PLC在机电一体化生产系统中的应用

陈鸿杰

（广州市工贸技师学院，广东广州，510000）

0 前言

在机电一体化控制系统中应用PLC技术一方面能够使生产系统的逻辑控制性能更加优越，使系统控制更加便利；另一方面能够使原有的控制方式发生转变，使机电一体化控制水平得以明显提升。基于此，下文将分别对基于PLC的机电一体化生产系统架构、硬件组成、软件设计等内容展开详细论述，期望通过PLC技术的运用实现强化生产系统自动化控制效果。

1 基于PLC的机电一体化生产系统架构

基于PLC的机电一体化生产系统的主要构成包括工业摄像头、传感器、计算机、PLC以及电机驱动器等组成构件[1]。如图1所示为基于PLC的机电一体化生产系统设计架构。

图1 基于PLC的机电一体化生产系统架构图

图2 所示为基于PLC机电一体化生产控制系统运行流程：

图2 基于PLC机电一体化生产控制系统运行流程图

针对上述机电一体化生产控制系统流程图：(1)在通电后首先各个系统端口进入初始化流程，将限位开关、传感器等组成部件调整至电平状态，对电磁阀门及脉冲寄存器的状态予以调整。(2)对电机位置进行检测，若电机不在初始位置则根据所设定的原点位置进行调整，电机在原点准备就绪后，清零脉冲寄存器数据[3]。(3)位置传感器对生产工件进行检测，一旦检测到有生产工件经过，促进传感器电平状态发生变化，工业摄像头获取生产工件影像后，根据影像信息对相应参数进行计算。(4)若影像信息处理有效，则触发打开电磁阀开关，实现生产工件的抓取工作，并根据PLC所指令的坐标信息，控制X、Y、Z三轴向着坐标点运动。(5)检测到生产工件到达制定位置后，自动断开电磁阀开关，将工件放至制定位置，等待下一生产工件，循环操作直至任务完成[4]。

2 基于PLC的机电一体化生产系统硬件组成

基于PLC的机电一体化生产控制系统的核心控件为PLC。X、Y、Z轴三个坐标方向的限位开关、启停开关等作为输入信号；系统内部各项信号指示及X、Y、Z轴所对应的电机控制信号为输出信号。本文所述机电一体化生产控制系统以数字量作为输入输出信号，实现X、Y、Z轴方向的运动控制。借助于三路高速脉冲，遵循工程设计中I/O点数的30%为预留原则。设计过程中CPU选择S7-200 Smart PLC ST30CPU，其作为标准的CPU模块，内部数字量输入点、数字量输出点分别有18个和12个，在脉冲输出过程中其最大频率能够达到100kHz。

此时以每秒90mm的运行速度进行计算，电机在接收到4000个脉冲旋转一周，使滑台直行距离达到90mm时，需提供PWM4kHz的频率。基于上文脉冲输出过程中其最大频率能够达到100kHz，完全能够满足机电一体化生产控制需求[5]。如图3所示为PLC与驱动器连接示意图，由图可知，CPU模块中Q0.0、Q0.1、Q0.3分别对应连接X、Y、Z轴电机驱动器的脉冲接收端子；Q0.2、Q0.7、Q1.0分别对应连接X、Y、Z轴电机驱动器的方向接受端子，可见通过该CPU模块能够实现速度控制与位置控制。

图3 PLC与驱动器连接示意图

电机驱动器和步进电机共同构成了系统驱动程序，即：将方向信号和脉冲信号传递至电机驱动器后能够将相应的信号转变成位移信息及方向信息。在驱动器接收到脉冲信号后，促使驱动电机发生转动。可见，在了解需移动位移后，将其转变成相应的脉冲数据，进而转变成X、Y、Z轴的位移数据，进而驱动系统到达制定位置。在基于PLC的机电一体化生产控制系统中，转变脉冲占空比可带动电机角速度随意发生变化；若转变脉冲方向，能够实现控制电机的正转或反转。从理论数据角度分析，在电机接收到脉冲信号后，会产生相应的步距角[6]。然而在实际运用过程中，若脉冲信号以过快的频率发生变化，可能电机会因为转动惯量过大而出现发热严重或丢位移现象。因此，在系统设计过程中对步进电机启动加速时由快到过度，停止运行减速时同样由快到慢过度。为了实现基于PLC的机电一体化生产控制系统运行经济性及控制准确性，在设计中以开环设计为主。

3 基于PLC的机电一体化生产系统软件设计

■3.1 多轴联动理论

基于PLC的机电一体化生产控制系统要实现三台电机联合运行，在运行过程中Z轴水平方向运动而X轴和Y轴同时移动。在规划平面运动轨迹时，对坐标的定点移动实现圆弧插补和直线插补。在本文所述机电一体化生产系统中，主要设计工件的抓放，曲线运动设计较少，主要考虑直线插补[7]。在众多插补计算方法中，逐点比较法尤其误差小、速度快等优势被广泛应用，同时由于在实现多轴联动时受到一定限制，也是其一些功能不能发挥出来。因此需对其工作原理予以改进优化。

逐点比较法在运用过程中，电机每运行一步需对比直线上的点，并根据对比结果对下一步移动方向进行调整。图4为直线插补示意图。在直线插补过程中，坐标原点为起点，终点为E点，则X/Y=Xe/Ye，其中X、Y可为直线上任意坐标点。

图4 直线插补

■3.2 PLC程序设计

由于STEP7-Micro/WIN SMART编程方式灵活且丰富，即使针对复杂功能也能够实现快捷完成，因此以此开展PLC程序设计。通常控制系统软件包括：公共子程序、手动操作程序和自动运行程序（如图5），在设计过程中对各个模块进行分别编写，在调试和修改时也会较为便捷。基于机电一体化生产控制系统流程，需对三自由度滑台实现顺序控制。

图5 基于PLC的机电一体化生产系统软件程序设计

在这一过程中手动操作程序能够用于调整各轴运动参数或位置参数或开展一系列维修工作，确保各单元功能模块功能完全，对各个轴的运行精准性予以调试。同时手动控制也被称之为单步执行，少了手动控制会对调试工作带来一定不便。自动运行程序能够实现连续循环操作手动程序，实现全速运行。而公共子程序则有初始化、启动停止控制、原点归零、速度控制、位置控制等多方面程序所共同组成的系统公用程序[8]。

系统初始化。在这一程序中，对X、Y、Z轴的初始位置、传感器初始状态、电磁阀初始状态等进行初始化设置。对运动轴进行启动或初始化时，CPU会调整为自动运行模式。

启动停止控制。启停控制程序主要在通电后控制系统的开启和停止，实现互锁或自锁，保证系统在运行时遇突发事件能够及时停止运行，提升安全性。

原点归零。该程序由传感器和限位开关共同实现，设定分为三个情况，其一，系统突然断电停机又送电后，若直接启动存在碰撞风险，此时需原点归零；其二，X、Y、Z轴电机均不在原点；其三，X、Y、Z轴电机有一个处于原点。针对第一种和第二种情况，需实现X轴和Y轴联动归零；针对第三种情况使X轴或Y轴一个电机归为原点即可。

位置控制。由图6，将X轴、Y轴、Z轴运动轨迹在二维平面上班投影，分析X轴和Y轴运动路线。由A点到B点可走轨迹1，通过X轴和Y轴同时运动来实现，或先X轴后Y轴、先Y轴后X轴进行单轴运动来实现，可见采取第一种方式的直线插补法的效率更高。

图6 位置控制

速度控制。基于PLC的机电一体化生产控制系统在运行过程中结合步进电机运行特点，在启动时速度应由低至高。在停止运行时同样需由高至低，有着缓慢的过度过程。若启动停止速度过大会对定点移动的准确性带来影响。因此在机电一体化生产系统控制过程中，应尽量缩短电机加或减速的过程，使其在大多数时间处于匀速运行状态。如图7所示为控制系统加速控制示意图，若机电一体化生产距离较短，可省掉中间的恒速过程，只进行加速和减速，提升生产控制准确性。

图7 速度控制

4 结束语

综上所述，随着工业产业不断发展，当前人工生产线已难以契合现代制造的生产需求。因此，基于PLC的运行控制优势，将其运用于机械生产领域，强化机电一体化生产控制系统运行效率的同时缩减人力成本，推进工业制造、工业生产更好更快发展。