基于PLC的卷簧機控制系統(tǒng)設計

王 建，胡 翔，何 濤，龔興學

（1湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢430068；2湖北工業(yè)大學機械工程學院，湖北 武漢430068；3武漢眾聯(lián)同創(chuàng)機電制造有限公司，湖北 武漢430064）

我國自主研發(fā)的卷簧機普遍存在自動化水平低、技術水平落后的問題［1］.卷簧機只應用于生產要求相對較低的場合，只能以低價來爭取客戶，而較為高端的市場都被日本、德國等進口設備占領.近年來電動車、汽車行業(yè)的快速發(fā)展，對卷簧的需求與日俱增，因而對卷簧機提出了更高的標準.卷簧機控制系統(tǒng)結合了機械、傳動、氣動和電氣控制等多方面的技術.

1 拉索卷簧機系統(tǒng)結構及控制策略

卷簧機系統(tǒng)共有三部分：拉索卷簧機機械結構、氣動單元和控制系統(tǒng)［2］.卷簧機機械結構是硬件執(zhí)行機構，其機械結構圖如圖1所示.系統(tǒng)動力組成共有一臺伺服電機、兩臺三相電動機和一臺普通怠速電機.其中一臺三相電機用于驅動吊車臂，將繞有鋼絲材料的料盤吊裝到卷簧機上，另一臺三相電動機用于驅動主軸，伺服電機通過諧波齒輪傳動驅動卷簧機內軸滾輪，通過主軸與卷簧內軸滾輪的速度匹配來實現(xiàn)彈簧的卷制.

由于卷簧機主軸轉動慣量較大，在高速運行過程中需要快速停車時，氣動剎車無法滿足系統(tǒng)控制要求，因而系統(tǒng)通過氣動單元控制油壓系統(tǒng)作為系統(tǒng)的剎車控制.考慮到生產現(xiàn)場的干擾以及設備運行的可靠性等因素，決定采用PLC作為核心控制器，結合變頻器和伺服驅動器等電氣元件構成的硬件基礎，同時配以觸摸屏軟件技術，實現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制.

圖1 卷簧機機械結構

卷簧機用來卷制不同直徑的彈簧，其工作過程是啟動運行后超聲波測距傳感器通過測量料盤上鋼絲的量來調整主軸對應的轉速.當料盤上鋼絲是滿盤時，對應設置主軸最低轉速；當料盤上鋼絲是空盤時，對應設置主軸最高轉速.PLC通過RS485通信方式與變頻器進行通信，控制變頻器的頻率、啟動、停止，從而控制主軸電機的運行狀態(tài).利用高速測速傳感器測量正在運行的主軸轉速，然后按照速度比輸出給伺服電機，精確控制伺服電機送料的長度.當送料出現(xiàn)偏差時，卷制完成的彈簧會出現(xiàn)轉動，利用連接在彈簧上的編碼器測得彈簧的轉動量，然后通過反饋方式控制伺服電機的加減速，使得伺服電機送料進入一種穩(wěn)定運行狀態(tài)，即卷制完成的彈簧旋轉量不超過1圈／m，最終卷制滿足用戶要求的固定直徑的彈簧，拉索卷簧機框架結構如圖2所示.

圖2 拉索卷簧機框架結構圖

2 拉索卷簧機控制系統(tǒng)硬件設計

為了保證系統(tǒng)控制的精確性，系統(tǒng)采用PLC輸出脈沖和方向信號來驅動伺服電機，以達到控制伺服電機的精確運動［3］.在PLC選型時選擇晶體管類型的PLC，而非帶載能力更大的繼電器輸出型PLC輸出PWM波，因為繼電器輸出動作延時較大，不能夠快速輸出滿足系統(tǒng)所需的高頻脈沖信號.系統(tǒng)根據(jù)輸入、輸出的需求選擇了16點輸入和16點輸出的DVP－32EH型的PLC，系統(tǒng)PLC輸入輸出分配如圖3所示.

在系統(tǒng)運行過程中需要根據(jù)主軸卷盤上鋼絲的厚度對主軸進行相應速度的調整.系統(tǒng)引入YPMHT型超聲波傳感器測量鋼絲厚度，然后將超聲波傳感器的模擬信號通過06XA模擬模塊傳輸給PLC，從而實現(xiàn)對相應轉速的調整.

圖3 PLC輸入輸出分配圖

由于主電機和吊車電機供電電壓要求是380 V，因而采用三相五線制供電，主電機線路連接至變頻器的輸出端，通過控制變頻器的啟動、停止以及頻率來實現(xiàn)對主軸電機的控制，吊車電機通過兩個交流接觸器互鎖輸出給吊車電機供電.伺服電機供電電壓要求是220V，因而采用單相220V給伺服電機、PLC和開關電源進行供電，系統(tǒng)主電路供電電路如圖4所示.

圖4 主電路供電電路圖

3 卷簧機控制系統(tǒng)軟件設計

卷簧機系統(tǒng)開始運行時首先檢測氣壓開關壓力是否充足，然后檢測變頻器、伺服驅動器等是否出現(xiàn)異常，隨后進入手動自動檔位的檢測.當手動擋位有效時，系統(tǒng)執(zhí)行手動處理子程序；當自動擋位有效時，系統(tǒng)執(zhí)行自動處理子程序，其軟件流程如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 手動運行的設計

為了滿足卷簧機調試過程的需求，系統(tǒng)設計了手動運行功能.手動運行功能具有慢速點動和中速連續(xù)運行兩個功能.當點動按下“手動”按鈕，此時系統(tǒng)內軸以給定的恒定低速進行點動運行，緩慢卷制彈簧；當“手動”按鈕按下時間超過3s時，系統(tǒng)立即以給定的恒定中速進行連續(xù)運行，此時系統(tǒng)加快卷制速度；再次按壓“手動”按鈕時，系統(tǒng)立即停止運行.

用戶在卷制彈簧的開始過程中，需要手動緩慢的卷制彈簧，同時使用數(shù)字式游標卡尺測量卷制的彈簧外徑，及時調整好模具的位置，從而得到所需外徑大小的彈簧.當卷制的彈簧滿足用戶要求時，此時需要能夠手動連續(xù)的生成一長段彈簧，直至彈簧通過編碼器所在的位置，以便切換到自動運行時編碼器可以快速的校正系統(tǒng)，因而針對此需求設計出手動中速連續(xù)運行功能.

3.2 自動運行的設計

當手動卷簧過程生產的彈簧滿足用戶要求時，用戶可以選擇切換到自動運行狀態(tài).按下“啟動”按鈕，卷簧機開始連續(xù)高速運行.超聲波傳感器測得料盤鋼絲的纏繞直徑，調整主軸對應三相電機的轉速.當料盤上鋼絲是滿盤時，此時對應設置主軸最低轉速，當料盤上鋼絲是空盤時，此時對應設置主軸最高轉速.PLC通過RS485方式與變頻器進行實時通信，可以實現(xiàn)對變頻器運行頻率、啟動和停止的控制，從而控制主軸電機的運行狀態(tài)［4］.測速傳感器測定主軸的轉速，通過速度比換算輸出給伺服電機.編碼器測定卷簧機軟軸輸出的角度變化，反饋給伺服電機，使其加速或減速運行，直至軟軸幾乎無轉動的輸出已經卷制完成的彈簧.計長傳感器測量彈簧的長度，圓盤每轉動一周，觸發(fā)5次傳感器，每一次觸發(fā)長度累加30mm.

3.3 異常運行狀態(tài)的設計

當卷簧機在運行過程中出現(xiàn)鋼絲斷線，鋼絲接觸機床外殼，此時系統(tǒng)進行緊急制動同時報警燈閃爍，PLC檢測到斷線信號時，立即輸出變頻器緊急停止信號，同時輸出剎車信號，氣動單元立即動作，迫使油壓剎車系統(tǒng)進行剎車.因為正常運行時主軸在高速進行旋轉，轉動慣量較大，所以此系統(tǒng)采用油壓剎車系統(tǒng)，可以快速地緊急停車.

當塑料棒未進料時，計長傳感器開關在初始設定值內未觸發(fā)，此時系統(tǒng)將此情況作為異常，立即進行緊急制動同時報警燈閃爍，提示用戶系統(tǒng)異常.排除系統(tǒng)異常故障后，按下“停止”按鈕，解除報警信號，再次按下“啟動”按鈕重新運行［5］.

3.4 觸摸屏界面的設計

為了提高系統(tǒng)操作的靈活性和適應性，采用了維綸TK6070i型觸摸屏作為上位機，用戶可以通過選擇不同外徑的彈簧參數(shù)生產各種外徑的彈簧.觸摸屏和PLC通過PPI協(xié)議進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，采用EB8000軟件對觸摸屏進行人機界面的編制［6］.系統(tǒng)人機界面分為5個部分：輸入輸出監(jiān)控、手動加減速、報警畫面、參數(shù)設置、運行畫面.系統(tǒng)開機界面如圖6所示.

運行畫面中包括主軸、伺服轉速參數(shù)、彈簧外徑、氣壓報警燈、變頻器報警燈、伺服報警燈.當出現(xiàn)報警時，相應的報警燈閃爍，可通過報警界面查看報警記錄.

圖6 觸摸屏開機界面

4 結束語

PLC作為工業(yè)控制中占主導地位的核心控制器，可以實現(xiàn)信號的檢測、被控對象的控制以及上位監(jiān)控等功能.卷簧機系統(tǒng)采用PLC作為控制器，觸摸屏作為上位機，該系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的可靠性、靈活性和故障緊急處理能力，并在工業(yè)生產中得到了驗證.

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