西门子6ES7321-7BH01-0AB0性能参数
从PLC控制系统与电器控制系统比较可知，PLC的用户程序（软件）代替了继电器控制电路（硬件）。因此，对于使用者来说，可以将PLC等效成是许许多多各种各样的“软继电器”和“软接线”的集合，而用户程序就是用“软接线”将“软继电器”及其“触点”按一定要求连接起来的“控制电路”。
为了更好的理解这种等效关系，下面通过一个例子来说明。如图1所示为三相异步电动机单向起动运行的电器控制系统。其中，由输入设备SB1、SB2、FR的触点构成系统的输入部分，由输出设备KM构成系统的输出部分。
图1 三相异步电动机单向运行电器控制系统
a）主电路 b）控制电路
如果用PLC来控制这台三相异步电动机，组成一个PLC控制系统，根据上述分析可知，系统主电路不变，只要将输入设备SB1、SB2、FR的触点与PLC的输入端连接，输出设备KM线圈与PLC的输出端连接，就构成PLC控制系统的输入、输出硬件线路。而控制部分的功能则由PLC的用户程序来实现，其等效电路如图2所示。
图2 PLC的等效电路
图中，输入设备SB1、SB2、FR与PLC内部的“软继电器”X0、X1、X2的“线圈”对应，由输入设备控制相对应的“软继电器”的状态，即通过这些“软继电器”将外部输入设备状态变成PLC内部的状态，这类“软继电器”称为输入继电器；同理，输出设备KM与PLC内部的“软继电器”Y0对应，由“软继电器”Y0状态控制对应的输出设备KM的状态，即通过这些“软继电器”将PLC内部状态输出，以控制外部输出设备，这类“软继电器”称为输出继电器。
因此，PLC用户程序要实现的是：如何用输入继电器X0、X1、X2来控制输出继电器Y0。当控制要求复杂时，程序中还要采用PLC内部的其它类型的“软继电器”，如辅助继电器、定时器、计数器等，以达到控制要求。
要注意的是，PLC等效电路中的继电器并不是实际的物理继电器，它实质上是存储器单元的状态。单元状态为“1”，相当于继电器接通；单元状态为“0”，则相当于继电器断开。因此，我们称这些继电器为“软继电器
基于PLC控制的气动物料搬运系统的研制
本文先容了采用气动元件的物料搬运系统的结构、气动系统及其PLC控制系统。物料的搬运方式具有可抓可吸的多用途功能；气动系统电磁换向阀采用汇流板集装方式，减少了占用空间；PLC控制具有单步、自动等多种工作方式。
由于气压传动具有气源使用方便、不污染环境、动作灵活迅速、工作安全可靠、操纵维修简便以及适于在恶劣环境下工作等特点，因而在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温环境下作业，机床上、下料，仪表及轻工行业中小零件的输送和自动装配等作业，食品包装及输送，电子产品输送、自动插接，弹药生产自动化等过程中被广泛应用。所以气压传动是一种易于推广普及的实现产业自动化的应用技术。气动系统的应用，引起了产业界的普遍重视，气动行业已成为产业国家发展速度快的行业之一。
作为气动系统的控制装置目前多数采用可编程控制器（PLC）。可编程序控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，其可靠性好，操纵简便。在实际应用中，控制系统很轻易实现。一般是由受控设备的动作顺序和工艺要求，构成工步状态表，形成梯形图，再编制PLC指令。
一、物料搬运系统结构设计
物料搬运系统原理图如图1所示。该系统由左右移动气缸1、复位进退气缸2、升降气缸3、夹手或真空吸盘4、物料块5、传感器6、圆柱导轨7、支架8、底座9、微动开关10等组成。夹手或真空吸盘4可以夹住或吸住物料块5，抓取物料的部分采用夹持式和吸附式两种形式，选用不同的形式，可分别完成工件的抓取和吸附，以适应不同种类的物料搬运。夹手采用电磁铁吸合与断开方式夹持物料。夹手或吸盘在升降气缸3的作用下可以上下移动；夹手或真空吸盘连同升降气缸在左右移动气缸1的作用下沿着圆柱导轨可以左右移动；在复位进退气缸2的作用下将物料块送回原始位置，为下一个工作周期预备，以实现循环。此系统能够实现物料在一个平面内的搬运。左右移动行程为300mm，上下移动行程为80mm，根据行程选择不同的气缸，气缸1、2行程为300mm，气缸3行程为80mm。气缸选用法兰式安装。为了防止工件偏移，在左右移动气缸1运动路径两边安置导向圆柱导轨7，将圆柱导轨用螺钉固定在支架8上；支架用螺栓固定在底座9上。
图1 物料搬运系统原理图
在左右移动气缸1的缸体上安装了两个磁性开关6用于左右极限位置检测；在底座上安装了一个微动开关10用于物料块下限位置检测。
操纵面板安装在电控箱上，与实验装置主体是分离的。PLC可编程序控制器，电磁阀，真空发生器等均放置在电控箱里。
二、气动系统设计
气动原理图如图2所示。
图2 气动原理图
气源出来的气体经过二联件处理后进进到汇流板。通过相应的电磁换向阀可进进气动执行元件，分别驱动气缸1的左右移动、气缸2的推料动作、气缸3的上升下降运动、吸盘4的抓料和松料动作。整个气动系统的3个气缸全部采用出气节流调速；电磁阀采用3个二位五通阀和1个二位二通阀。选用集装式电磁换向阀，将所有电磁换向阀由汇流板集装在一起，以减小占用空间。
三、程序流程图及软件设计
实现功能。物料搬运系统具有左右移动、上下移动及对物料的夹紧和放松、推料进退功能，在PLC控制下可实现单步、自动等多种工作方式。另外，物料被夹手搬运完成以后，为满足连续动作需要，还必须将此物料运送回原点位置，以供下次搬运需要。系统可完成的各种工作方式如下。
单步：可实现“上升”，“下降”，“左移”，“右移”，“夹紧”，“放松”，“推料进”，“推料退”等八种点动操纵；
连续：按下“启动”按钮后，夹手从原点位置开始连续不断地执行搬运物料的个步。
根据上述任务，先设计主程序框图，如图3所示。
图3 主程序框图
物料搬运系统实现的动作：下降→抓料→上升→右移→再下降→松料→再上升→左移→推料进→推料退。
在这个系统中，我们只实现一个物料的循环动作，故在机械手回原点后，需将物料推回原来位置。
在PLC控制下可实现单动、连续动作工作方式。
系统上电后，通过旋转按扭选择是单动还是连动，假如是单动则执行单动程序，否则执行连动程序。
单动工作方式：利用按钮对夹手每一动作单独进行控制。
连续：按下启动按钮，夹手从原点开始，按工序自动循环工作，直到按下停止按钮，夹手在完成后一个周期的工作后，返回原点，自动停机。如图4所示。
图4 连续动作顺序流程图
四、结论
基于PLC控制的物料搬运系统能够实现物料的自动循环搬运。此系统既可以使用夹手夹持物料，又可以使用真空吸盘吸附物料，具有多种用途功能；气动系统的电磁换向阀采用汇流板集装，减少了占用空间；在PLC的控制下可以实现单动和连动两种执行方式，完成物料的搬运。
基于PLC的物料定量给料系统的设计
摘要：针对传统控制中存在的自动化程度低的题目，开发研制了基于PLC的PID控制算法的物料定量给料系统计量装置，阐述了该控制系统的结构及PLC的硬件组成;根据工艺过程的技术要求，从控制系统的硬件配置到应用程序的设计，系统地考虑了产业物料定量给料过程的实际情况。应用结果表明该系统性能稳定、运行可靠、人机界面直观灵活，控制系统实现的各项功能均满足工艺要求，取得了良好的应用效果。
关键词：配料系统 计量装置 可编程控制器 变频
引言
在生产领域中，各种原料之间的配比精度对生产过程的稳定和产品的质量、产量有重要的影响。定量给料系统已广泛应用于水泥建材、冶金化工、电力煤炭等行业粉体连续输料的流量丈量与定量给料的产业环节，如水泥厂人窑煤粉的定量给料及输送就是一个典型的例子，其供料过程中的稳定性、均匀性等题目是影响计量精度的主要因素。由于它用途广泛，对进步给料系统的自动化程度就有着重要的现实意义。
本文 的 物 料定量给料系统是根据国内外智能配料系统的发展状况和趋势，结合企业提出的具体要求的基础上设计的配料系统计量装置;它采用可编程序控制器作为整个控制系统的核心，具有原理先进、结构简单、给料均匀可靠、丈量正确等特点。
1 系统结构及设计
可编程控制器在机电一体化产品中应用范围极广，其主要特点是:工作可靠、可与产业现场信号直接输人输出连接、组合灵活、编程轻易、安装简单、维修方便、运行迅速，为继电器逻辑控制所瞠乎其后。
该计量装置控制对象和参数多，工作条件恶劣，且要求具有一定的治理功能，为进步系统的可靠性，便于维护 ，拟采用以可编程控制器为核心，以触摸屏计算机作为交互界面，配以各种输人输出专用模块和专用信号调理电路组成一个完整的控制系统。系统总体结构如图1所示。
图1 系统总体结构框图
1.1 系统测控时序
系统测控时序图[3」如图2所示。系统在料位低点①时，控制输出装料天生指令，装料阀接受打开指令后打开，系统进人体积给料期。经过一个时间延迟后，装料阀全部打开，并发出装料阀全开反馈信号给控制系统，经过一个设定的时间延迟后，硫化空气打开，系统进人快速加料阶段。当物料加到料位高点④时，称重系统检测到料斗满料信号而输出装料阀封闭指令，装料阀接受指令开始封闭，系统运行到装料阀全关点⑤时，输出蝶阀封闭信号，到此系统装料过程结束，进人出料阶段。经过一段稳定时间后系统运行到重量给料开始点⑥，此时体积给料结束，系统进人到重量给料阶段，丈量和控制周期开始，持续到给定的下一个料位低时，系统又发出装料控制的指令。以此循环交替进行给料作业。
图2 控制系统时序图
图2中，在点②处装料阀全开、点③处硫化空气阀打开①-⑤为系统加料周期，同时装料和出料;⑤-①为出料周期，系统只有出料;①-⑥为体积丈量方式，此时出料量只是速度控制;⑥-①为重量丈量方式，丈量和控制的阶段。
1.2 计装置电气控制系统
计量装置电气控制系统由上位机系统和下位机系统两部分构成。
1.2.1 上位机系统
触摸屏计算机作为上位机，主要实现监视控制级和治理级的功能。及时处理用户的输人指令并显示运行信息。由于触摸屏计算机自带了与PLC通讯的功能，而不用编写专用的通讯程序，只要设计良好的界面，使用十分方便。
1.2.2 下位机系统
下位机系统主要由以下几部分组成:
① 可编程控制器。可编程控制器是下位机系统的控制中心，一方面担负着与上位机的通讯功能;另一方面根据上位机的指令，控制各执行机构的动作。考虑到系统的负载情况和控制的需要，选用了三菱公司的FR -540 -5.5K-CH的变频器。其输出额定功率为9.1 kV，适应的电机为5.5 kW。控制方式为柔性PWM (V/F控制)。运行频率的输出控制由模拟量进行(0一5 V)，此模拟量值由PLC的2D/A模块给定。
② 接收调理电路。接收现场传送来的差分信号并将其转换成开关信号后送给PLC的高速计数器计数。
③ 转速检测模数转换电路。将电机运行的速度转换成数字量送给PLC。
④ 电参数检测功能模块。将电机运行的电流、功率、效率等转换成数字量并经铭5接口送给PLC和上位机。
⑤ 数模转换功能模块。将经PLC计算后的转速控制数据转换成模拟信号送给变频器以控制下料电机的转速，从而达到给料量控制的目的。
⑥ 重量检测模块。称重传感器是传统的电阻应变式压力传感器，采用的是ET一3型压力传感器。但其输出范围只有0一21.6 m V(供电电压为直流12V ),输出电阻为351 Sl，无法直接采样进行A/D变换。采用了AD623芯片将此信号放大50倍。
1.3 机械本体与机电接口
现场 部 分 主要是机电一体化的执行机构，主要包括机械本体、动力部分、丈量传感部分、执行机构、驱动部分等要素，各要素之间通过接口相联系。
① 加料电磁阀及蝶阀。由PLC的输出继电器的闭、合，来控制加料电磁阀的通断，通过该执行机构实现料斗中物料间隙自动加人。
② 丈量传感部分。对系统运行中所需要的重量信息进行检测，变成电信号，经信号调理电路处理后以差分信号发送到控制室。
③ 粉料输送螺旋及驱动机构。它是系统的主要执行机构，通过它的运行，实现物料的进给。该螺旋主轴以变频电动机为动力，通过一级摆线针轮减速器减速后拖动主轴运行，变频电动机的运转速度由变频器控制。
④ 粉料压实及驱动机构。它是系统物料的主要执行机构，通过它的运行，实现物料的压实。该机构以电动机为动力，通过二级摆线针轮减速器减速后拖动压料机构运行。
2 可编程控制器PID算法[5]
PID 控 制 具有原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒性强等特点，计量装置利用PLC的控制计算能力取代模拟调节器，直接通过数字运算，使被调量保持在给定值。系统PID算法如下:
式中:EVn为当前偏;Dn为微分运算值;EVn-1为前一次偏差;Dn_1为上一次微分运算值;SV为设定值;KP为比例常数;PVn为当前采样值;α为输人滤波常数;PVnf为当前滤波输人值;Ts为采样时间;PVnf-2为前一次当前滤波输人值;T1为积分时间;PVnf-2为前二次当前滤波输人值;Td为微分时间;△MV为操纵值的变化;KD为微分增益;MVn为当前输出操纵值。
当前滤波器输进值PVnf大于设定值时，执行正作用PID算法，反之执行反作用PID算法。
PID指令的很多参数都可以由用户根据自己的需要设置或设定，从控制开始到PID循环达到装置控制要求的困难是找到一个好的控制起始点。调节PID值时一定要保证操纵的安全性，以避免对设备的损坏。对FX2 N系列PLC可以进行预调节以便为PID控制过程快速赋初值。一个简单的方法就是每次改变固定比例的参数值，如每次增加或减少10%。
3 结束语
计量装置根据人机工程学的原理进行计量装置界面设计，采用彩色液晶显示和专门的机柜设计，以保证操纵的方便和正确;以PLC为控制中枢，以螺旋输送等为物料的推进器，配以相关的执行驱动器件，使系统可自动运行。整个系统给料量进行闭环控制，采用面向对象的编程方法，和面向过程的编程方法相结合，进行优化的接口和流程设计，可以方便地进行功熊扩展;并且具有远程通讯接口，在需要时可以组成网络，以适应工厂现代化发展的需要，配料精度达到0.5%级。该装置已在企业应用，运行状况良好。