基于PLC的机械设备电气自动化控制分析

盛泉宝

摘要：本文采取了综合分析法、文献分析法等方法，对PLC、电气自动化控制以及汽车制造机械设备的自动化控制进行了阐述分析，设计了一套基于PLC的汽车制造机械设备电气自动化控制系统，以期对汽车制造行业的发展提供一些参考建议。

Abstract： This paper adopts the methods of comprehensive analysis and literature analysis to elaborate and analyze PLC， electrical automation control and automatic control of automobile manufacturing mechanical equipment， This paper designs a set of electrical automation control system of automobile manufacturing machinery equipment based on PLC， in order to provide some reference suggestions for the development of automobile manufacturing industry.

關键词：汽车制造;机械设备;PLC;电气自动化控制

Key words： automobile manufacturing;mechanical equipment;PLC;electrical automation control

中图分类号：F407.63                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）19-0216-02

0  引言

电气自动化控制是一项综合性非常强的领域，涉及很多技术门类，在工业发展过程中，早期利用继电器来实现自动化控制，使用继电器的自动化控制方法简单实用，但是随着时代进步继电器的适应性越来越差，可编程控制器逐步取代继电器成为电子自动控制领域的重要装备。汽车制造领域的电气自动控制，也是从基于继电器的自动化控制，转型为基于PLC的自动化控制。通过PLC来实现对汽车制造领域机械设备的自动化控制是汽车工业发展的助推剂，也是未来汽车智能制造的重要基础。

1  PLC与电气自动化控制

1.1 PLC

可编程控制器即PLC，是一种在预先设定好的程序下自动运行，可进行开关量控制、模拟量控制、运动控制等的电气自动化控制装备。PLC要发挥作用，需要很多的配套装置，包括传感器、变频器等。PLC通过传感器获得机械设备的工况信息，并在CPU上进行处理，设定好程序中有关于控制程序启动的阈值，CPU根据传感器采集的信息判断是否达到阈值，进而判断是否需要调整机械设备的运行参数，若需要调整则转换信号，向机械设备的控制装置如变频器发送指令，通过调频来实现对机械设备的自动控制。

1.2 电气自动化控制

电气自动化控制是针对机械设备运行的控制，为满足设备运行要求，常常需要很多辅助电气装置，比如开关、继电器等等，这些装置具有一定控制功能，它们所组成的电路叫做二次回路。其中继电器是电气自动化控制的核心装置，继电器相当于日常常用的开关，实际本质也是具有自动开闭功能的开关。继电器作为早期自动控制领域的关键装置可以用在很多控制系统当中，不过最为常用的控制系统还是离散型控制系统。

1.3 PLC在电气自动化控制中的角色

PLC可靠性强，稳定性好，在一个电气自动化控制系统当中，只要PLC不出现问题，系统一般都会按照PLC程序设定运行。虽然基于PLC的控制系统中依然需要用到继电器，但是不再是人员操控相关装置来控制继电器，而是由PLC来控制继电器。例如同样以电机的自动控制为例，由于电机运转需要的额定电流非常大，PLC根本不可能承受与电机一样的额定电流，所以必定不可能作为控制主电路的装备，而是去适应主电路，并通过控制继电器输出来实现自动控制，电路形式与上述控制电路无明显差别，最主要的就是增加了PLC，且不需要人工操作，只需要PLC按照程序运行即可实现自动控制。PLC强大的逻辑计算能力为连续生产过程的模拟量控制提供了巨大支撑，而带有NC单元的PLC则可以执行运动控制。

2  基于PLC的电气自动化控制实现思路

机械设备的基于PLC电气自动控制系统，一般都要求系统能够实现设备自动动作，满足产品生产要求和生产效率要求，则控制系统必须要保证足够的安全性和可靠性，且控制系统本身也应当尽量简化，过于复杂的系统将影响控制系统的安全可靠性，同时相对简化的控制系统，具有成本优势，也具有维护简单，操作方便的优点。

为了保证基于PLC的控制系统有效运行，关键点在于：一方面，必须根据电气自动控制流程，选择恰当的PLC。对于汽车制造生产线来讲，由于早期继电器已经不适应汽车制造需求。美国通用汽车公司在1969年通过公开招标寻找可以取代继电器的自动化控制装备，由此世界上第一台PLC诞生，由美国DEC研制，并在通用汽车自动装配线上运用成功。经过几十年发展，目前PLC品牌多样化，在选择PLC时需要考虑是否具有经济性，是否满足生产需要，工作环境是否复杂，工艺流程当中是否存在可变参数等等。

进一步还要根据工艺流程确定被控制对象，控制过程以及工艺要求，以此确定最佳的输出设备，要求统计I/O点数，确定好I/O点数才方便选择最佳的PLC，也是能否完成自动控制的关键。要求分析电路中的元器件与被控制对象（汽车制造机械设备）的工作流程，确定I/O点数，并据此确定存储容量，确定最佳硬件。

硬件确定后，应根据工艺流程，确定控制程序，控制程序是否合理是保证自动控制正常运作的关键，一般方法是根据工作流程出具系统控制流程图，确定控制顺序和条件，然后根据梯形图设定程序。这方面要求现场操作人员具备电气设计经验以及电气控制相关知识。

3  基于PLC的电气自动化控制在汽车制造中的应用

随着汽车改款，生产线就必须要调整，控制电路也就需要随动调整，使得基于继电器的电气控制系统生产效率陷入瓶颈。随着PLC的出现汽车制造生产线逐步实现全自动化控制方式，对汽车制造行业的发展提供了非常巨大的助力。因此此节重点探索基于PLC电气控制在汽车制造当中的应用，并运用PLC对汽车制造相关机械设备进行自动化改进。

3.1 总体描述

以汽车车身焊接生产流水线作业为主要目的进行自动控制系统设计。由于汽车制造生产线基本都是流水线作业，需要各个环节有效配合才能保证整体生产不间断。控制系统对焊接生产线影响较大。选择生产线上的传输流程进行具体设计，控制系统的主要作用是保证传输设备有序且准时地将车身部件输送至固定工位进行加工。基于本文主题，利用PLC来实现传输设备的自动化控制，选择PLC为西门子PLC以及INTERBUS总线，搭建控制系统网络，并添加安全光栅、通信模块、安全门等硬件设备，构建传输流程的自控系统。

对传输机械设备的控制本质上是对电机的控制，传输设备中滚床的前后运动是由电机驱动皮带带动的，电机正转则滚床向前运动，反转则向后运动，由此可由PLC对电机进行控制，从而实现对滚床的控制。当然需要在滚床两侧安装对应传感器来检测滚床工况，每个工位都应当设置传感器，滚床前端也需要设置传感器，检测工件是否到位，滚床前端设置由停止气缸，工件到位后气缸工作阻止工件继续移动，滚床后端也需设置传感器检验工件是否占用工位。如此系统判断是否工件送至工位。

滚床配置升降机，实现可升降，升降机由电机驱动，升降机上下运动存在限位器。可升降滚床利用两个传感器判断位置，顶部传感器检测滚床到达顶部的信号，底部传感器检测底部信号。当车身工件输送至工位，工位传感器检测到信号后，可升降滚床带着车身部件下降，底部传感器检测到位后，电机停止焊接机器人工作对部件进行焊接，焊接完成后上升滚床，将完成的工件输送至下一个环节。

3.2 硬件设计

硬件方面，主控装备为西门子S7-400系列PLC，本产品并不是西門子PLC的最新产品，考虑经济性、可靠性以及工艺控制需要，S7-400足够满足要求。

由于本控制系统所控制的机械设备的工作过程相对简单，对PLC的性能要求并不是很高，S7-400足够满足要求，且其本身也是中高档的PLC，使用的模块化设计，可扩展性强，当性能不够时，可直接增强CPU来进行性能提升。

控制对象为传输系统，包括升降系统和滚床系统以及控制系统信号灯。利用滚床将工件送至工位，通过升降机调整工件位置并实现流水线生产，外围信号灯按钮控制输入输出。

滚床包含滚床和撬体，撬体主要用来运输车身，而滚床主要运输撬体。生产线布置两条滚床线，并通过合理配置将各工位构成连续的车身输送线。输送线参考图1。

重点的传感器系统使用SICK-S300专业光栅，可设置8个可选择报警区域，扫描范围最大可达7m。无触点电子开关用于检测升降设备停止、启动，通过位置，检测部件位置灯，可控制电机转速和速度，可进行计数等。

3.3 软件设计

软件时PLC控制系统的关键点，以升降机滚床位置流程图为例，基本控制流程为：开始→升降机是否到限位/接收工位是否就绪→滚床开始传送→滚床传送完成→升降机至零位→滚床位。依据这基本流程，进行程序设计，以满足升降滚床的自动作业要求。具体来讲当升降机上升或下降到固定位置，滚床位开始工作，将撬体带车身部件送至升降机，再由升降机传输，此时若上一站没有撬体输送过来，则等待传输，这里涉及了其他的控制系统，即焊接控制系统，需要等待工业上的车身焊接完成后才能进行输送。

4  结束语

综上所述，汽车制造与基于PLC的电气自动化控制之间存在着紧密联系，早在上世纪70年代，基于PLC的电气自动化控制系统便应用于汽车制造当中，通过PLC及其配套硬件对汽车制造相关机械设备进行自动控制能够显著提高生产效率，保证生产可靠性和连续性。PLC作为工控领域的关键装备，它以电气控制电路为基础，实现全自动电气自动控制。

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