2021年11月24日
“智能工厂”的发展为制造商提出了新的方向。厂家需要清楚地掌握生产和销售过程，使生产过程更容易控制，减少对生产线的人工干预，及时正确地收集生产线数据，使生产调度和计划更加合理。
这些都对提高制造商的竞争力和生产力至关重要。
图1:智能工厂场景
虽然工厂主要是通过信息通信技术(ICT)实现智能化，但严酷的高低温环境操作可能会影响网络。此外，还要求防水防尘、防磁、防爆、耐腐蚀。
因此，其可靠性和耐久性必须更高。网络主要应用于工业现场的监控和通信功能，为工厂自动化、机器在线、环境及远程监控、数据传输等自动化控制提供解决方案。
其中，工厂自动化可以从生产过程自动化、生产线自动化、测试自动化、存储自动化、电源管理自动化发展到无人机工厂。
为了实现生产自动化，我们可以在PLC和人机界面的辅助下，利用接近传感器和编码器等检测器。
KOYO SEIKO作为日本四大轴承制造商之一，拥有世界顶级的生产和管理设备。本集团生产五类工厂自动化产品，包括PLC、人机界面、光电传感器、编码器、凸轮控制器，可用于包装分级输送带控制系统。
图2:工厂自动化场景与装配线。
1.PLC在工厂自动化中的应用
作为现代工业生产设备，有大量的数字和模拟控制装置，如控制电机的启动和停止，电磁阀的启闭，产品的计数，以及控制和设置温度、压力和流量的装置等。PLC技术是解决上述问题最有效、最方便的工具，因此在工业控制领域得到了广泛的应用。
目前，PLC已广泛应用于全球钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、纺织、交通运输、环保、文化娱乐等行业。
图3:Koyo PLC c0-01dr-d
1.1开关值的逻辑控制
这是PLC最基本和最广泛的应用。它取代了传统的继电器电路，实现了逻辑和顺序控制。可用于单台或多台设备及自动化流水线的控制。应用于注塑机、印刷机、订书机、组合机床、磨床、包装生产线、电镀生产线等。
1.2模拟控制
在工业生产过程中，有很多连续变量，如温度、压力、流量、液位、速度等，这些都是模拟变量。为了解决这些问题，必须实现模拟和数字之间的A / D和D / A转换。PLC厂家生产配套的A / D和D / A转换模块，使PLC用于模拟控制。
1.3运动控制
PLC可应用于圆周运动或直线运动的控制。在控制机构的配置上，早期采用开关I / O模块与位置传感器和执行器直接连接，现在普遍采用专用的运动控制模块。这些是单轴或多轴位置控制模块，可以驱动步进电机或伺服电机。
世界各大PLC厂家几乎都生产了具有运动控制功能的产品，并广泛应用于机械、机床、机器人、电梯等场合。
1.4过程控制
过程控制是指温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。PLC作为工业控制计算机，可以对各种控制算法进行编程，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中广泛使用的一种调节方法。大中型PLC都有PID模块，很多小型PLC也有这个功能模块。PID处理一般都要运行专门的PID子程序。过程控制广泛应用于冶金、化工、热处理和锅炉控制等领域。
1.5数据处理
现代PLC具有数学运算(包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传输、数据转换、排序、查表、位运算等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值进行比较，从而完成一定的控制操作。它们还可以通过通信功能传输到其他智能设备上，或者可以打印和制表。
数据处理一般应用于大型控制系统，如无人柔性制造系统;也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品等行业的一些大型控制系统。
1.6通信与组网
PLC通信包括PLC与其他智能设备之间的通信。随着计算机控制技术的发展，工厂自动化网络的发展十分迅速。各PLC厂家都非常重视PLC的通信功能，纷纷推出了自己的网络系统。最近生产的PLC有通讯接口，通讯非常方便。
2.工厂自动化中的HMI
人机界面(HMI)是一种允许用户与机器或自动化系统进行通信的设备或软件。HMI不仅可以将复杂的数据转换为有用的信息，还可以传递命令。通过提供信息、警报、命令和其他工具，HMI将用户连接到受控流程。
因此，人机界面的适应性越强，响应就越合适。人机界面是否直观、易操作在一定程度上决定了系统的成本效益。
在包装运输系统中，使用接近开关检测在线物品，然后将信息传递给PLC，使用凸轮控制器和绝对编码器进行密封和粘接。然后利用传感器和PLC进行贴标和打印，再将编码器与传感器和PLC相结合进行分类运输。HMI更能连续监控生产线，并随时调整智能PID，最大限度地减少人力。
在工厂自动化领域，基于PLC稳定、安全的特点，强大的网络系统可以快速、准确地将信息发回控制中心，实现无人智能控制，高效节能减碳，平均节约水电人员15% ~ 30%以上。
接下来，我们将以某大型浮法玻璃生产线冷端切割区控制系统为例，介绍人机界面在PLC工业控制系统中的应用。
图4:工厂自动化中的HMI屏幕
2.1人机界面与PLC的通信
人机界面应用于PLC控制系统时，人机界面与PLC之间的通信是通过串口直接连接实现的。在此模式下，HMI可以直接读取PLC的数据，也可以根据需要将数据写入PLC对应的地址。由于内置了通信协议，无需编写通信程序。只要指定PLC的类型，即通信协议，就可以在运行时实现通信。因此，大大减轻了PLC用户程序的负担。
在系统设计时，直接规定了控制单元及其对应PLC的输入/输出(I / O)、寄存器(R)和中间寄存器(m)的地址。系统运行时，人机界面可自动与PLC进行数据交换。直接读取或重写PLC对应地址的内容，并相应地改变屏幕上显示的内容。同时，通过HMI的触摸操作，将数据输入到PLC对应的地址。
2.2 HMI监控主界面
整个人机交互监控系统采用树形结构，由监控主屏和相应的功能子屏组成。控制功能键设置在主监控界面的下端。按下功能键可依次进入相应的子屏幕执行所需的功能。在每个子屏幕中，可以通过上一页和下一页的功能键在同一功能组中切换屏幕。在任意子屏中，主屏可通过主屏功能键返回监控主屏。系统自动采集相关数据，并在主屏幕上显示切割计划、测量脉冲、轧辊转速等一些重要的生产工艺参数，方便操作人员观察。
在主监控屏幕上还有生产过程的动态显示，以各种形式模拟主控设备的运行，如光电开关的动作、电磁阀的关闭、电机的停止等。直观生动地反映现场的工艺流程，方便操作人员了解生产情况和设备状况。
三昆HMI编程软件Samdraw3.2提供了丰富的控制组件，如按钮组件、屏幕切换组件、指示灯组件、数据文本显示组件等。要实现上述功能，我们只需要根据需要选择相应的控制组件，并定义其属性即可。
图5:Samdraw 3.2安装在Samkoon HMI AK-070AW上。
Samdraw3.2采用监控软件的通用模式，通过组态完成所有控制组件的属性，实现相应的控制功能。利用Samdraw3.2的库和绘图工具可以方便地构建生产现场的仿真画面。
丰富的绘图工具库，使画面生动多彩。
此外，Samdraw3.2还支持图像上传和自定义Gallery功能。用户可以方便地将本地图片生成到库或控件中，以便在后面的配置过程中调用。
可以充分利用HMI的优势，将原来布置在控制柜上的开关和指示灯，尽量换成HMI中的控制元件，这样可以减少硬件设备，简化现场设备之间的布线，更重要的是，给设计和调试带来很多方便。
主控系统有近100个参数可设置。按控制功能分为联锁、横切、横断、速度、断边、竖断及设备参数组，使整个系统结构更加合理。同时，HMI触摸操作，使参数设置非常直观和简单。
设置参数时，点击数字输入控件，系统自动弹出数字键盘。在零件属性中定义每个参数并为其分配相应的PLC地址。经确认后，输入数据将存储在PLC指定的地址中。
操作完成后，按ENT键取消数字键盘，同时完成数字输入。这种设计模式可以最大限度地扩大屏幕的有效面积。同时，每个参数都有上下限。当输入值超过限制时，系统将拒绝接受并无法退出键盘。输入正确后才能退出。
对于重要的系统设备参数组，出于安全性考虑，可以设置参数设置界面的访问权限，赋予操作人员不同的操作权限，增加系统的安全性。
2.3 HMI告警功能
在系统报警设计中，在报警编辑器中编辑错误信息，在报警记录子屏幕中设置报警记录显示单元，用于故障信息的显示。
当系统出现故障时，HMI会根据PLC传输的故障信号，在告警记录子屏幕的告警编辑器中显示相应的故障信息。同时，主监控屏幕上的“故障”信号灯闪烁并发出报警。此时，操作人员可以进入报警记录子画面，根据故障信息查找原因，及时进行处理。
在上述情况下，PLC和HMI是非常重要的，但接近开关和编码器在整个系统中也是不可或缺的。
图6:欧姆龙人机界面用于PLC的控制
3.工厂自动化中的接近传感器
接近传感器是微动开关和限位开关的结合。与机械开关相比，机械开关具有速度快、使用寿命长、可靠性高的优点。可根据不同原理制作各种接近开关，其中以高频振荡型、磁气型、静电电容型应用最为广泛。
接近开关的特点包括以下几个方面。
1.无接触，无应力点，不变形。
2.不磨损，使用寿命长。
3.无接触点，不会受到外力冲击而做出错误动作。
4.内部由半导体元件组成，无活动部件，使用寿命长。
5.它几乎不受周围环境的影响，在潮湿的地方或工作量大的地方也能正常工作。
图7:Festo传感器SMEO-2-LED-24
4.工厂自动化中的编码器
编码器将距离/长度信号转换为电子数字信号。在测量领域，所谓编码器是指数字刻度。在信号检测和处理中，数字比模拟更好。所谓类比，在某些尺度上可能是1厘米或2厘米，可以通过比较来衡量。
在数字测量中，长度和角度都用数字阶梯表示，即0101。测量量被编码成010101信号，数个01s后即可知道距离或角度。
编码器检测带数字输出，适用于机械装置控制(PLC、PAC等)，按动作类型可分为光学式、磁气式、电刷式、电磁感应式、静电电容式等。
其中最常用的是光学旋转编码器，其优点包括:
光学材料以玻璃为主，不受磁力线干扰，经久耐用，耐久性好。
精度高，耐久性好。
良好的防护结构，具有防尘和防油的特点，不受灰尘侵袭，增加使用寿命。
它易于维护，与内部阀瓣没有直接接触。即使移动也不会损坏，因此具有很高的耐用性。
图8:安川编码器ECN1113
总结
近年来，由于对工厂自动化的需求越来越大，通过自动化管理，PLC、HMI、接近开关、编码器、凸轮控制器被广泛应用于传统行业和半导体行业，不仅可以节省人工成本，降低成本，增加产能，还能有效提高生产效率。在成本下降的时代，这是很有吸引力的。
