16/22MN雙動沖壓水壓機控制系統

摘要:16/22MN沖壓水壓機是我廠設計人員自行設計開發的大型鍛壓設備主要用來壓制鍋爐等壓力容器封頭、各種鋼板的彎曲整型及大型鋼制門的壓制，廣泛應用于鍋爐廠及機車車輛工廠，是我廠生產的主要鍛壓設備之一。本文簡單介紹了16/22MN沖壓水壓機的設備性能;工藝流程，在電氣自動控制系統的設計中結合沖壓水壓機的特點，選用了西門子公司SIMATIC S7-300可編成控制器(PLC)及TP270觸摸屏作為主要的控制設備。再配以先進的WinCC flexible監控軟件來實現水壓機控制系統的各項功能， S7-300是模塊化中小型PLC系統，可進行廣泛組合，使其成為高性能的既方便又經濟的解決方案，本文重點敘述了電氣自動系統的硬件配置，網絡結構，控制功能，以及所用的現場總線技術等。

關鍵詞:沖壓水壓機;S7-300PLC;現場總線

1 沖壓水壓機設備組成及主要性能

沖壓水壓機機械部分主要由水壓機本體、水泵蓄勢站及操縱系統組成，其中水壓機本體由底座、活動橫梁、上橫梁、立柱、頂出器和工作臺等組成，底座和上橫梁用立柱對螺帽連接組成一個整體機架形成封閉的受力系統，壓機公稱噸位:22MN， 最大行程:2500mm， 壓機總高17500m，壓制工件典型尺寸:3400mm。

水泵蓄勢站作用是為水壓機提供高壓水，當水壓機耗水量低于水泵平均總流量時水泵輸出的高壓水多余部分儲存于蓄水罐中， 當水壓機耗水量高于水泵平均總流量時水泵供水不足部分由蓄勢罐補充，因此在任何情況下都可以滿足壓機連續工作。

操作系統主要有五個分配器(主分配器、壓邊分配器、移動工作臺分配器、頂出分配器、鎖緊分配器)、二個充液閥、主閘閥、高壓自動閥、低壓自動閥調壓閥、高壓緩沖閥、充水罐等組成。其中主分配器和壓邊分配器由交流調速電機拖動，用光電編碼器操縱可實現主滑塊和活動橫梁空程、調壓、加壓、回程、停止等動作。移動工作臺分配器和頂出器分配器及鎖緊分配器由交流電機驅動凸輪軸轉動，動作位置由主令控制器加直流制動單元調節。

2 控制系統的選型及特點

結合壓機的工作特點及工藝要求，選用了西門子公司SIMATIC S7-300可編成控制器(PLC)。SIMATIC S7-300有多種性能遞增的CPU和豐富且帶有許多方便功能的 I/O擴展模塊，當任務規模擴大并且愈加復雜時，可隨時使用附加模塊對PLC擴展。現場總線系統實現了數字和模擬量/輸出模塊，智能信號裝置和過程調節裝置與可編程邏輯控制器(PLC)之間的數據傳輸，把I/O通道分散使安裝成本費用大大地節省，而且標準化的現場總線具有“開放”的通信接口允許用戶選用不同制造商生產的分散I/O裝置和現場設備，同時因為新產品開發未知量較多，修改方便。因此為重型機械產品中特別是新產品的集散控制系統的研制，設計，調試提供了極大的便利。PLC系統軟件采用西門子STEP7 5.4編成軟件包，完成硬件組態，程序編制，調試，監視和文檔資料處理，系統診斷等工作，現場總線連接如圖1所示。

3系統的硬件構成

系統硬件采用SIMATIC的S7-300可編程序控制器(PLC)，系統組成:由一個S7-300(CPU315-2DP)主框架及五個ET200M二個ET200X，2個WAGO從站，采用PROFIEBUS-DP現場總線技術實現整個網絡的主從站分布方式I/O控制。

16/22MN沖壓水壓機的PLC系統主從站號及模塊分布如下:

HMI觸摸屏 TP270( 6AV6 545-0CC10-0AX0 ); 壓機PLC控制柜 主CPU模塊 S7-300(CPU315-DP)6ES7 315-2AF02-0AB0;壓機操作臺ET200M (6ES7 153-1AA01-0XB0)開入模板3塊開出模板2塊;壓機地下室接線箱ET200M(6ES7 153-1AA01-0XB0)開入模板3塊開出模板2塊;主分配器驅動電機變頻器MM440DP接口模塊(6SE6400-1BP00-0AA0);壓邊分配器驅動電機變頻器MM440DP接口模塊(6SE6400-1BP00-0AA0);水泵站PLC控制柜ET200M(6ES7 153-1AA01-0XB0)開入模板2塊開出模板1塊;水泵電機控制柜 ET200M(6ES7 153-1AA01-0XB0)開入模板2塊開出模板1塊;蓄勢站接線箱 ET200M(6ES7 153-1AA01-0XB0) 開入模板3塊開出模板1塊。

4 問題分析及解決方案

主缸及壓邊缸分配器是壓機最主要的操縱部件，為減少壓機啟動及停止時壓機的震動并保證行走過程中水壓機運行平穩，分配器的凸輪驅動電機由數字矢量型交流變頻器驅動，位置反饋采用絕對式光電編碼器，消除工作死角并在PLC程序中增加轉矩補償以提高控制精度和開閉閥速度。并且在HMI畫面中定量數字顯示壓邊缸及主缸分配器位置及模擬圖。

蓄勢罐壓力、水位、水泵 電機及其他驅動電機的運行狀態、溫度檢測等信號都連接至PLC 遠程I/O控制箱再由PROFIEBUS-DP總線接口連接至PLC柜以便控制調節，按照設備生產工藝要求編制的程序放置在PLC的用戶存儲器中，根據輸入指令和現場檢測信號(水位，壓力，溫度)作出判斷和邏輯處理，發出各種指令，保證水泵電機，閥門等各個部分按要求運行。

普通的編程適配器只能插在CP的接口上編程調試，對于較分散的現場設備的調試感覺非常不便，本設備中水泵蓄勢站距水壓機控制柜較遠如只在CPU一側調試是非常困難的， 在此系統中使用了5512卡(筆記本電腦用)可以在帶DP接口任何一個站點進行調試編程，使調試的勞動量大大減少且非常方便。

本項目的主缸及壓邊缸分配器驅動電機采用的是SIMATIC MM440變頻器系列產品和PROFIBUS-DP總線結構，過去使用的變頻器控制方式一般都是采用端子硬接線方式，變頻器信息的傳送，如啟動、停機、頻率設定等都依靠數字或模擬量的輸入/輸出模板進行，在本次設計中全部采用DP總線方式，所有的信息均由網線來進行數據傳送。

5 觸摸屏(TP270)

(TP270) 觸摸屏作為現場操作站非常方便。它以最少的設備數量可提供最大可能的信息，以幫助操作和設備維修人員快速準確的了解系統當前狀況及相關信息。16/22MN沖壓水壓機PLC控制系統的現場時實監控和數據設定均在觸摸屏上進行。(TP270)人機界面作為壓機控制的重要組成部分，用于壓機控制的各種數據的設定.顯示.故障報警.以及相應操作和設備的在線調試和維護，在觸摸屏上，分別設置了參數設定和運行監控等十幾個畫面。對報警信號進行了文字說明和歷史記錄，水壓機工作狀態顯示，故障及各種異常內容的指示，水壓機工作行程指示及安全保護等功能。以上內容均以中文畫面的形式在操作臺顯示，操作方便直觀。以便于操作人員能及時準確地掌握壓機的運行狀況， 觸摸屏主要包括以下畫面:

壓機自動工作流程運行模擬圖;壓邊缸及主缸行程數字顯示及分配器參數設定;水泵-蓄勢罐壓力、水位、電機工作狀態顯示模擬畫面;故障報警信息畫面。報警記錄 對于壓機行程.供水壓力等重要數據進行實時監控;變頻器運行狀態指示(運行頻率，電機電流，轉矩等)

結語

16/22MN沖壓水壓機PLC控制系統經現場調試使用，選型合理，工作可靠，梯形圖邏輯滿足16/22MN沖壓水壓機設備本身控制和工藝要求，用戶均表示滿意。本文在調試試車成功后完成。本系統的組成及PLC控制程序應用在其它規格的水壓機或其它機型的PLC上，均有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 揚憲惠. 現場總線技術及其應用.清華大學出版社， 1999

[2] 李華德. 交流調速控制系統.北京: 電子工業出版社， 2003.

[3] SIMATIC STEP7程序設計編成手冊.