基于OMRON系列PLC的鋼錠模型控制設(shè)計(jì)

張繼紅，吳振奎，李含善

（1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，包頭 014010）

0 引言

產(chǎn)品加工過(guò)程的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高質(zhì)量、生產(chǎn)高效率的重要措施，也是減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、降低工人技術(shù)等級(jí)要求的有效方法[1]。然而，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)類(lèi)似鋼錠模型加工的中小企業(yè)，大多數(shù)的加工過(guò)程仍是一種半自動(dòng)化或純手動(dòng)的控制方式。對(duì)高質(zhì)量產(chǎn)品的加工主要依靠具有多年操作經(jīng)驗(yàn)的熟練工人或高級(jí)技工來(lái)完成。盡管如此，還有個(gè)別產(chǎn)品零部件的加工不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。從而造成物質(zhì)上的損失和經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。相反，經(jīng)數(shù)字化處理的控制系統(tǒng)，可以充分利用計(jì)算機(jī)的快速檢測(cè)，精確計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)加工過(guò)程的檢測(cè)與控制。由于采用計(jì)算機(jī)智能控制技術(shù)，因而使鋼錠模型的定位、切割、稱(chēng)重、焊接、成品檢測(cè)等均在程序中預(yù)先精確設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)了高效率、高精度的自動(dòng)化生產(chǎn)模式。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1 工作原理

鋼錠模型的生產(chǎn)流程由送鋼、定位、切割、稱(chēng)重、焊接及成品檢測(cè)六部分組成。送鋼是由送料小車(chē)前后移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)鋼錠移動(dòng)到合適位置時(shí)，限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，這樣，送鋼得以實(shí)現(xiàn)。定位功能是通過(guò)傳送帶的移動(dòng)、配合光電傳感器實(shí)現(xiàn)定位，主要為下一步的剪切工作作好準(zhǔn)備。剪切部分是通過(guò)超聲波傳感器測(cè)定長(zhǎng)度，當(dāng)通過(guò)剪切臺(tái)移動(dòng)使鋼錠達(dá)到預(yù)先設(shè)定長(zhǎng)度時(shí)，剪切小車(chē)動(dòng)作，將鋼錠剪切成指定的長(zhǎng)度，然后旋轉(zhuǎn)剪切臺(tái)，再剪切寬度。焊接部分是將四個(gè)夾口分別焊在鋼錠的四周，以滿(mǎn)足工藝要求。因?yàn)樵摦a(chǎn)品主要用于軍工裝備配套部件，所以本設(shè)計(jì)中還采用紅外探傷技術(shù)來(lái)檢測(cè)焊接處及鋼質(zhì)是否有缺陷；稱(chēng)重是再一次校驗(yàn)產(chǎn)品的合格性手段，是紅外線(xiàn)探傷的一種補(bǔ)充。檢驗(yàn)過(guò)程中如果不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求則報(bào)警提示，并將檢測(cè)的正常數(shù)據(jù)或報(bào)警信息上傳到集控室供設(shè)計(jì)者分析、處理。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中央處理單元選用OMRON公司CPM2AH-20CDR-A型 PLC，它是一種結(jié)構(gòu)緊湊、高速存取信息的可編程控制器。在一較小單元內(nèi)綜合有各種功能：包括模擬量/數(shù)字量輸入、輸出、同步脈沖控制、中斷輸入、時(shí)鐘以及通信功能等。本機(jī)含有12點(diǎn)+24V輸入和8點(diǎn)繼電器輸出端，同時(shí)帶有一個(gè) RS232C物理接口和一個(gè)外圍接口，使用這兩個(gè)接口都可以與上位工控機(jī)或帶DB9/RS232串行口設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)通信功能。

集控室上位機(jī)選用臺(tái)灣研華生產(chǎn)工控機(jī)，該機(jī)性能良好，抗干擾能力較強(qiáng)。顯示軟件選用北京亞控公司組態(tài)王6.52，它的特點(diǎn)是選擇與之配套設(shè)備類(lèi)型豐富，接口兼容性好。這樣，對(duì)于鋼錠模型的加工控制除了現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作外還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。一般情況下均工作在自動(dòng)控制狀態(tài)下，手動(dòng)操作僅作為備用或在作特殊調(diào)試功能處使用。

圖2 控制系統(tǒng)工藝軟件流程圖

此外，本系統(tǒng)還擴(kuò)展了數(shù)字量輸入模塊1塊。主要功能為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常啟動(dòng)、正常停車(chē)、復(fù)位以及緊急停車(chē)、送料到位、定位以及成品是否合格等信號(hào)的輸入。模擬量輸出模塊2塊，功能為實(shí)現(xiàn)剪切時(shí)的長(zhǎng)度計(jì)量和稱(chēng)重功能。系統(tǒng)具體硬件設(shè)計(jì)如圖1所示，圖1中CPM2AH為中央處理單元， CON1為編程與通信電纜，20EDR-1、AD041-1、AD41-2分別為數(shù)字量輸入與模擬量輸入擴(kuò)展模塊。A/H為自動(dòng)與手動(dòng)切換信號(hào)。CSI、WSD、FSD分別為系統(tǒng)控制信號(hào)輸入、工作狀態(tài)顯示和故障狀態(tài)顯示。DSI1、ASI1、ASI2分別為其它數(shù)字信號(hào)輸入、模擬信號(hào)輸入1和模擬信號(hào)輸入2。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 初始化及主程序

系統(tǒng)上電后，PLC在第一個(gè)掃描周期內(nèi)分別對(duì)工作參數(shù)、時(shí)鐘中斷、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器以及對(duì)于通信端口進(jìn)行初始化。主程序的功能為循環(huán)掃描數(shù)字量輸入信號(hào)、模擬量輸入信號(hào)以及調(diào)用子程序等。設(shè)備啟動(dòng)后，首先選擇控制方式為自動(dòng)/手動(dòng)，如果選擇自動(dòng)，則PLC根據(jù)預(yù)先設(shè)定模型尺寸移動(dòng)鋼錠位置，然后進(jìn)行剪切操作，最后檢驗(yàn)產(chǎn)品是否合格，若檢驗(yàn)產(chǎn)品不合格則要報(bào)警顯示。相反，如果選擇手動(dòng)操作，則PLC將接受現(xiàn)場(chǎng)工人的操作指令，按照操作指令對(duì)鋼錠進(jìn)行處理以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。一般情況下，手動(dòng)控制僅僅是對(duì)鋼錠的簡(jiǎn)單處理、精度要求不是很高的場(chǎng)合，主要依靠熟練的或具有多年工作經(jīng)驗(yàn)的操作工完成，顯然這種控制模式運(yùn)行效率不會(huì)很高。鋼錠模型工藝控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

3.2 故障檢測(cè)程序

工程實(shí)踐表明，可編程邏輯控制器的外部輸入、輸出元件（如限位開(kāi)關(guān)、接觸器）的故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可編程邏輯控制器本身的故障率，而這些元件故障后，控制器一般不能覺(jué)察，也不會(huì)自動(dòng)停機(jī)，這樣可能使故障范圍擴(kuò)大，直到強(qiáng)電保護(hù)裝置動(dòng)作后停機(jī)，有時(shí)甚至可能引起設(shè)備損壞或人身傷害。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)和查找故障，提高維修效率，特別地在軟件中設(shè)置故障檢測(cè)程序。

1）超時(shí)檢測(cè)：控制系統(tǒng)在各自工步的動(dòng)作所需時(shí)間幾乎是不變的，以此時(shí)間值為參考，在控制器發(fā)出信號(hào)后計(jì)時(shí)，若在此工步的時(shí)間允許范圍內(nèi)沒(méi)有收到結(jié)束信號(hào)，則控制器停止正常的循環(huán)程序，啟動(dòng)報(bào)警和故障顯示程序，使工作人員和維修人員能夠快速判別故障種類(lèi)并及時(shí)采取解決措施。

2）邏輯錯(cuò)誤檢測(cè)：系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，控制器的輸入、輸出信號(hào)和內(nèi)部信號(hào)之間存在著確定的關(guān)系，若出現(xiàn)異常的邏輯信號(hào)，則說(shuō)明出現(xiàn)了故障。例如在切割與焊接的啟動(dòng)過(guò)程中有一定順序邏輯，不可能同時(shí)為高電平。因此，在程序的設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了系統(tǒng)的邏輯關(guān)系與錯(cuò)誤檢測(cè)，盡可能地保證系統(tǒng)工作的有序性與合理性。

4 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

硬件方面：對(duì)PLC及擴(kuò)展模塊進(jìn)行了電源凈化處理、通信線(xiàn)纜采用雙絞屏蔽線(xiàn)，同時(shí)還對(duì)系統(tǒng)的接地進(jìn)行了相應(yīng)的處理。

軟件方面：

1）延時(shí)確認(rèn)功能：一般情況下，對(duì)于數(shù)字量輸入信號(hào)，可采用軟件延時(shí)25ms，同一信號(hào)作兩次讀入才認(rèn)為是有效的。

2）屏蔽干擾功能：對(duì)于系統(tǒng)中預(yù)知的控制電機(jī)和電磁鐵動(dòng)作，往往伴有干擾信號(hào)產(chǎn)生，可能使控制器誤動(dòng)作，在此期間可采用延長(zhǎng)2s的辦法，躲過(guò)干擾易發(fā)期，從而達(dá)到屏蔽的效果。

3）濾波處理功能：控制器對(duì)模擬量的采集信號(hào)進(jìn)行了相應(yīng)的濾波處理。例如，對(duì)鋼錠尺寸定位、稱(chēng)重等數(shù)據(jù)的采集進(jìn)行了“求平均”、“去極值”等處理措施，從而有效保證了數(shù)據(jù)的可靠性與真實(shí)性。

5 結(jié)論

鋼錠模型控制系統(tǒng)已于2010年初調(diào)試完備并成功應(yīng)用于內(nèi)蒙古某機(jī)加工車(chē)間，經(jīng)數(shù)月試運(yùn)行得出如下結(jié)論：

采用性?xún)r(jià)比較高的OMRON公司PLC作為中央處理單元，并設(shè)計(jì)了控制器硬件和軟件兩方面的抗干擾措施，因而數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確可靠，系統(tǒng)運(yùn)行性能優(yōu)良；該設(shè)備兼有手動(dòng)操作和自動(dòng)控制兩種方式，大大提高了系統(tǒng)的可操控性與靈活性；系統(tǒng)的失誤操作或運(yùn)行故障均設(shè)置提示用語(yǔ)和報(bào)警信息，有效縮短了查找和排除故障時(shí)間，提高了效率；設(shè)計(jì)中采用的紅外探傷與稱(chēng)重校驗(yàn)，是對(duì)鋼錠質(zhì)量的再一次全面檢測(cè)，從而更進(jìn)一步保證了該系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量；試運(yùn)行的結(jié)果證實(shí)了方案的正確性、合理性與可行性，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 張繼紅,張江紅.8031單片機(jī)在C616車(chē)床改造中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2006(5):94-95.

[2] OMRON COMPANY.CPM1/CPM1A/CPM2A/CPM2AH/CPM2C/SRM1(-V2) PLC.MANUAL,2003,12.

[3] SIEMENS SIMATIC S7-200 PLC MANUAL.2010.

[4] 殷洪義.可編程序控制器選擇設(shè)計(jì)與維護(hù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[5] 宮淑貞,王冬青,徐世許.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2002.