基于PLC的自动化生产线控制系统设计

基于PLC的自动化生产线控制系统设计
摘要：为了有效提升生产线的自动化程序，需设计以PLC为控制的核心，三自由度滑台属于执行部件的控制系统，运用逐点比较法实施直线插补运动，达到三轴
准确定点移动控制的目的，从而精准的调整待装配工件所在位置与姿态，使得工
件装配完成。

文章重点介绍了系统整体架构、硬件平台、系统软件以及实现方法。

运用了PLC控制步进电机驱动器达到控制速度的目的，这样能使得系统更为可靠、稳定。

关键词：PLC；三自由度滑台；逐点比较法；运动控制；步进电机
前言
近阶段，我国的自动化生产线都是针对专用需求设计而成，但是，设计的自
动化系统本身生产线也拥有一定的缺点需要进一步完善。

1.控制系统整体框架
工业摄像头、PLC、位置传感器、开关、工业计算机、三自由度滑台都属于自
动化生产线控制系统。

三自由度换填在整体控制系统中属于核心执行机构，经由X、Y、Z方向的线性模组与3台步进电机组成，采用PLC为驱动器发动控制信号，从而掌握滑台3个分支在每个方向的位置，X轴的方向和流水线的传输方向都是
平行的，选用的是齿轮带动皮带的驱动模式，经由X轴实施步进电动驱动。

直线
行驶能达到高速运行的目的，然而，定位也较为准确和稳定，横向机构都经由Y
轴步进电动驱动，驱动的方式和X方向是一致的，主要是配合X方向完成坐标定点。

一般升降机构都是Z轴步进电动驱动、驱动方式以及X方向相同。

工作过程中，顺着垂直方向由上下开始运行，便能方面工件抓取与放置。

在设计整体系统时，最为主要的功能如下：（1）自由选择手动与自动操作。

（2）高速捕获工件图像，从而计算出它的坐标。

（3）精确控制，使得精度上升
至0.02mm。

（4）控制行程与运动，行程应为0~400mm。

（5）能完成最基本的
装配动作，简单来讲便是抓取与放置。

（6）对于安全保护功能，如果遭遇到异常，便会自动发生急停信号。

此控制系统最主要的工作流程分析可以依照如下步骤实施：（1）自系统上电之后，需初始化各个端口，其中也涵盖了限位开关的点评情况、位置传感器、脉
冲寄存情况以及电磁阀门的情况。

（2）合理检测电机位置。

当电机不在原点的
位置时，需依照设置的原地位置，合理移动至指定的原点位置，原点等待就位后，应清除脉冲寄存器。

（3）位置传感器检测工件。

如果有工件经过后，相应的位
置传感器电平也随之产生了改变，之后摄像机捕获了工件图像，通过图像处理来
计算出相应的参数值。

（4）触动电磁阀开关完成相应的吸气动作，当抓取工件
之后，（5）整理好工件位置后，需断开电磁阀开关，将其工件放置到对应的位
置上，等到下一个工件到来，采取循环的方式一直到任务结束之后。

2.控制系统硬件构成
可以运用PLC来作为控制核心部位实施控制系统，输入的信号需有启停按钮、X、Y、Z三个轴的方向进行控制步进电机控制信号以及相应的信号指示。

此控制
系统中的输入与输出信号都是一些数字量，能控制三轴各个电机实施运动，这时
候便需要3路的高速脉冲，依照工程设计，布置I/O点数20%~30%的预留准则，
以此合理选择PLC，在此其中，标准的晶体管输出型CPU模块，在模块中本体涵
盖18个数字量的输入点以及12个数字量输出电，脉冲输出最大的频率应为
100kHz。

当依照相应的运行时速90mm/s进行计算时，步进电机接收脉冲为4000
个，并由此旋转1周、在相应的滑台上直行移动90mm，便需要提供PWM频率，计算公式为90*4000/90=4kHz。

CPU模块能为其提供PWM，最大的频率为
100KHz。

这样看来能达到此系统控制需求。

与此同时，CPU模块能为其提供开环
控制所需要的功能与性能，较为突出的应用有位置与速度两个控制，CPU模块中
Q0.0、Q0.1、Q0.3，以上三种路脉冲输出端子，需和电机驱动器中的脉冲接收端
子相连接，Q0.2、Q0.7以及Q1.0是方向控制信号和电动驱动器方向，从而接收
端子从而相连。

PLC与驱动器的连接如图1所示：
图1 PLC与电动驱动器的连接图
通常驱动部分都是经由电动驱动器与步进电机组成，电机驱动器能有效接收
脉冲信号以及方向信号，从而转换变为角位移和转动方向，当驱动器接收到脉冲
信号时，会相应的驱动电机转动，从而转动成为一个步距角，所以，知道位移大
小才能换算变为脉冲个数，在三轴上便能改成水平位移，进而驱动电机移动到指
定的部位上。

经过改变相应的脉冲占空比便可以达到电机正反转的有效控制[1]。

从理论上讲，电机每次接收一个脉冲信号便会转动相应的步距角，应用工程时，如果脉冲信息转变的非常快，会导致转动惯量太大，造成电机没有办法顺应
脉冲的改变。

对于孔子系统应采用实际要求，控制开环中的控制模式，一方面能
确保控制准确性，另一方面也可以有效的节约成本。

3.控制系统的软件设计
3.1多轴联动理论分析
由于思考到3台电动机一块工作，在平面上运动时，应思考X轴与Y轴共同
移动，Z轴只需做好升降运动即可。

所以，需合理规划平面上的运动轨迹，一般
情况下，坐标定点移动都两种情况分为直线插补语圆弧插补。

插补直线时，需以
直线起点为坐标原点，给出相应的终点坐标E（Xe，Ye），直线方程设定为
X/Y=Xe/Ye，简单来讲XeY—XYe=0，其中X，Y属于直线上任意一点的坐标。

3.2偏差计算
当直接对Fi实施新的偏差计算时，需实施复杂的四则运算，与此同时，计算
清楚动点P的坐标，为了便于程序计算的步骤，需在插补运算中，运用递推公式
实施，简单来讲，寻找坐标相近的偏差值来联系，这样每次进给一步，全新的动
点偏差才可以运用上一步的偏差值计算获得，在起点给定的直线上，所以，全部
的动点偏差能通过原点慢慢计算获得，给定的直线位于第一象限中。

3.3PLC程序设计
运用PLC开发软件，依照控制系统完成工作流程，安装顺序控制三自由度的
滑台。

将其系统分为公共子程序、自动运行程序以及手动操作程序3个模块。

在
每个模块程序上都编写上号，使得结构简单、思路清晰，方便调试与改正。

4.系统测试结果
依照相应的控制系统宽肩，做好线性模组、电机、PLC、启停按钮、限位开关、电磁阀等安装步骤，从而完成PLC和各轴驱动器的连续。

通过初步调试，控制好
系统中XYZ三个方向精确点位运行，快速捕捉工件图像，将坐标发送给PLC，达
到抓取与放置动作。

结束语
综上所述，现代制造和生产应采取高度自动化生产线，用以减小人力资源成本，提升生产效率。

在PLC与步进电机驱动电路连续方式上，改进插补算法达到
三轴准确移动。

参考文献：
[1]张琳芳.环保节能砖的自动化生产线控制系统设计[J].广东石油化工学院学报，2018，28（06）：46-49+53.。