统由伺服电机和伺服驱动器及蜗轮蜗杆减速器构成。伺服电机基本参数如表1所示。

表1 伺服电机基本参数

经称重可知：

m气缸=2.3 kg，m气爪=0.66 kg

L=0.5 m(臂长)

V=a×b×c=1 000 mm×45 mm×

8 mm=3.6×10-4m3

ρ=7.85×103kg/m3

扭力臂的质量为

m力臂=ρV=2.826 kg

扭矩为

T=F×L=(m气缸+m气爪+m力臂)g×L=

2.893 N·m

与伺服电动机的参数对照，发现所需的扭矩远大于电机的额定扭矩，为了实验装置的绝对安全性以及解决伺服电机输出扭矩不足和低转速不易控制的问题，采用传动比为1∶50的蜗轮蜗杆减速器。

2.4 变频系统

本系统由变频器、三相异步电动机、输送机及光电开关构成。通过链条将电动机和输送机相连接，利用变频器控制电动机从而控制输送机的速度，并用安装在输送带两侧的光电开关检测物料。

为了更好地控制电动机的速度，将电位器的三端分接到变频器的电压输入端，电压输出端和公共端，即可通过轻轻转动外接电位器的旋钮，就可以进行频率设置，达到控制三相异步电动机转速的目的。

在该系统中，对于物块检测选用对射式光电开关，由结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器组成，当无障碍时，发射器发出的光线直接被接收器接收。当物块(被检测物)通过发射器和接收器之间且完全阻断光线时，光电开关就产生了开关信号，该信号作为输入信号发送给PLC，使输送机停止运行。当检测物不透明时，优先选用对射式光电开关作为检测装置[3]，如图4所示。

3 上位机设计

作为一套一体化多功能机电控制综合实验台，既

图4 光电开关工作原理

可以用按钮等硬件控制，也可以通过及计算机组态软件作为上位机进行控制。

3.1 触摸屏控制

本装置采用的是威纶通型号为TK6102i的触摸屏，需先在计算机上用其专用的软件EB8000建立工程文件，编辑好控制界面，并做好变量连接，然后通过Mini USB下载口将工程文件下载到触摸屏的存储器中，并用两条USB PPI通信电缆通过Com1: RS-232/RS-485 2w/4w, Com3: RS-485 2w口与两台PLC相连接，在EB8000的穿透通信设置及V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9中的通信端口进行通信参数设置，设置完成后即可实现利用触摸屏对下位机的控制。

3.2 PC Access和WinCC组态控制

在带有Win7系统的计算机上安装PC Access及WinCC7.0，打开PC Access，先利用PLC通过PC/PPI通信电缆与PC Access建立通信，并在PC Access中通过新建项目的方式添加相关变量，并将变量添加到测试客户机，当PLC程序运行时，即可检测其状态。然后在PLC程序中添加内部寄存器作为中间变量，在WinCC中建立单用户工程文件，添加OPC驱动，建立S7-200.OPCServer，就可以看到在PC Access中的项目变量，利用静态文本作注释，将中间变量(I/O地址)与画面中的按钮(I/O域)连接，运行WinCC组态项目，即可实现通过控制画面中的按钮对实验台进行控制[13-15]。

4 结 语

通过上述工作，一体化多功能机电控制综合实验台的功能要求基本上得到了实现，既可以通过电气柜面板上的按钮开关控制实验装置，也可以通过触摸屏和组态软件完成实验要求，充分说明了设计方案的可行性。而且作为一套典型的机电一体化的实验设备，成功地将步进电机、伺服电机、气缸等多种控制单元用PLC联系起来，并实现了上位机控制，下一步将在精确控制方向做出更多研究。

该综合实验台能够让学生在增加实践经验的同时开拓了思路和眼界，相信在师生的共同努力下，一定能为机械电子工程专业培养出更加优秀的人才。

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