基于PLC控制的自动化生产系统
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作者:袁雨桐
摘 要：针对我国的一些生产企业生产效率低下、可靠性差以及系统处理复杂等问题，提出了一种以PLC作为控制核心，对生产系统的每个环节进行控制的自动化生产系统。该系统能够对生产过程中的每个环节进行检测与控制，并将检测结果发送给PLC控制单元，由PLC对检测信号进行处理之后，发起相应生产环节的动作控制命令。重点介绍了系统的整体组成、硬件平台、软件平台，并最终表明，该系统具有高的可靠性，运行稳定，很大程度上提高了生产系统的生产效率。
关键词：PLC;自动化生产系统;软件;硬件
中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.07.094
0 引言
随着社会的不断发展，我们国家工业生产的负担越来越重。通过将一些新的科学技术、新的方法应用到工业生产系统里面，通过改善落后的生产技术，能够帮助我们提高工业化自动生产的效率和可靠性。目前虽然很多的工业企业已经采用了自动化的生产系统，但也都存在一些缺点，比如农作物生产只是在收割环节采用了机械自动化收割技术，而在分练等环节仍然采用的是人工;机械加工行业来应用自动化对加工器件进行控制，但是很多的机械仍然超负荷运作，并且各个生产环节配合度较差。这些传统的生产方式已经处于落后的地位，都有其明显的缺点，已经不能够满足人们日益增长的生产的需求。
自动化生产不应该只是满足生产环节的自动化，还应该要求在送料、装配以及运输等其他环节均采用自动化。PLC除了能够进行一些基本的运算之外，还能够通过自身的外部接口与外部设备相连接，去实现对外部设备的控制。PLC取代了以往落后的控制方式，具有编程简单、体积小、能耗低、可靠性强等特点，并且开发周期短，维护起来也比较方便，是应用在自动化生产控制系统中的首选器件。随着工业产品的应用越来越广泛，通过以PLC为核心的综合生产管理系统去控制多个生产环节具有重要的应用意义。
1 自动化生产系统总体设计
在自动化生产系统的总体设计中，选择S7-300系列PLC作为主要控制部分，通过模块化的分工设计，对自动化生产的送料环节、加工环节、装配环节、输送环节和分练环节进行智能化的控制。在五个生产环节中分别设置一台PLC作为该环节的主要控制核心部分，不同生产环节之间的PLC通过串行RS485总线来实现互相通信。通过这种分布式的自动化生产系统设计，具有通用性强、生产周期短、成本低等优点，除此之外，这种分布式的自动化生产结构，当其中一个环节出现故障的时候，也不会影响其他环节的生产工作，提高了系统的生产效率。系统的总体设计方案如图1所示。
2 自动化生产系统硬件设计
2.1 硬件选型
PLC是整个生产控制系统中的核心控制部分，起着十分重要的控制作用。在对PLC进行选型的时候主要关注两个指标，一个是存储容量的大小，一个是整个系统所需要的功能。经过综合考虑之后，最终选择S7-300系列PLC作为整个供水控制系统的核心控制模块。
S7-300系列系列产品产生于21世纪初期，是一款性价比十分高的PLC产品。它具有很强的电磁兼容特性，较高的耐冲击性能，十分强大的环境适应能力，已经被广泛应用于化工、交通、智能通信等很多领域。S7-300在其产品的内部集成了很多的模块，比如接口模块、CPU模块、编成模块等，是一款集成度高的高性能产品，能够满足一般控制的需求，它的主要系统架构如图2所示。
2.2 输送单元PLC模块
输送单元是自动化生产系统中任务最繁重的一个环节，它需要为其他的环节进行输送任务。输送单位的PLC同时也要实现与其他各个环节的通信功能，在控制的过程中，输送单元的PLC通过与外围电路的晶体管相结合，发送高速脉冲信号来实现与其他环节的通信功能，其中输送单元的输入信号有指示灯、控制开关等信号，输出信号主要包括控制信号、驱动信号等。
2.3 供料单元PLC模块
由于S7-300系列的PLC它是一个模块化的产品，因此在供料环节要注意对PLC的各个模块的安装顺序与位置，比如要先安装电源模块与CPU，然后再去对I/O 信号模块以及通信处理模块等其它模块进行安装。PLC的系统配置也要遵循一定的原则，具体规定如下：
（1）在CPU附近安装的信号模块最多不能超过8个。
（2）PLC所有模块的总电流值都要受PLC背板总电流值的限制。
（3）对于机架的扩展数量最多不得超过4个。
（4）需要對机架进行扩展的时候，要使用IM模式进行扩展。
2.4 加工单元PLC模块
加工单元是整个自动化生产系统中最重要的环节，在加工做成中，待加工的物料需要从运输台传输到加工区域，在冲压气缸下方对工件进行加工，对加工好的物料成品再经过传输台运送到装配单元。其中加工单元的输入信号有停止和启动控制信号、工作模式切换信号;输出信号主要有指示灯和电磁铁控制信号。
2.5 装配单元PLC模块
装配单元主要完成的功能是对半成品的装配，其中包括装配机械手和转台等设备，PLC在该环节要完成对这些设备的控制。其中PLC的输入信号主要有传感器信号和停止和启动控制信号;输出信号主要有指示灯和电磁铁控制信号、变频器控制信号。
2.6 分练单元PLC模块
分拣单元是自动换生产控制系统的最后一个环节，该环节主要实现对工件的分练，其中PLC的输入信号主要有传感器信号和停止和启动控制信号;输出信号主要有指示灯和电磁铁控制信号、变频器控制信号、警示灯信号和指示灯信号。
3 自动化生产系统软件设计
3.1 PLC编程原理 PLC是一款具有可编程功能的器件，通过事先对其进行编程去实现对整个供水控制系统的控制。既然PLC具有可编程的功能，那么就一定有一款适用它的逻辑编程语言。适用于PLC的编程语言主要有语句表、梯形图、功能图等各种语言。其中梯形图因为具有编写直观、形象的特点被大多数的用户所选用。
梯形图的原理跟继电器的原理很相似，因此这也是为什么越来越多的人采用PLC代替继电器进行控制的原因。PLC能够直接对继电器的原理图进行一定的格式转换，转换成适用于梯形图编程方式的程序语言，从而将其设计成PLC控制程序。
PLC的梯形图编程一般遵循以下的原则：
（1）每一行的逻辑程序从左母线开始，通过触点进行连接，最后连接到右母线。其中要注意左母线不能直接与右母线进行相连接，中间必须经过触点进行连接，右母线是一行程序的终点，右母线之后不能够再与其他的任何右母线相连接。
（2）梯形图的触点主要有两种：一种为常开触点;另一种为常闭触点。这些触点之间可以以串联或者并联的方式进行连接。
（3）触点能够在编程的过程中被多次的使用，不限制次数。
（4）在PLC的梯形图编程模式下，程序的运行顺序要遵循自上到下以及自左到右的原则。程序的运行遵循自循环的原则，当程序运行到结尾之后，它又会从头开始进行程序的运行。
（5）对先进行了串联的电路再进行并联操作时，应该按照串联电路中触点由多到少的顺序自上而下的对多个串联电路进行并联操作。
（6）梯形图中所有的触点和线圈都有他们自己的地址，在编程的过程中要确保所有的被使用的地址都在PLC定义的范围内。
3.2 PLC控制程序设计
PLC的编程工具选择的为STEP7。STEP7编程工具是一种结构化的编程工具，能够以文件块的形式管理程序以及其所运行的数据。STEP7编程工具编写的程序具有组织结构清晰，容易理解和修改等优点。
由于 STEP7编程工具的模块化编程特点，本文将控制系统的程序进行了模块化的划分，分别编写在不带记忆功能的用户子程序模块（FC）中，数据跟变量存放在用于存取数据的数据块（DB）中， OB为主程序中用于循环处理的组织块，在OB中可以对各个用户子程序模块FC进行调用。
根据控制系统的具体工作性质和具体的工作流程，需要对各个子单元进行控制，因此系统的程序又可以分为以下几个程序结构组成如图3。
其中，手动控制程序主要用来对运作机械的手动参数进行修改，以及在调试阶段对各个模块的功能进行检测等;自动运行程序主要的目的是对手动操作的一个循环执行过程;公共子程序是整个程序的核心部分，该程序模块能够实现整个系统的初始化、控制模块的启停、控制模块的具体运行方式等。
4 结论
本文在了解了自动化生产系统的现状以及对PLC技术进行研究的基础上，针对目前一些工业生产企业工作效率低下、生产设备可靠性差等问题，提出了基于PLC控制自动化生产系统。针对控制系统的整体环境进行了搭建，并针对具体的应用环境对PLC进行了选型，并研究了PLC的编程技术，通过编程去控制机器的工作，从而实现对整个自动化生产控制系统的控制。
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