摘  要：  本文針對自動沖飲機的設計要求，并結合目前自動控制的發展現狀，對自動沖飲機控制系統的硬件和軟件設計進行了深入的討論，并提出了一種切實可行的三級監控的系統設計方案。
關鍵詞：  自動控制；氣動；PLC
中圖分類號： TP273
1． 引言
       自動沖飲機是中國科學技術館展示自動控制技術和氣動技術的一項展品，完整地展示了一杯飲料的自動沖調過程。參觀者可以在計算機上選出想要喝的飲料，自動沖飲機根據參觀者的選擇開始動作。先將杯子分離，在杯子中放入固體飲料，再將放入飲料的杯子根據參觀者的選擇注入冷水或熱水，然后將攪拌棒放入杯子，最后將杯子送到參觀者的面前。
      自動沖飲機作為一項展品，它的主要作用就是向參觀者展示一套完整的自動化生產線及氣動控制技術的應用。自動沖飲機主要有以下幾個設計要求：
  展示性。自動沖飲機能夠通過飲料的自動沖調過程向參觀者展示自動化生產線所需的多種技術，如氣動技術、傳感器技術等。
 全部自動控制。自動沖飲機要求全部采用自動控制，飲料沖調過程完全沒有人的影響。
 多種傳動方式。為了全面展示自動化生產線，要求自動沖飲機有多種傳動方式，機構復雜。
根據調研，目前國內外還沒有這樣的展品，所以沒有可以向別人借鑒的地方，全部采用自主設計。

2． 自動沖飲機的控制系統硬件方案設計
        根據自動沖飲機的展示要求、設計要求和它所實現的功能，自動沖飲機的主要部件選用德國FESTO公司的氣動產品，同時為了充分地展示自動化生產線，我們還選用了四通公司的步進電機等電動產品以實現靈活多樣的傳動方式。
        自動沖飲機可以根據工序的不同劃分為幾個部分，如圖一所示，杯子由氣動落杯機構開始，按照圖中序號的順序運行，直到自動安全門打開，送出一杯沖調好的飲料。
       因為自動沖飲機采用了氣動和電動的執行元件，而氣動元件全部由電磁閥進行控制，屬于典型的通斷控制，同時從空杯到沖調出一杯飲料的過程為順序控制，所以我們采用可編程邏輯控制器（PLC）作為主要控制元件。而系統還要求參觀者在一開始選擇所要喝的飲料，所以控制系統中包括客戶機，供參觀者使用。同時為了便于管理人員管理系統，監控系統的運行情況，還為管理人員配置了一臺服務器。因此自動沖飲機采用三級監控的系統控制方案，而不是通常所采用的兩級系統控制方案[1]。控制系統包括一臺服務器，一臺客戶機和下位機（兩臺PLC）。服務器和客戶機之間采用網卡進行通訊，服務器作為管理級，主要用于生成、打印和管理客戶機登錄密碼，它面向于管理人員。客戶機與下位機之間通過RS232C串口進行通訊，客戶機作為用戶級，主要作用是通過與服務器之間的通訊驗證用戶輸入的密碼是否正確，如果正確則通過RS232C串口向下位機發送命令，啟動系統運行，并實時監控下位機的狀態，它面向的是參觀者。下位機作為控制級，主要用于控制系統的運行過程，它面向的是控制過程。
 

圖一  自動沖飲機結構圖

       從圖一可以看出自動沖飲機安裝在兩塊底板上。如果自動線全部安裝在一塊底板上，會因底板過大過重而造成運輸困難，為了解決這個困難就必須將各部件的安裝工作全部在現場進行，這就必然增加現場安裝和調試的困難。而將自動沖飲機安裝在兩塊底板上可以縮短在現場的安裝和調試時間，因為在系統的運輸過程中不需拆卸安裝好的各種部件。
2.1 下位機

      為了充分展示自動控制系統的控制過程，自動沖飲機的控制部分也全部安裝在底板上。因此下位機采用雙PLC并行模式，便于系統現場的安裝與調試，第一塊底板上裝有一個日本三菱公司的FX2N-64MR型可編程控制器，第二塊底板上安裝FX2N-80MR型可編程控制器。FX2N系列可編程控制器外觀小巧、大方，且具有高速處理、簡便的應用指令群、豐富的可擴展設備、可靠性高等特點。每個PLC還配有一個通訊用的擴展模塊FX0N-485ADP和一個轉換板FX2N-CNV-BD，一個從485到232轉換模塊FX-485PC-IF。下位機控制系統的運行過程，兩個PLC之間采用并行連接，可以相互通訊完成自動沖飲機的整個控制過程。

2.2 客戶機

        自動沖飲機是中國科學技術館的一項展品，現場工作環境與工廠的工作環境不同，沒有各種干擾，因此選用聯想公司的先鋒系列電腦，并配有19吋SAMSUNG公司的顯示器以增強顯示效果。客戶機的主要功能有：① 驗證用戶輸入密碼的正確性；② 發出系統啟動命令；③ 實時監控下位機狀態；④ 客戶機與下位機、客戶機與服務器之間的通訊管理；⑤ 能夠實時顯示故障報警畫面；⑥ 手動操作系統各部件的單獨動作。
2.3 服務器

       服務器也選用聯想公司的先鋒系列電腦。服務器的主要功能有：① 生成和管理用戶密碼；② 打印生成的用戶密碼；③ 實時刪除已用過的用戶密碼；④ 添加和修改管理員密碼。

3． 自動沖飲機的控制系統軟件方案設計
3.1 客戶機和服務器的軟件設計

        客戶機采用Windows 98操作系統，服務器采用Windows 2000操作系統。客戶機和服務器全部采用微軟的Visual Basic 5.0作為編程工具。客戶機通過其軟件的底層查詢實現與下位機和服務器的實時通訊。具體控制過程如圖二所示。設計思想與數控軟件的設計思想[2]基本一致。

3.2 下位機軟件設計

         系統的下位機（PLC）程序采用模塊化編程方法實現。將系統程序按照工序流程分為幾個模塊，每個模塊是一個單獨的程序，最后將這些程序合成起來就是整個系統的程序。模塊化編程必須要考慮清楚該模塊有哪些輸入輸出，一旦確定了模塊的輸入輸出，在該模塊調試完成后就可以正確使用而不必考慮整個系統的狀態。為了簡化PLC程序，便于程序調試，在模塊內部采用步進階梯指令進行編程。
        按照自動沖飲機的工作流程將第一塊底板上的PLC程序分為：①落杯裝置（包括氣動落杯機構和柱坐標機器手）和②直線機構（包括直線推杯機構和前四個料倉）兩個模塊，將第二個底板上的PLC程序分為：③步進機構（包括氣動步進機構和第5、6、7、8料倉）、④鏈條機構（包括鏈條撥動機構和第9、10料倉）、⑤立式取杯機械手、⑥旋轉平臺（包括水平旋轉平臺和自動注水機構）、⑦自動取棒機構和⑧自動安全門等六個模塊。系統采用模塊化編程既保證了系統運行的穩定性，也完滿地解決了多個杯子在系統中同時運行的問題，縮短了系統單杯運行時間，提高了系統的利用率。

4． 結束語
        該系統充分利用了PLC體積小、功能強、可靠、通用、易維護的特點實現下位機控制系統，并利用計算機實現方便的人機交互界面和網絡化管理，組成了一套完整的三級控制系統，完滿地完成了系統的設計要求。

參考文獻
1．黃友銳、魏慶農、趙曉東、軒傳吳、江平、丁斌，PLC和IPC組成的新型成纜機控制系統，電子與自動化，2000年，第1期，p14-16
2．潘亞東、左力、葛旭海、金有道，數控銑磨床控制系統硬件及軟件設計方案初探，武漢工業大學學報，1994年，第16卷，第2期，p91-97