基于PLC的負(fù)極片自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計*

朱 超 楊建國 周 虎

(東華大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201620)

鋅銀電池負(fù)極片具有比能高、工作電壓穩(wěn)定、放電電流大等優(yōu)點，是高性能電池的重要組成部分，廣泛用作火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈等航空航天設(shè)備的電源。目前負(fù)極片成型多采用手工方式，勞動強度大、效率低、產(chǎn)品質(zhì)量難以控制，且生產(chǎn)原料中含有汞等有毒成分，嚴(yán)重危害工人健康。負(fù)極片自動化生產(chǎn)線的開發(fā)，能有效避免工人和有毒有害物質(zhì)接觸，改善操作人員勞動條件，另外對提高勞動生產(chǎn)效率，進一步提升我國的國防力量，具有重要的現(xiàn)實意義。

針對以上所述負(fù)極片生產(chǎn)特點，我們設(shè)計了一種基于PLC的負(fù)極片自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有控制可靠、操作簡便、開放性強和性價比高等優(yōu)點。下文將分別從工藝流程控制、系統(tǒng)設(shè)計要求、系統(tǒng)硬件以及軟件設(shè)計等方面對該控制系統(tǒng)進行全面闡述。

1 生產(chǎn)工藝流程控制

目前，負(fù)極片的生產(chǎn)方式為多規(guī)格、小批量、連續(xù)性生產(chǎn)，主要包括10道工序，具體依次為稱粉攪拌、鋪紙、放模、涂下層膏、鋪布壓制、揭布放置銀網(wǎng)骨架、涂上層膏、鋪布壓制、脫模、包裝。通過基于PLC的控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計，實現(xiàn)各個模塊中各工序之間的協(xié)調(diào)與配合，從而實現(xiàn)多臺自動化設(shè)備的協(xié)調(diào)和連續(xù)性作業(yè)。圖1所示為負(fù)極片自動化生產(chǎn)線的工藝流程控制圖。

實際生產(chǎn)過程中，一個完整的循環(huán)工序是:模切機模切包裝紙→取放紙機械手將包裝紙放置在生產(chǎn)線的托板上→通過取放模機械手將模框從副線上吸取并放置在包裝紙上→自動涂膏機械手1和海霸泵1涂下層膏→揭布機1鋪布、壓制成型機1壓制下層膏→自動取放網(wǎng)機械手取放銀網(wǎng)骨架→涂膏機械手2和海霸泵2涂上層膏→揭布機2鋪布、壓制成型機2壓制下層膏成型→脫模機械手脫模并將?？蚍旁诟本€上→自動包裝機包裝極片→負(fù)極片成品輸出。

2 控制系統(tǒng)要求

在提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、降低運行成本等理念下，該控制系統(tǒng)具體技術(shù)要求為:

(1)能夠根據(jù)自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)控制流程，對各邏輯關(guān)系、順序等進行精確控制，使各道工序有條不紊互相協(xié)調(diào)運行;

(2)根據(jù)一個循環(huán)過程中主流水線、副流水線、涂膏機械手、取放包裝紙、取放?？颉⑷》陪y網(wǎng)等節(jié)拍，合理分配各工序間的時間，提高勞動生產(chǎn)效率;

(3)保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，可根據(jù)實時監(jiān)控界面時刻監(jiān)視生產(chǎn)流程，對事故隱患進行預(yù)警，對故障報警并具有急停功能;

(4)在滿足生產(chǎn)線控制要求的前提下，應(yīng)該盡可能使系統(tǒng)簡單經(jīng)濟、易于維護，控制系統(tǒng)各參數(shù)可調(diào)。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

負(fù)極片自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)是由上位機監(jiān)控系統(tǒng)、下位機控制系統(tǒng)和相關(guān)外圍設(shè)備結(jié)合的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，總體分監(jiān)控房和控制現(xiàn)場兩個部分，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 上位機監(jiān)控系統(tǒng)

上位機監(jiān)控系統(tǒng)又分為現(xiàn)場觸摸屏控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)兩部分。

3.1.1 觸摸屏控制系統(tǒng)

現(xiàn)場控制采用臺達DOP－B07S211彩色觸摸屏。觸摸屏界面主要設(shè)計了手動操作和自動操作界面，其中，自動操作界面可以通過自動工作參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化運行;手動操作界面可以實現(xiàn)生產(chǎn)線各個模塊的單工位、單工序的運行。另外現(xiàn)場觸摸屏還設(shè)置了故障隱患預(yù)警以及故障報警等功能。

3.1.2 計算機控制系統(tǒng)

計算機采用研華610L工控機(IPC)，加配一塊MOXA CP－168U多串口卡，另配DELL 17英寸彩色顯示器。工控機(IPC)上裝有組態(tài)軟件“組態(tài)王KINGVIEW 6.53”，它是亞控公司開發(fā)的工業(yè)通用組態(tài)控制軟件，其自帶多種設(shè)備的驅(qū)動程序，可很好地與下位機PLC進行通訊。

3.2 下位機控制系統(tǒng)

下位機控制系統(tǒng)主要由1個三菱公司生產(chǎn)的FX2N－48MR－001型PLC、6個FX1S－30MT型 PLC和外圍設(shè)備組成，包括CPU基本單元、擴展I/O架、I/O連接電纜等，PLC內(nèi)插H52107A CPU型通訊模塊。下位機PLC通過自帶的COM口(RS－232)與組態(tài)王進行有線通訊，通過內(nèi)插通訊模塊COM口(RS－422)與上位機觸摸屏通訊。

FX2N－48MR－001型PLC作為主站PLC，它主要控制各個子站PLC(PLC0－PLC5)之間的協(xié)調(diào)與配合、報警輸出、元件執(zhí)行以及傳感器、限位開關(guān)的檢測等，實現(xiàn)對系統(tǒng)整體流程控制;FX1S－30MT型PLC構(gòu)成的子站PLC主要用于控制各個工位具體動作的實現(xiàn)。具體是:PLC0控制主副線運行，PLC1控制脫模機械手，PLC2控制取放網(wǎng)機械手，PLC3控制取放模機械手，PLC4控制取放紙機械手，PLC5控制揭布機。另外，除各子站PLC與主站PLC有通訊外，各子站PLC之間也有相互通訊。

3.3 重要的外圍設(shè)備

電動機驅(qū)動器和繼電器為系統(tǒng)重要的外圍設(shè)備。由于取放紙機械手和取放網(wǎng)機械手移動距離較長，且要求速度可調(diào)，故選用了YAKO電機公司制造的YKA2404MA型兩相步進電動機驅(qū)動器。該驅(qū)動器為一種采用雙極性恒流斬波驅(qū)動技術(shù)的高性能步進電動機驅(qū)動器，廣泛用于2.0 A/相電流以下兩相步進電動機，當(dāng)電動機處于停止?fàn)顟B(tài)時，輸出電流可設(shè)置降至較低值，從而可以減少機械手電動機和驅(qū)動器連續(xù)長時間運行的發(fā)熱。主流水線驅(qū)動電動機起動頻繁且動作要求準(zhǔn)確、可靠性高，故選用了Schneider電氣公司生產(chǎn)的LCI－D接觸器和LRZ－D熱過載斷路器作為低壓控制電器。由于使用了TE的專用技術(shù)，接觸器的電氣壽命和機械壽命兩大指標(biāo)均達到最高標(biāo)準(zhǔn)，其性能優(yōu)良可靠，元件壽命長，故障率極低，并在接觸器兩端并接阻容吸收電路以吸收浪涌電流，減少觸頭起弧，使用效果十分理想。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 程序設(shè)計過程

該控制系統(tǒng)中輸入輸出、檢測反饋元件和執(zhí)行元件種類和數(shù)量較多，是一個較為復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)。因此，先對系統(tǒng)進行整體分析，將系統(tǒng)分為各個不同模塊單獨進行邏輯設(shè)計，然后對各個模塊進行邏輯整合。整個設(shè)計過程大致包括系統(tǒng)分析階段，通訊區(qū)、I/O分配階段，總體設(shè)計階段，模塊設(shè)計階段，程序編制階段和程序調(diào)試階段。

系統(tǒng)分析階段，主要考慮負(fù)極片自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用何種解決方案以及采用何種PLC進行控制;通訊區(qū)、I/O分配階段，主要將系統(tǒng)工藝各輸入、輸出量分配給PLC的各I/O，定義各I/O的作用，并據(jù)此填寫變量表，在主站和子站之間設(shè)置通訊區(qū)，將以上配置組態(tài)并下載到PLC中;總體設(shè)計階段，將程序大致劃分為主站程序和子站程序，并分別將其劃分為若干模塊，每個模塊對應(yīng)一個功能，并定義通訊區(qū)各字段的大致含義;模塊設(shè)計階段，主要是在總體設(shè)計劃分的各個模塊內(nèi)部，根據(jù)相應(yīng)部分生產(chǎn)工藝的要求，分析各輸入、輸出量與各操作之間的邏輯關(guān)系，確定進行檢測的內(nèi)容和控制的方法，并設(shè)計出各設(shè)備的操作內(nèi)容和操作順序，進而根據(jù)結(jié)果設(shè)計出程序流程，這是程序設(shè)計過程中最為復(fù)雜的一環(huán)，需要對工藝流程深刻理解;程序編制階段，按照細(xì)化設(shè)計，選擇合適的編程語言進行編程，確保語法和文檔的正確;程序調(diào)試階段，重點要注意程序能否按設(shè)計的要求運行，各種必要的功能是否具備，發(fā)生意外情況時能否及時作出正確的響應(yīng)等問題。

經(jīng)過測試、修改之后，如果程序基本正確，下一步就可到現(xiàn)場試運行，進一步看系統(tǒng)的整體效果還有哪些地方需要完善。經(jīng)過一段時間運行之后，如果系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，就證明程序已達到設(shè)計要求。

4.2 程序設(shè)計

按照上述設(shè)計過程，將控制系統(tǒng)運行方式分為手動運行和自動運行兩部分。其中，手動運行方式可以通過對上位機上簡單設(shè)置實現(xiàn)各個模塊的單獨手動控制操作;自動運行方式采用順序控制方法，能對各邏輯關(guān)系、順序等進行精確控制，使各道工序有條不紊互相協(xié)調(diào)運行。控制系統(tǒng)程序流程如圖3所示。

負(fù)極片自動化生產(chǎn)線由主流水線和副流水線兩部分構(gòu)成，主流水線各個工位依次安裝有取紙機械手、取放模機械手、壓機1、取放網(wǎng)機械手、壓機2、脫模機械手;副流水線上取放模機械手和壓機1間裝有涂膏機械手1，取放網(wǎng)機械手和壓機2間安裝涂膏機械手2，在流水線兩端分別放有模切機和包裝機。負(fù)極片自動化生產(chǎn)線實物運行圖如圖4所示。

系統(tǒng)啟動運行時，為了實現(xiàn)第一片極片的完整，模切機先模切一片包裝紙，接著再啟動主線、副線、機械手等;系統(tǒng)停止時，首先模切機模切紙停止，接著各個工位按工序順序依次停止，有效地避免了半成品留在生產(chǎn)線上。

為了保證動作的順序性，系統(tǒng)在軟件設(shè)計上采用了前后動作互鎖功能，使前后動作不能錯位，前一個動作未完成后一個動作不予啟動，具體為只有當(dāng)放紙、放模、放銀網(wǎng)、脫模這4臺機械手全部動作完畢主輸送線才開始動作。

5 結(jié)語

PLC具有控制能力強、高精度、高可靠性以及復(fù)雜的邏輯能力和運算能力等特點。該基于PLC的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了負(fù)極片的自動化生產(chǎn)，有效地提高了負(fù)極片的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了工人勞動條件;該控制系統(tǒng)經(jīng)過一年的實際運行，具有穩(wěn)定性高、易操作、易維護等優(yōu)點，已取得了較好的經(jīng)濟效益，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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