西門子PLC在電氣控制中應(yīng)用淺談

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摘要：經(jīng)濟社會日漸進步的今天，電氣自動化控制技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域中得到了使用，克服了傳統(tǒng)人工控制的弊端，對加快企業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展具有重要的意義。但電氣自動化控制系統(tǒng)中，西門子plc控制技術(shù)的優(yōu)勢非常明顯，尤其是在立體倉庫數(shù)字孿生系統(tǒng)中，表現(xiàn)出了更好的適應(yīng)性、可靠性與抗干擾性?；诖?，本文詳細(xì)探析了立體倉庫數(shù)字孿生系統(tǒng)中西門子PLC控制技術(shù)的具體應(yīng)用，有效提升了控制的效率與精度，未來具有很大的技術(shù)發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：PLC；立體倉庫；數(shù)字孿生系統(tǒng)；應(yīng)用

伴隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)控制模式已經(jīng)悄然改變，尤其是在信息時代到來以后，機械生產(chǎn)的快速發(fā)展使得在控制領(lǐng)域越來越多地依賴于電氣自動化控制。電氣自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)了機械運動與信號處理的有效結(jié)合，實現(xiàn)了生產(chǎn)領(lǐng)域更精準(zhǔn)的控制。在很多領(lǐng)域，立體倉庫數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設(shè)給各種操作實踐提供了平臺支持，但這一系統(tǒng)中的西門子PLC控制必不可少，特殊的控制技術(shù)，給系統(tǒng)可靠運轉(zhuǎn)提供了技術(shù)支持。

1應(yīng)用實例

1.1系統(tǒng)概述

數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)中，具體包含了仿真模型、訓(xùn)練PLC、仿真驅(qū)動器等三大功能體系，這一系統(tǒng)的特殊構(gòu)成使得系統(tǒng)幾乎兼具了自動化實訓(xùn)設(shè)備的全部功能，當(dāng)學(xué)校受到場地、資金等條件限制難以人手一套自動化實訓(xùn)設(shè)備時，數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)，在每個學(xué)生的計算機中安裝了一套仿真模型，學(xué)生可以直接通過西門子PLC或者自動化控制系統(tǒng)完成接線、編程等實訓(xùn)作業(yè)，與實訓(xùn)基本上不存在任何的區(qū)別，取得了良好的實訓(xùn)教學(xué)成果。該3D仿真模型軟件的開發(fā)方面，以Unity3D開發(fā)平臺作為基礎(chǔ)，整個模型軟件的畫面清晰、生動逼真、動作流暢，與真實場景幾乎不存在任何的區(qū)別。Unity虛擬仿真系統(tǒng)在Unity3D虛擬現(xiàn)實引擎中搭建，最終所形成的Untity仿真系統(tǒng)在接口設(shè)計下有效保障了PLC數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪耘c高效性，完全達到了虛擬載體與實物的孿生動作。該Unity虛擬仿真系統(tǒng)建成投入運營以后，用戶使用電腦中的Unity3D虛擬仿真載體也就對設(shè)備實現(xiàn)了自動化的監(jiān)控、調(diào)節(jié)。在中、高職院校的虛擬實訓(xùn)載體、自動化設(shè)備PLC通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

1.2主要功能

該軟件系統(tǒng)兼具以下多種功能：（1）可以實現(xiàn)對上位機的信息化虛擬與仿真，經(jīng)由演示程序與軟件接口的設(shè)計與安裝，保障了上位機與下位機之間的良好通信與交互。（2）仿真模型中的各個模塊都是依據(jù)真實比例設(shè)計，無論是哪個模塊都具有數(shù)字孿生功能，運行機構(gòu)演示動作與功能都與I/O連接控制完全一致，正是這種虛擬仿真與現(xiàn)實的統(tǒng)一，使學(xué)生在實訓(xùn)過程中可以有效進行相應(yīng)的控制模擬與反饋。（3）仿真驅(qū)動器履行其數(shù)據(jù)采集功能，在IO輸入端的輔助下，實時獲得立體倉庫虛擬對象的輸出信息，并及時將這些信息傳輸給上位機仿真模型。

1.3控制過程

該立體倉庫的模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其中包含多個構(gòu)成要素，具體為入口輸送帶、龍門檢測機構(gòu)、可升降滾輪、輸送鏈條、X軸水平移動機構(gòu)、Y軸伸縮貨叉、Z軸升降機構(gòu)以及A、B、C三個立體倉庫。在利用西門子PLC開展控制作業(yè)的過程中，重點是要對立體倉庫中的堆垛機進行控制。根據(jù)西門子PLC系統(tǒng)的組成部分，西門子CPU1214CDC/DC/DC是核心構(gòu)成，其中，西門子V90、步進驅(qū)動器、西門子變頻器G120分別負(fù)責(zé)對Z軸升降機構(gòu)伺服驅(qū)動器、Y軸伸縮貨叉步進電機、X軸水平移動機構(gòu)電動機的控制。在立體倉庫堆垛機的運行中，在X軸水平移動機構(gòu)的運行控制方面，為閉環(huán)無極控制模式，為達到精準(zhǔn)控制的目的，一系列的控制作業(yè)開展是以激光測距儀的反饋距離、西門子變頻器與堆垛電機特性作為依據(jù)的，在這些前提下，經(jīng)由電機加速與減速特性曲線的調(diào)整來實現(xiàn)控制。在利用西門子變頻器G120開展調(diào)試作業(yè)時，包含以下控制方法：（1）結(jié)合實際的控制需求與目標(biāo)，從特定模塊中直接調(diào)用宏功能，效率更高，也便于西門子變頻器G120的功能實現(xiàn)。SINAMICSG120的最初設(shè)計階段，正是為了滿足各種接口的使用需求，定義了多種預(yù)定義接口宏，不同的宏下對應(yīng)的接線方式也有所不同，宏與接線方式存在著一一對應(yīng)的關(guān)系。在調(diào)試作業(yè)中，兩個固定轉(zhuǎn)速的控制方面，選用宏程序-雙方向兩線制的方式，在啟?？刂浦校冾l器直接利用兩線制控制，數(shù)字量輸入是電機啟停、旋轉(zhuǎn)控制的關(guān)鍵；在速度調(diào)節(jié)方面，數(shù)字量輸入選擇機制下，可以率先設(shè)定兩個固定轉(zhuǎn)速，不同的數(shù)字量輸入固定轉(zhuǎn)速有所不同。（2）標(biāo)準(zhǔn)報文1對電機的啟停與速度進行控制，在PROFINTPZD通訊方式下，將控制字1（STW1）和主設(shè)定值（NSOLL_A）周期性發(fā)送給變頻器，在此條件下，變頻器將狀態(tài)字1（ZSW1）和實際轉(zhuǎn)速（NIST_A）發(fā)送給西門子PLC中，如果發(fā)送的是控制字047E（16進制），則表示停車，反之，發(fā)送控制字047F（16進制）則代表的是正常啟動。但這種控制方式下，速度設(shè)定值要經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)化處理。伺服電機是控制立體倉庫堆垛機Z軸升降機構(gòu)的主體，再進一步細(xì)分，西門子伺服驅(qū)動器V90是控制系統(tǒng)中的核心。在整體設(shè)計中，PLC與V90之間的通訊任務(wù)達成可以經(jīng)由多種方式來實現(xiàn)。在V90伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)中，因為存在PROFINET接口，也就給用戶與PLC之間的通信與交互提供了支持，相比而言，這種控制設(shè)計和通訊方式下的實現(xiàn)較為簡單，完全滿足了系統(tǒng)運行和控制中的實時通信要求，無論采用的是外部脈沖位置控制、內(nèi)部位置控制還是速度、轉(zhuǎn)矩控制等方式，都可以達到較理想的控制效果。步進電機是控制堆垛機Y軸伸縮貨叉的關(guān)鍵要素，其控制任務(wù)是經(jīng)由步進驅(qū)動器來完成的，步進驅(qū)動器在執(zhí)行控制任務(wù)的實施中，實現(xiàn)了電脈沖向角位移的轉(zhuǎn)換。隨著系統(tǒng)的運行，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到脈沖信號的時候，系統(tǒng)中的控制模塊就會以給定的脈沖和方向作為基礎(chǔ)，旋轉(zhuǎn)固定的角度。在脈沖個數(shù)對角位移量進行控制的同時，也就提升了定位精度，當(dāng)然，經(jīng)由對脈沖頻率的有效控制，也就是實現(xiàn)了對電機轉(zhuǎn)動速度與加速度的精準(zhǔn)控制。堆垛機的控制主要包含以下流程：（1）在堆垛機接收到相應(yīng)的信號后，會立即以激光測距儀測量反饋的當(dāng)下位置信息作為判斷依據(jù)，在判斷的基礎(chǔ)上對變頻器的輸出功率進行適當(dāng)優(yōu)化。在X軸移動的同時，一旦其移動到與目標(biāo)值相近的位置，立即進入減速狀態(tài)并停止運轉(zhuǎn)，在此運行與控制過程中，依舊位移反饋值將電機的移動速度保持在合理范圍內(nèi)，始終保持堆垛機處于穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。（2）依據(jù)目標(biāo)倉位，在系統(tǒng)運行的同時及時輸入X軸運行位置、Y軸伸縮貨叉位置、Z軸升降機構(gòu)運行位置信息，當(dāng)這些信息輸入后，不斷與目標(biāo)位置值進行對比、分析，根據(jù)最終的分析結(jié)果來輔助控制決策，保障定位精度，提高控制水平。

2數(shù)字孿生系統(tǒng)在教學(xué)中的發(fā)展前景和優(yōu)勢

數(shù)字孿生系統(tǒng)是信息時代下的一種新興技術(shù)，在實訓(xùn)教學(xué)中，該系統(tǒng)的應(yīng)用完全可以通過數(shù)字孿生建模、數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理、數(shù)據(jù)驅(qū)動與模型融合，來發(fā)揮這一技術(shù)的優(yōu)勢。在當(dāng)前的研究領(lǐng)域，數(shù)字孿生系統(tǒng)的使用和研究日漸增多，這一技術(shù)有效實現(xiàn)了物理系統(tǒng)向信息空間數(shù)字化的映射，在系統(tǒng)中分布有各種類型的傳感器，這些傳感器在系統(tǒng)運行的同時，實現(xiàn)了物理實體的數(shù)據(jù)分析與建模，經(jīng)由一系列的仿真過程，處于物理系統(tǒng)中的各種要素和過程均可以在模型中直觀呈現(xiàn)出來，在傳感器的信息采集、系統(tǒng)通訊輔助下，數(shù)字孿生系統(tǒng)也就實現(xiàn)了多維物理實體數(shù)據(jù)的集成化，再加上數(shù)據(jù)分析與仿真模擬的存在，對物理實體的控制將更便捷與高效。數(shù)字孿生系統(tǒng)下的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測得以完成，因此，企業(yè)在利用數(shù)字孿生系統(tǒng)開展相應(yīng)工作的過程中，也就可以及時發(fā)現(xiàn)問題、處理問題，正是因為數(shù)字孿生系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，整個系統(tǒng)運行中的能耗大大降低，控制效率和水平有所提升，符合現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢。此外，一些企業(yè)使用了數(shù)字孿生系統(tǒng)后，有效實現(xiàn)了對設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗，因為數(shù)字孿生技術(shù)可以實現(xiàn)對生產(chǎn)線與生產(chǎn)設(shè)備運行狀態(tài)的全周期模擬，虛擬設(shè)計與虛擬運行下，設(shè)計產(chǎn)品的質(zhì)量更有所保障，這種虛擬過程，有效地實現(xiàn)了對預(yù)期行為與設(shè)計行為偏差的控制，對提高設(shè)計水平、控制設(shè)計成本具有重要的意義。與常規(guī)教學(xué)模式相比，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)突破了教學(xué)硬件條件的限制，完全可以滿足自動化實訓(xùn)設(shè)備的全部功能，學(xué)生經(jīng)由PLC與自動控制系統(tǒng)開展接線與編程訓(xùn)練，不僅可以開發(fā)相應(yīng)的教學(xué)資源，取得良好的教學(xué)效果，還在一定程度上節(jié)約了教學(xué)成本。

3結(jié)語

現(xiàn)階段，在經(jīng)濟社會發(fā)展中，西門子PLC得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在這些領(lǐng)域有效發(fā)揮了西門子PLC的技術(shù)優(yōu)勢，推進了電子控制自動化、智能化目標(biāo)的快速實現(xiàn)，對行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的意義重大。但西門子PLC應(yīng)用尚存在一些發(fā)展難題，在未來要注重技術(shù)創(chuàng)新，提升發(fā)展成果。

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[2]安太玉.西門子PLC在電氣控制中的應(yīng)用研究[J].南方農(nóng)機,2020,51(02):170.

作者:韋日禎 單位:廣西機電技師學(xué)院