自动冲饮机的控制系统方案设计

摘  要：  本文针对自动冲饮机的设计要求，并结合目前自动控制的发展现状，对自动冲饮机控制系统的硬件和软件设计进行了深入的讨论，并提出了一种切实可行的三级监控的系统设计方案。
关键词：  自动控制；气动；PLC
中图分类号： TP273
1． 引言
       自动冲饮机是中国科学技术馆展示自动控制技术和气动技术的一项展品，完整地展示了一杯饮料的自动冲调过程。参观者可以在计算机上选出想要喝的饮料，自动冲饮机根据参观者的选择开始动作。先将杯子分离，在杯子中放入固体饮料，再将放入饮料的杯子根据参观者的选择注入冷水或热水，然后将搅拌棒放入杯子，最后将杯子送到参观者的面前。
      自动冲饮机作为一项展品，它的主要作用就是向参观者展示一套完整的自动化生产线及气动控制技术的应用。自动冲饮机主要有以下几个设计要求：
  展示性。自动冲饮机能够通过饮料的自动冲调过程向参观者展示自动化生产线所需的多种技术，如气动技术、传感器技术等。
 全部自动控制。自动冲饮机要求全部采用自动控制，饮料冲调过程完全没有人的影响。
 多种传动方式。为了全面展示自动化生产线，要求自动冲饮机有多种传动方式，机构复杂。
根据调研，目前国内外还没有这样的展品，所以没有可以向别人借鉴的地方，全部采用自主设计。

2． 自动冲饮机的控制系统硬件方案设计
        根据自动冲饮机的展示要求、设计要求和它所实现的功能，自动冲饮机的主要部件选用德国FESTO公司的气动产品，同时为了充分地展示自动化生产线，我们还选用了四通公司的步进电机等电动产品以实现灵活多样的传动方式。
        自动冲饮机可以根据工序的不同划分为几个部分，如图一所示，杯子由气动落杯机构开始，按照图中序号的顺序运行，直到自动安全门打开，送出一杯冲调好的饮料。
       因为自动冲饮机采用了气动和电动的执行元件，而气动元件全部由电磁阀进行控制，属于典型的通断控制，同时从空杯到冲调出一杯饮料的过程为顺序控制，所以我们采用可编程逻辑控制器（PLC）作为主要控制元件。而系统还要求参观者在一开始选择所要喝的饮料，所以控制系统中包括客户机，供参观者使用。同时为了便于管理人员管理系统，监控系统的运行情况，还为管理人员配置了一台服务器。因此自动冲饮机采用三级监控的系统控制方案，而不是通常所采用的两级系统控制方案[1]。控制系统包括一台服务器，一台客户机和下位机（两台PLC）。服务器和客户机之间采用网卡进行通讯，服务器作为管理级，主要用于生成、打印和管理客户机登录密码，它面向于管理人员。客户机与下位机之间通过RS232C串口进行通讯，客户机作为用户级，主要作用是通过与服务器之间的通讯验证用户输入的密码是否正确，如果正确则通过RS232C串口向下位机发送命令，启动系统运行，并实时监控下位机的状态，它面向的是参观者。下位机作为控制级，主要用于控制系统的运行过程，它面向的是控制过程。
 

图一  自动冲饮机结构图

       从图一可以看出自动冲饮机安装在两块底板上。如果自动线全部安装在一块底板上，会因底板过大过重而造成运输困难，为了解决这个困难就必须将各部件的安装工作全部在现场进行，这就必然增加现场安装和调试的困难。而将自动冲饮机安装在两块底板上可以缩短在现场的安装和调试时间，因为在系统的运输过程中不需拆卸安装好的各种部件。
2.1 下位机

      为了充分展示自动控制系统的控制过程，自动冲饮机的控制部分也全部安装在底板上。因此下位机采用双PLC并行模式，便于系统现场的安装与调试，第一块底板上装有一个日本三菱公司的FX2N-64MR型可编程控制器，第二块底板上安装FX2N-80MR型可编程控制器。FX2N系列可编程控制器外观小巧、大方，且具有高速处理、简便的应用指令群、丰富的可扩展设备、可靠性高等特点。每个PLC还配有一个通讯用的扩展模块FX0N-485ADP和一个转换板FX2N-CNV-BD，一个从485到232转换模块FX-485PC-IF。下位机控制系统的运行过程，两个PLC之间采用并行连接，可以相互通讯完成自动冲饮机的整个控制过程。

2.2 客户机

        自动冲饮机是中国科学技术馆的一项展品，现场工作环境与工厂的工作环境不同，没有各种干扰，因此选用联想公司的先锋系列电脑，并配有19吋SAMSUNG公司的显示器以增强显示效果。客户机的主要功能有：① 验证用户输入密码的正确性；② 发出系统启动命令；③ 实时监控下位机状态；④ 客户机与下位机、客户机与服务器之间的通讯管理；⑤ 能够实时显示故障报警画面；⑥ 手动操作系统各部件的单独动作。
2.3 服务器

       服务器也选用联想公司的先锋系列电脑。服务器的主要功能有：① 生成和管理用户密码；② 打印生成的用户密码；③ 实时删除已用过的用户密码；④ 添加和修改管理员密码。

3． 自动冲饮机的控制系统软件方案设计
3.1 客户机和服务器的软件设计

        客户机采用Windows 98操作系统，服务器采用Windows 2000操作系统。客户机和服务器全部采用微软的Visual Basic 5.0作为编程工具。客户机通过其软件的底层查询实现与下位机和服务器的实时通讯。具体控制过程如图二所示。设计思想与数控软件的设计思想[2]基本一致。

3.2 下位机软件设计

         系统的下位机（PLC）程序采用模块化编程方法实现。将系统程序按照工序流程分为几个模块，每个模块是一个单独的程序，最后将这些程序合成起来就是整个系统的程序。模块化编程必须要考虑清楚该模块有哪些输入输出，一旦确定了模块的输入输出，在该模块调试完成后就可以正确使用而不必考虑整个系统的状态。为了简化PLC程序，便于程序调试，在模块内部采用步进阶梯指令进行编程。
        按照自动冲饮机的工作流程将第一块底板上的PLC程序分为：①落杯装置（包括气动落杯机构和柱坐标机器手）和②直线机构（包括直线推杯机构和前四个料仓）两个模块，将第二个底板上的PLC程序分为：③步进机构（包括气动步进机构和第5、6、7、8料仓）、④链条机构（包括链条拨动机构和第9、10料仓）、⑤立式取杯机械手、⑥旋转平台（包括水平旋转平台和自动注水机构）、⑦自动取棒机构和⑧自动安全门等六个模块。系统采用模块化编程既保证了系统运行的稳定性，也完满地解决了多个杯子在系统中同时运行的问题，缩短了系统单杯运行时间，提高了系统的利用率。

4． 结束语
        该系统充分利用了PLC体积小、功能强、可靠、通用、易维护的特点实现下位机控制系统，并利用计算机实现方便的人机交互界面和网络化管理，组成了一套完整的三级控制系统，完满地完成了系统的设计要求。

参考文献
1．黄友锐、魏庆农、赵晓东、轩传吴、江平、丁斌，PLC和IPC组成的新型成缆机控制系统，电子与自动化，2000年，第1期，p14-16
2．潘亚东、左力、葛旭海、金有道，数控铣磨床控制系统硬件及软件设计方案初探，武汉工业大学学报，1994年，第16卷，第2期，p91-97