PLC技术在实训设备安防系统中的应用与研究.pdf

.113JournalofHarbinVocational&TechnicalCollege2023年第3 期哈尔滨职业技术学院学报PLC技术在实训设备安防系统中的应用与研究阎巍山，马乐，杨晓娜（哈尔滨职业技术学院，黑龙江哈尔滨150081)摘要：针对高等职业教育院校教学改革购置的智能化、大型化的实训设备，利用PLC技术设计开发的安防系统与安装完成的大型实训设备功能相结合，形成环绕实训设备周围的无形安全网，有利于保障参加实训学生因误入设备本体周边安全区出现的人身安全，也可防止因学生误入实训设备生产线工作区造成设备紧急停车，以保护设备安全。关键词：PLC技术应用；安防系统；保护人身安全中图分类号：TP212;G717文献标识码：A文章编号：1 0 0 8-8 9 7 0(2 0 2 3)0 3-0 1 1 3-0 3习近平总书记在十九大报告中对高等职业教育做出重要指示，教育部也对高等职业教育改革出台了一系列重要文件，各高职院校积极利用多种资金渠道，新购置的教学实训设备与我国工业发展规模与成就相适应，以期通过实训教学模式的改革，以服务地方经济为目标，加强学生顶岗实习教学、岗位技能实践训练、1+X证书资格等教学目标实施。绝大部分高职院校的教学方式从传统授课方式逐渐转向利用技能训练水平的自动化、智能化生产线教学设备，以立足于生产实践岗位的生产任务为导向进行实践教学，达到全面提高高职院校的综合实力、实践教学水平，以及提高服务于地方经济的本地就业率。同时，因为大量生产型实训设备的引人，这类设备占地面积大、生产线长，因设备体积的死角不便观察，也会带来实训学生的人身安全和精密实训设备的安全生产等问题。针对实训设备占地面积大、高度高、教学厂房设备安装密集、参加实训的学生人数较多的实训教学现状，通过设计与开发PLC技术相结合、独立于实训设备的安防系统，在设备周围划定隐形安全网，可以保护实训设备生产安全和正常工作节拍。一、PLC的工作原理（一）输入信号采样PLC的CPU模块、控制系统程序储存器，通过逐行扫描采集输人端口需要读取的数据和输人量状态，然后按照程序，将读取采样的结果储存到系统程序储存器相应的映象区单元。在一个输人信号采样周期结束后，PLC可执行完成用户编制完成的用户程序并进行刷新。在这个阶段可根据用户的实际需求修改输入数据。（二）用户程序的执行各品牌的PLC使用者，按照用户所编制的用户梯形图程序的控制顺序，从上至下、从左至右逐条逐段扫描、执行用户控制程序。根据用户编制的梯形图程序指令，在程序运行时，通过特定的逻辑运算或其他指令的运算，将运算结果随时存入系统程序储存器相应的内部继电器，然后刷新所对应的状态，并由此来确定是否需要执行相关的程序指令。（三）外部输出的刷新PLC的控制程序储存器在完成运行程序扫描以后，刷新输出继电器的工作状态。此时PLC的CPU模块根据控制程序储存器映象区的存储状态和具体收稿日期 2 0 2 2-1 1-0 3【作者简介 1.阎巍山（1 9 6 5），男，硕士，哈尔滨职业技术学院副教授，高级工程师，主要研究方向为机电一体化技术，城市轨道交通；2.马乐（1 9 8 1 一），男，研究生，哈尔滨职业技术学院机电工程学院副教授，研究方向为城市轨道交通，机电控制技术；3.杨晓娜（1 9 7 6 一），女，硕士，哈尔滨职业技术学院国有资产管理处副处长。【基金项目】哈尔滨职业技术学院校内一级课题“智能智栈系统实训室的安防系统设计与开发”（HZY2021ZY004）Journalof HarbinVocational&TechnicalCollege哈尔滨职业技术学院学报2023年第3 期.114.数据，锁存住所有的内部输出电路，然后用输出指令来驱动PLC外部输出程序。上述的输人采样一程序执行一输出刷新步骤是PLC可编程控制器工作的一个完整工作周期。在PLC工作运行用户程序时，将重复执行运行上述工作步骤。二、PLC控制技术的优点PLC控制技术相较于传统继电器一接触器电气控制技术具体有以下三个优点。（一）连续工作时间长，工作稳定性强，抗外界干扰能力优在现代的电气自动化生产过程中，PLC可编程控制器的CPU模块、控制程序存储器模块，通过采用大规模集成电路，PLC系统的整体运行可靠性得到明显提高。并且利用可编程控制器完备的监控程序设置，能够对PLC的硬件、软件、工作初始状态进行准确的自我检测，能够及时发现PLC的设备、用户控制程序运行故障，并通过面板上的LED闪烁等形式及时进行报警。大型生产企业在自动化生产过程中，对于输人输出基本是开关量状态的控制中广泛引人PLC控制设备，对有效降低循环性生产的差错率、提升整个生产过程准确控制效率提供了可靠的支撑。（二）运算功能强，设备维护易，单机功耗低经历了半个多世纪的飞速发展，以及各大品牌可编程控制器生产厂商无数次的技术升级，PLC控制技术无论软件技术还是硬件配置均已完善，足以满足实训设备安防系统正常运行的安装测试。在PLC控制程序存储器的数据运算、控制逻辑、用户控制程序运行等方面，更加便于使用者开发利用，更可靠地运用于实训设备安防系统安装、生产。在实训设备安防系统研发与应用过程中，因为可编程控制器的内部控制程序功能强大、用户编制程序简便，而且PLC的输人输出模块的VO端口装置有外部接线数量以字节排列，接口点位较少、标注清晰简单、利于实际接线。尤其是现代PLC技术可由上位机通过标准通讯数据线，与PLC系统存储器模块实现在线编程，广泛应用于小批量、可根据现场状况实时调节的实训设备。与传统继电器一一接触器方式控制电路设备相比较,PLC控制系统由较低能耗、相对简单设备组成，降低企业能源损耗，节约生产成本。（三）用户语言编程简单可编程控制器主要是用于进行顺序控制的工业控制器，他的用户编程语言简单易懂，主要以采用与传统继电器接触器控制电路图控制逻辑相同的一梯形图语言来编制控制程序，也可以利用相对简单的程序语言来编制，对于初学者来说易于上手、便于掌握，有利于PLC技术的普及应用。三、PLC在实训设备安防系统的应用(一）工作过程PLC是以微处理器为核心的顺序控制专用计算机，不但能使用各品牌可编程控制器专有的编程语言来编辑控制程序实现逻辑控制，还可以利用梯形图以直观的方式进行各种顺序控制、时序控制以及复杂的闭环控制。在输出端口采用的辅助继电器可以实现外部电路与PLC电气隔离方式的非接触式控制。PLC可以随时变更控制程序的高性能，具有耐用、出色的可重复的稳定性，在正确接地屏蔽、接线后强大的抗干扰功能，在灰尘、震动、电磁环境等恶劣环境下可以长期不间断运行，易于编程、故障自检功能强、维护工作量少。充分利用PLC的通讯接口和各种输入输出模块的特性，以在实训设备安防系统中完成各种控制任务，非常适合用于实训设备安防系统的实物检测、人体检测、声光报警输出功能。在此，重点关注在实训设备周围的安防系统输人信号的获得，以及通过外设PLC的输出端口与实训设备生产线整合成一体的具体实现（二）实实训设备安防系统PLC基本通信结构实训设备安防系统是根据实训设备的实训过程，在智能立体仓库的周围和传输交接单元周围，通过光电传感器和远红外传感器等检测控制设备而形成实训设备安防系统PLC的输入信号源，经过PLC处理模块逻辑运算输出。输出信号一方面经过处理，变成声光报警信号。另一方面，作为实训设备的控制系统输人端，与设备的紧急停车按钮输入信号是或的关系，实训设备生产线立刻暂停运行，以便实训指导教师或者生产线指导师傅及时排除生产线中断运行的故障，同时也及时提醒参加实训的学生尽快脱离实训设备生产安全区，保证学生的人身安全。因此，实训设备安防系统直接关系到参加实训活动学生的人身安全，也关系到实训设备作为一个完整的生产工作流程的生产安全和工作节拍是否准确。（三）实训设备安防系统PLC的硬件配置实训设备安防系统是独立于实训设备附加的、外置的安全控制系统，由电源、光电传感器、远红外传感器、PLC可编程控制器、LED频闪和蜂鸣器报警器等共同组成。每个单元都是相对独立，又都围绕PLC可编程控制器联系在一起。光电传感器、远红外传感器用于实时检测误人实训设备安全区的人或物。PLC可编程控制器则用于提供逻辑运算和控制。LED频闪和蜂鸣器报警器是当发生误人实训设备安全区的人或物时，PLC可编程控制器立刻输出报警信号，LED频闪和蜂鸣器报警器立刻发出灯光责任编辑：王威）.115.JournalofHarbinVocational&TechnicalCollege2023年第3 期哈尔滨职业技术学院学报闪烁并响起警报声，同时实训设备的生产线立刻中止运行。控制系统的结构框图如图所示。电源光电传感器检测信号，中止信号中止信号input-outputsInput.output远红外传感器检测信号产童报警安防设备。实训设备LD灯光报警PLCHPLC电源控制系统的结构框图四）实训设备安防系统功能的实现按照设计图纸全部设备安装完成以后，就可以进行功能的测试。首先利用梯形图进行安防设备外置PLC的控制程序编程。将实训设备安防系统外置PLC程序传输到可编程控制器中，将实训设备的PLC程序按照中止信号输入与紧急停车信号输人并联的程序修改完成，并通过测试。对已经安装完毕的外置安防系统PLC通电。对外部输人信号的远红外传感器检测元件和光电传感器检测元件的电源通电。并且要把远红外传感器和光电传感器的光焦点距离都已经调整到实际距离内。从实训设备立体仓库的顶端自由落体抛下一个工件或者一件工具，围绕布置在立体仓库周围的光电传感器检测元件，将会检测到有物体掉落时阻断光路通道，这时实训设备安防系统外置PLC输人端口的输人信号将会变为0，输出端口在控制程序的逻辑运算下变为1，也就是有信号输出，此时代表有工件从高处掉落，声音报警器开始动作发出警报声做模拟人员误人实训设备立体仓库周边安全区的实验。安排一个人走人立体仓库的安全工作区时，围绕布置在立体仓库周围的远红外传感器检测元件检测到有物体被感应后，就会输出一个信号给实训设备安防系统外置PLC的输入端口，此时输人信号就变为1。输出端口在控制程序的逻辑运算下变为1，也就是有信号输出，此时代表有人员进人了工作中实训设备立体仓库周边安全区，此时声音报警器和LED灯光报警器同时开始发出警报声和灯光信号，提示有物件从高处掉落或者有人员误人立体仓库的工作安全区。做模拟人员误人实训设备分栋单元与物料小车交接区周边安全区的实验。安排一个人进人分栋单元与物料小车交接区的周边安全区，围绕布置在分栋单元与物料小车交接区周围的远红外传感器检测元件检测到有物体被感应后，就会输出一个信号给实训设备安防系统外置PLC的输人端口，此时输入信号就变为1。输出端口在控制程序的逻辑运算下变为1，也就是有信号输出，此时代表有人员进入了工作中实训设备分栋单元与物料小车交接区周边安全区，此时声音报警器和LED灯光报警器同时开始发出警报声和灯光信号。此时这个输出信号也是作为实训设备PLC的输人信号使用的，当它变为1 时，实训设备PLC的控制程序输出端口的输出信号变为1，也就是发出了实训设备生产线的运行中止信号，则实训设备生产线立刻中止运行，保护了误人分栋单元与物料小车交接区周边安全区人员的人身安全，以及保护实训设备生产线的正常生产安全。四、结束语可编程控制器PLC实训设备安防系统在生产过程中的应用有着良好的防护效果，实训设备的生产线进行工序控制和定量生产都较为有效，以单位时间实训教学效果和安全生产时效形式显示出来，更方便后续的设备升级改造与调试。利用光电传感器检测技术和远红外传感器检测技术信号，作为外置安防系统PLC的输人信号，与实训设备PLC控制系统接口整合一体等技术创新手段，保证了教学实训设备的正常生产和工作安全，也保证了参加实训学生的人身安全。通过光电传感器检测技术和远红外传感器检测技术，在教学实训室大型设备周围划定了规定的隐形安全带，而且不会影响设备安装、工作场地周边其他设备的正常运行。【参考文献】1王德江.PLC集中控制系统在煤矿胶带输送机上的应用探讨 J.冶金丛刊，2 0 1 9,4（7）：8 3+9 4.2蒋平平，徐建新，张帅基于PLC的胶带输送机综合保护系统的研究J科学技术创新，2 0 2 0（1 5）：1 7 2-173.3于海滨.PLC技术在电气设备自动化控制中的应用J山东工业技术，2 0 1 9（0 0 1）：1 3 8.4 王琳，李欣，杨靖宇通信技术在PLC自动化中的应用 J.电子测试，2 0 1 9（1 3）：1 4 0.