摘 要： 本文針對自動沖飲機的設(shè)計要求，并結(jié)合目前自動控制的發(fā)展現(xiàn)狀，對自動沖飲機控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計進行了深入的討論，并提出了一種切實可行的三級監(jiān)控的系統(tǒng)設(shè)計方案。
關(guān)鍵詞： 自動控制；氣動；PLC
中圖分類號： TP273
1． 引言
自動沖飲機是中國科學(xué)技術(shù)館展示自動控制技術(shù)和氣動技術(shù)的一項展品，完整地展示了一杯飲料的自動沖調(diào)過程。參觀者可以在計算機上選出想要喝的飲料，自動沖飲機根據(jù)參觀者的選擇開始動作。先將杯子分離，在杯子中放入固體飲料，再將放入飲料的杯子根據(jù)參觀者的選擇注入冷水或熱水，然后將攪拌棒放入杯子，最后將杯子送到參觀者的面前。
自動沖飲機作為一項展品，它的主要作用就是向參觀者展示一套完整的自動化生產(chǎn)線及氣動控制技術(shù)的應(yīng)用。自動沖飲機主要有以下幾個設(shè)計要求：
展示性。自動沖飲機能夠通過飲料的自動沖調(diào)過程向參觀者展示自動化生產(chǎn)線所需的多種技術(shù)，如氣動技術(shù)、傳感器技術(shù)等。
全部自動控制。自動沖飲機要求全部采用自動控制，飲料沖調(diào)過程完全沒有人的影響。
多種傳動方式。為了全面展示自動化生產(chǎn)線，要求自動沖飲機有多種傳動方式，機構(gòu)復(fù)雜。
根據(jù)調(diào)研，目前國內(nèi)外還沒有這樣的展品，所以沒有可以向別人借鑒的地方，全部采用自主設(shè)計。
2． 自動沖飲機的控制系統(tǒng)硬件方案設(shè)計
根據(jù)自動沖飲機的展示要求、設(shè)計要求和它所實現(xiàn)的功能，自動沖飲機的主要部件選用德國FESTO公司的氣動產(chǎn)品，同時為了充分地展示自動化生產(chǎn)線，我們還選用了四通公司的步進電機等電動產(chǎn)品以實現(xiàn)靈活多樣的傳動方式。
自動沖飲機可以根據(jù)工序的不同劃分為幾個部分，如圖一所示，杯子由氣動落杯機構(gòu)開始，按照圖中序號的順序運行，直到自動安全門打開，送出一杯沖調(diào)好的飲料。
因為自動沖飲機采用了氣動和電動的執(zhí)行元件，而氣動元件全部由電磁閥進行控制，屬于典型的通斷控制，同時從空杯到?jīng)_調(diào)出一杯飲料的過程為順序控制，所以我們采用可編程邏輯控制器（PLC）作為主要控制元件。而系統(tǒng)還要求參觀者在一開始選擇所要喝的飲料，所以控制系統(tǒng)中包括客戶機，供參觀者使用。同時為了便于管理人員管理系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況，還為管理人員配置了一臺服務(wù)器。因此自動沖飲機采用三級監(jiān)控的系統(tǒng)控制方案，而不是通常所采用的兩級系統(tǒng)控制方案[1]?？刂葡到y(tǒng)包括一臺服務(wù)器，一臺客戶機和下位機（兩臺PLC）。服務(wù)器和客戶機之間采用網(wǎng)卡進行通訊，服務(wù)器作為管理級，主要用于生成、打印和管理客戶機登錄密碼，它面向于管理人員。客戶機與下位機之間通過RS232C串口進行通訊，客戶機作為用戶級，主要作用是通過與服務(wù)器之間的通訊驗證用戶輸入的密碼是否正確，如果正確則通過RS232C串口向下位機發(fā)送命令，啟動系統(tǒng)運行，并實時監(jiān)控下位機的狀態(tài)，它面向的是參觀者。下位機作為控制級，主要用于控制系統(tǒng)的運行過程，它面向的是控制過程。
圖一 自動沖飲機結(jié)構(gòu)圖
從圖一可以看出自動沖飲機安裝在兩塊底板上。如果自動線全部安裝在一塊底板上，會因底板過大過重而造成運輸困難，為了解決這個困難就必須將各部件的安裝工作全部在現(xiàn)場進行，這就必然增加現(xiàn)場安裝和調(diào)試的困難。而將自動沖飲機安裝在兩塊底板上可以縮短在現(xiàn)場的安裝和調(diào)試時間，因為在系統(tǒng)的運輸過程中不需拆卸安裝好的各種部件。
2.1 下位機
為了充分展示自動控制系統(tǒng)的控制過程，自動沖飲機的控制部分也全部安裝在底板上。因此下位機采用雙PLC并行模式，便于系統(tǒng)現(xiàn)場的安裝與調(diào)試，第一塊底板上裝有一個日本三菱公司的FX2N-64MR型可編程控制器，第二塊底板上安裝FX2N-80MR型可編程控制器。FX2N系列可編程控制器外觀小巧、大方，且具有高速處理、簡便的應(yīng)用指令群、豐富的可擴展設(shè)備、可靠性高等特點。每個PLC還配有一個通訊用的擴展模塊FX0N-485ADP和一個轉(zhuǎn)換板FX2N-CNV-BD，一個從485到232轉(zhuǎn)換模塊FX-485PC-IF。下位機控制系統(tǒng)的運行過程，兩個PLC之間采用并行連接，可以相互通訊完成自動沖飲機的整個控制過程。
2.2 客戶機
自動沖飲機是中國科學(xué)技術(shù)館的一項展品，現(xiàn)場工作環(huán)境與工廠的工作環(huán)境不同，沒有各種干擾，因此選用聯(lián)想公司的先鋒系列電腦，并配有19吋SAMSUNG公司的顯示器以增強顯示效果?？蛻魴C的主要功能有：① 驗證用戶輸入密碼的正確性；② 發(fā)出系統(tǒng)啟動命令；③ 實時監(jiān)控下位機狀態(tài)；④ 客戶機與下位機、客戶機與服務(wù)器之間的通訊管理；⑤ 能夠?qū)崟r顯示故障報警畫面；⑥ 手動操作系統(tǒng)各部件的單獨動作。
2.3 服務(wù)器
服務(wù)器也選用聯(lián)想公司的先鋒系列電腦。服務(wù)器的主要功能有：① 生成和管理用戶密碼；② 打印生成的用戶密碼；③ 實時刪除已用過的用戶密碼；④ 添加和修改管理員密碼。
3． 自動沖飲機的控制系統(tǒng)軟件方案設(shè)計
3.1 客戶機和服務(wù)器的軟件設(shè)計
客戶機采用bbbbbbs 98操作系統(tǒng)，服務(wù)器采用bbbbbbs 2000操作系統(tǒng)?？蛻魴C和服務(wù)器全部采用微軟的Visual Basic 5.0作為編程工具?？蛻魴C通過其軟件的底層查詢實現(xiàn)與下位機和服務(wù)器的實時通訊。具體控制過程如圖二所示。設(shè)計思想與數(shù)控軟件的設(shè)計思想[2]基本一致。
3.2 下位機軟件設(shè)計
系統(tǒng)的下位機（PLC）程序采用模塊化編程方法實現(xiàn)。將系統(tǒng)程序按照工序流程分為幾個模塊，每個模塊是一個單獨的程序，最后將這些程序合成起來就是整個系統(tǒng)的程序。模塊化編程必須要考慮清楚該模塊有哪些輸入輸出，一旦確定了模塊的輸入輸出，在該模塊調(diào)試完成后就可以正確使用而不必考慮整個系統(tǒng)的狀態(tài)。為了簡化PLC程序，便于程序調(diào)試，在模塊內(nèi)部采用步進階梯指令進行編程。
按照自動沖飲機的工作流程將第一塊底板上的PLC程序分為：①落杯裝置（包括氣動落杯機構(gòu)和柱坐標機器手）和②直線機構(gòu)（包括直線推杯機構(gòu)和前四個料倉）兩個模塊，將第二個底板上的PLC程序分為：③步進機構(gòu)（包括氣動步進機構(gòu)和第5、6、7、8料倉）、④鏈條機構(gòu)（包括鏈條撥動機構(gòu)和第9、10料倉）、⑤立式取杯機械手、⑥旋轉(zhuǎn)平臺（包括水平旋轉(zhuǎn)平臺和自動注水機構(gòu)）、⑦自動取棒機構(gòu)和⑧自動安全門等六個模塊。系統(tǒng)采用模塊化編程既保證了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，也完滿地解決了多個杯子在系統(tǒng)中同時運行的問題，縮短了系統(tǒng)單杯運行時間，提高了系統(tǒng)的利用率。
4． 結(jié)束語
該系統(tǒng)充分利用了PLC體積小、功能強、可靠、通用、易維護的特點實現(xiàn)下位機控制系統(tǒng)，并利用計算機實現(xiàn)方便的人機交互界面和網(wǎng)絡(luò)化管理，組成了一套完整的三級控制系統(tǒng)，完滿地完成了系統(tǒng)的設(shè)計要求。
參考文獻
1．黃友銳、魏慶農(nóng)、趙曉東、軒傳吳、江平、丁斌，PLC和IPC組成的新型成纜機控制系統(tǒng)，電子與自動化，2000年，第1期，p14-16
2．潘亞東、左力、葛旭海、金有道，數(shù)控銑磨床控制系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計方案初探，武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1994年，第16卷，第2期，p91-97
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