摘要：自动化生产线是根据相应的工艺顺序将自动机床和相关辅助设备互相连接，并通过工件来传送和控制，完成产品制作的自动化生产系统。其具有可控制能力强、结构组合灵活、操作简单、可靠性强等优点，有很广泛的发展空间，被广泛运用在石化、制药、工业自动化生产线及大规模设备状态监控等各个方面，而PLC技术的应用使得工业行业有了全新的发展时代。本文对自动化生产线进行简介，并阐述了PLC的工作特点和系统组成，最后对基于PLC控制的变频器在自动化生产线中的应用进行分析，以供大家参考。
关键词：自动化生产线；PLC控制；变频器
前言：PLC的运用不仅延续了传统电气易控制、结构简单等优势，还极大的拓展了使用范围，大为减轻了工程师的工作量，使大规模复杂控制能够实际广泛运用在各工业领域。PLC（Programmable Logic Controller）也就是可编程逻辑控制器，可供工程师自由编程，对用户呈现系统实时状态,处理采集数据通过所编写控制程序形成逻辑控制指令通过输出端口发送指令驱动外接设备，以此达到控制的目的。PLC技术在使用时有很高的安全性及可靠性，I/0接口处都有较强的抗干扰能力，在恶劣条件下依然可以长期稳定工作，确保生产过程安全、可靠。PLC技术的通用性也很强，随着其不断的发展，人们根据不同的生产情况对工业自动控制系统进行设计，通过PLC设备就可以编写出相应的程序。总而言之，PLC在各工业领域有很强的环境适应能力，具备强大的抗干扰能力，能够长期稳定工作，组合十分简便，工程师能够在较短时间内编写程序，因此，在自动化生产线中使用有着十分好的效果和作用。
1、自动化生产线简介
自动化生产线是在无人控制的情况下，根据指令自动制作完相关产品的系统，其能够大大减少人工、降低工作强度、稳定工艺质量、降低生产成本、并且相应的提升了资源利用率。随着现今技术的不断发展，机械制造业中的自动化生产线已经越来越先进，并被广泛的运用于石化、化工、制药、电力、管道输送、科学研究等各行各业当中。
2、PLC的性能特点
PLC系统在构建时具备快速实施性、高可靠性、模块化、可优化性强等优点，其主要体现在：(1) 快速实施性，编译PLC控制程序时，其语言便于工程师理解掌握，没有高级计算机语言知识要求，通常是以语言或梯形图构成，能够使工程师在较短时间内完成较大规模自动控制系统的搭建；(2)高可靠性，PLC是针对各种工业环境进行设计开发的，对各种工业环境有很强的适应性，所以适应各类恶劣工作环境，有很稳定的抗干扰性能，能够为PLC的使用提供很好的安全性；(3)模块化，PLC系统主要由电源模块、CPU模块、输入输出模块、特殊功能模块构成，其模块组合简便、通用性好，针对不同控制需求，能够灵活设计组合模块，工程师能够通过模块分配控制区域，极大的方便了快速查找处理问题，并可通过通讯模块与其它自控系统形成统一的工程自控网络；(4)可优化性强，PLC能够对控制程序进行不断优化，能够在线修改和优化，从而使得工程师在实际运维系统时，能够不断优化工艺过程及参数，从而不断降低生产成本，提高产品质量。[1]
3、系统描述
自动输送线分拣单元工作原理图如图1所示，其自控工艺流程是：皮带输送系统将需要分拣的物件送至分拣单元进料口，当PLC通过分拣单元来料光电传感器检测到物件到位后，延时启动变频器，驱动电机正传，将物件传送至检测区，PLC通过光纤传感器及金属传感器检测出物件的材质后，将物件传送至对应的出料口，并由气缸推送到位，推送到位后气缸自动缩回，结束一个工作过程，等待下一个。在整个工作流程中，由触摸屏上的频率输入设定值输入框所设定或由PLC根据工况自动给定变频器的频率，PLC通过高速计数模块采集旋转编码器数据测得传送皮带运转速度和传送距离，由通过程序来进行逻辑控制。
图1 自动化线分拣单元结构图
系统接线原理图如图2所示，PLC作为系统控制主机，向变频器发出启停、正方转等指令，并确定变频器相应的运行频率。运行频率给定是由触摸屏手动给定或PLC自动给定，PLC在收到触摸屏给定频率后（MODBUS通信或PPI通信），或程序自动计算的频率后，通过模拟量输出模块将给定频率传送给变频器； PLC通过数字量输入模块采集变频器运行状态，并通过数字量输出模块发出启停、正反转等信号，变频器在收到明确的给定频率和启动、正方转信号后驱动电机运转，同时将电机实际运行速度、转矩、电压等信号度模拟量输入模块回到PLC，然后通过RS485（MODBUS）通信或PPI通信将信号传给触摸屏，将运行参数显示在触摸屏上。
图2 系统组成图
4、PLC（Programmable Logic Controller）控制的变频器在工业自动化生产线中的应用
4.1 PLC在制药行业中的使用
随着国家工业化的不断深入，在生产领域，稳定产品质量，降低生产成本，提高生产率，是企业生存发展的硬性要求。以医药生产为例，人工操作或机械化流水线已经远远不能满足产量要求，已全面被连续自动化生产线取代，因PLC有快速实施性、高可靠性、模块化、可优化性强等优点，被广泛运用于医药生产领域。工程师根据生产工艺流程，设计整个生产线的自动控制系统，通过构建多个PLC系统控制不同的生产工艺分段，并通过工业互联网及上位机（OS站）构建统一的企业生产线自动控制网络。在医药生产过程中，大量采用各类变频器，涵盖高压重载变频器到直流伺服驱动器，应用范围涵盖物料传输系统、管道输送系统、工艺反应系统等，通过PLC的有效控制，能够快速进行原料输送及储备、医药生产工艺过程、成品输送及储备、产品包装及出入库。PLC技术的广泛采用极大的提高了生产效率，降低了人工成本，大为降低了工程师的工作强度，保证了生产的连续性和产品质量。
4.2 硬件连接
PLC与变频器的通信方式可采用总线通信（RS485、Profinet等），也可采用采用端子硬接线。本文中采用端子硬接线控制，由PLC输入输出接线端直接连接变频器控制接线端，其连接图如图3，此接线原理图标识了PLC端子和变频器端子的连接方法。模拟量指令：操作人员通过触摸屏给定频率值发送给PLC， PLC将自动给定的频率值或触摸屏手动给定的发送给变频器模拟量输入端子（第3和第4号端子），从而给定变频器运行频率指（变频器同时需要设置参数，运行频率由外部给定）；变频器控制接线端第12和第13号端子是电机实际转速反馈，在系统工作过程中要求实时监控电机转速，需将第12和第13号端子连接PLC模拟量输入端子M和A+（需注意模拟量输入信号，如果是0～10V电压信号可直接连接，如果是4～20 mA电流信号,需增加模拟量输入模块）。数字量指令：变频器控制接线第5、第6和第7号端子接收数字量指令，第5号端子控制电机的启停及正/反转，程序中设定PLC的Q0.0端口控制电机启停及正/反转，所以Q0.0连接接变频器控制接线端第5号端子；第8号端子为外接24V直流电源（由PLC供电），故连接PLC1L端子。
图3 PLC、变频器接线原理图
4.3上位机软件设计
上位机（中央控制室OS站）是位于工业自动控制网络的最上层，利用各分系统的PLC或工控机收集和整合系统的数据，由于软件设计有较强的开放性，可以根据需要选择工业组态软件（如WINCC、组态王、力控等）、C++、PHP、C#和Java等编程语言进行开发，数据表格的汇总、数据模型的整合和分析、定向检索、数据的导入和导出等功能都可以通过软件编程实现。利用软件接口与企业成员计算机进行连接，可以远程控制和访问。网络控制系统结构能够结合生产的其他管理平台，例如原材料仓库管理平台、物流管理平台、生产管理系统（MES系统）平台等，全面监控和管理产品从原材料到成品的过程。
4.4 PLC（Programmable Logic Controller）程序编译要点
工程师在程序编译时，尤其需要正确使用模拟量输入输出格式及接线方式，以西门子S7-200224XP举例，如果要求续调整电机速度，需将频率模拟量指令持续发送至变频器。模拟量输入输出信号一般为两种，一种是电压信号，范围一般为0～10V；一种是电流信号，范围一般为4～20 mA，在PLC程序中处理模拟量程序模块对应的数字量（D/A转换器）范围都是0～32000或6400～32000，本例中使用电压信号，变频器频率和PLC输出模拟量电压成正比关系。分拣单元运行时，由触摸屏手动或PLC自动给定变频器的频率值，PLC与触摸屏之间通过RS485（MODBUS）通信或PPI通信，PLC接收触摸屏数据地址为VW1001，由PLC程序转变为模拟量输出指令给变频器，变频器将频率反馈值放在VW1004地址的存储空间中[2]。
5、结语
综上所述，随着我国工业化水平不断提高，各行各业的自动化应用也大大增加，PLC（Programmable Logic Controller）可编程逻辑控制器在其中发挥着重要作用。通过PLC控制变频器，工程师能够搭建较大规模、运转高效、故障率低的自动化生产线，并能根据工艺不断优化PLC程序。利用PLC对自动化生产线进行控制，能够大大降低生产成本，为企业创造更高的经济效益，为企业发展做出重要贡献。
参考文献：
[1]李锋.PLC在电气自动化控制中的应用探讨[J].机电信息. 2019(17)
[2]李宽元,王中任,陈十力,汪洋洋,王琪,董袖青.基于PLC控制的自动化生产线实训设备的设计[J].机械工程与自动化.2016(02)
论文作者:邓景瑞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/10/8
标签：变频器论文; 端子论文; 频率论文; 接线论文; 系统论文; 触摸屏论文; 模拟量论文; 《基层建设》2019年第18期论文;