基于PLC的精沖機(jī)電氣控制系統(tǒng)研究

2013-05-03 09:11:54向六昭王成瓊

中國(guó)測(cè)試 2013年2期

向六昭，王成瓊

（內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川內(nèi)江 641100）

0 引言

精沖機(jī)是完成精沖工藝和精沖復(fù)合工藝的專用設(shè)備。精沖工藝過(guò)程是塑性變形的過(guò)程，它是與彎曲、拉伸、翻邊、鐓擠、壓沉孔、半沖孔和擠壓等工藝結(jié)合而成的精沖復(fù)合工藝，一次精沖即可獲得表面光潔度為Ra 2.5μm至0.63μm的零件，一次沖裁可取代大量的切削加工工序，極大地提高了生產(chǎn)效率[1]。

精沖機(jī)設(shè)有調(diào)整、步進(jìn)、單次、連續(xù)共4種不同的工作狀態(tài)，具有自動(dòng)潤(rùn)滑、自動(dòng)送料、疊料保護(hù)、廢料自動(dòng)剪切與拋出、工件頂出與吹出等功能。其工作壓力、壓制行程及速度可根據(jù)工藝需要在規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

精沖機(jī)主要由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)3大部分組成，其電氣系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)、控制等部分，是精沖機(jī)協(xié)調(diào)而可靠工作的根本保證。本文所述精沖機(jī)電氣控制系統(tǒng)可有效地解決目前精沖機(jī)電氣控制系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合及控制系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性較差的問(wèn)題。

1 精沖機(jī)的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制方案的確定

精沖機(jī)的動(dòng)作規(guī)范較多，可靠性、安全性要求高，工作時(shí)需要機(jī)械、液壓、電氣的緊密配合，各種動(dòng)作協(xié)調(diào)。如果使用傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制方式，整個(gè)控制電路必然十分繁瑣，安裝、調(diào)試、維護(hù)都很困難，同時(shí)繼電器控制系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，不能處理模擬量信號(hào)，所以繼電器控制系統(tǒng)難以滿足精沖機(jī)的控制要求。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大，但編程困難，使用維護(hù)不便，對(duì)使用環(huán)境要求也很高。PLC控制系統(tǒng)線路簡(jiǎn)潔直觀，安裝接線方便，編程簡(jiǎn)單，易學(xué)易懂，當(dāng)需要改變控制要求時(shí)，在硬件上的改動(dòng)很小，所以本系統(tǒng)采用基于PLC的控制系統(tǒng)。另外，因?yàn)榫珱_機(jī)的動(dòng)作規(guī)范多，如果使用物理的按鈕控制、指示燈顯示其各種工作狀態(tài)和信息的方式，那么按鈕和指示燈的數(shù)量將達(dá)到數(shù)十個(gè)。這樣，一方面增加了安裝、布局、接線的難度，同時(shí)也增加了故障率、降低了可靠性，所以，本系統(tǒng)采用人機(jī)界面（觸摸屏）來(lái)完成精沖機(jī)的主要操作和信息顯示。

控制方案確定后，設(shè)計(jì)出精沖機(jī)電氣控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 主電路設(shè)計(jì)

本機(jī)主電路主要由主油泵馬達(dá)電路、冷卻泵馬達(dá)電路、抽油馬達(dá)電路組成，各馬達(dá)均使用三相交流電源供電，轉(zhuǎn)速固定，所以采用傳統(tǒng)的接觸器控制方式。

主油泵馬達(dá)功率較大，采用星形——三角形減壓?jiǎn)?dòng)，以使其平穩(wěn)啟動(dòng)；冷卻泵馬達(dá)、抽油馬達(dá)功率小，采用直接啟動(dòng)方式。

1.3 控制電路設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)采用PLC控制，各種控制、檢測(cè)信號(hào)都作為PLC的輸入信號(hào)，再由PLC控制相應(yīng)的執(zhí)行器件。

1.3.1 PLC輸入、輸出設(shè)備的確定

本控制系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)數(shù)量較多，當(dāng)機(jī)床自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，輸入設(shè)備是設(shè)置在精沖機(jī)上的各種檢測(cè)和控制元件，即精沖機(jī)主液壓缸（主柱塞）的上下運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手的送料、接料、剪料、拋料運(yùn)動(dòng)，主柱塞的快速進(jìn)給、慢速?zèng)_剪、快速退回運(yùn)動(dòng)，各種限位動(dòng)作等由PLC自動(dòng)控制，所以，這些檢測(cè)和控制元件必須作為PLC的輸入設(shè)備。同時(shí)，精沖機(jī)工作時(shí)，要求實(shí)時(shí)檢測(cè)主柱塞的位置，在進(jìn)行封閉高度調(diào)整時(shí)，要求實(shí)時(shí)顯示封閉高度值，所以主柱塞的位置信號(hào)和封閉高度的檢測(cè)信號(hào)也必須作為PLC的輸入量。

當(dāng)精沖機(jī)處于調(diào)整狀態(tài)時(shí)，各種操作在人機(jī)界面上進(jìn)行，主令元件通過(guò)對(duì)人機(jī)界面的組態(tài)實(shí)現(xiàn)，在編制梯形圖時(shí)僅使用PLC的內(nèi)部輔助繼電器，所以這些主令元件不占用PLC的輸入接口資源，從而節(jié)省了PLC輸入接口的數(shù)量[2]。

控制各馬達(dá)的交流接觸器KM、液壓系統(tǒng)的各個(gè)電磁閥YV由PLC控制，它們均作為PLC的輸出設(shè)備。

1.3.2 選擇PLC和人機(jī)界面

PLC的選擇包括機(jī)型選擇和輸入輸出接口類型選擇。在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)使用要求選擇相應(yīng)PLC。

人機(jī)界面的選擇要注意和PLC的匹配問(wèn)題。

根據(jù)前述要求，本控制系統(tǒng)共有數(shù)字量輸入設(shè)備31個(gè)，模擬量輸入設(shè)備2個(gè)，輸出設(shè)備30個(gè)，考慮到設(shè)備的擴(kuò)充能力，在選擇PLC輸入輸出接口時(shí)應(yīng)留有約15%的裕量，同時(shí)注意以下3點(diǎn)[3-6]：

（1）注意負(fù)載的容量。輸出接口須遵守允許最大電流限制的原則，以保證PLC輸出接口的發(fā)熱量被限制在允許范圍內(nèi)。要特別注意，PLC輸出繼電器的使用壽命和其負(fù)載容量直接相關(guān)，當(dāng)負(fù)載容量增加時(shí)，輸出觸點(diǎn)的壽命將大大降低。

（2）注意負(fù)載的性質(zhì)。感性負(fù)載在通斷瞬間會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，因此當(dāng)PLC驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)應(yīng)在負(fù)載兩端并聯(lián)吸收保護(hù)電路，以保護(hù)PLC的輸出觸點(diǎn)。

（3）注意負(fù)載的動(dòng)作頻率。不同的輸出接口類型適合不同的負(fù)載動(dòng)作頻率。

本控制系統(tǒng)中PLC輸出接口驅(qū)動(dòng)的負(fù)載是小型電磁線圈，消耗功率較小，精沖機(jī)工作時(shí)，要求其響應(yīng)速度越快越好，如果選用繼電器輸出型接口，其響應(yīng)時(shí)間一般在10～20ms之間，而晶體管輸出型接口的響應(yīng)時(shí)間一般在0.2～0.5ms之間，所以本系統(tǒng)選擇晶體管輸出型接口。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)PLC的種類較多，結(jié)合精沖機(jī)的控制要求和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本控制系統(tǒng)選擇西門(mén)子S7-300系列PLC，具體配置是：S7-315CPU，SM321數(shù)字量輸入模塊，SM331模擬量輸入模塊，SM322數(shù)字量輸出模塊；相應(yīng)地，選用西門(mén)子MP377 12〃人機(jī)界面（觸摸屏），控制系統(tǒng)硬件組態(tài)圖見(jiàn)圖2。

圖2 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

1.3.3 PLC輸入、輸出設(shè)備分配

根據(jù)控制要求和所選定的PLC，列出PLC輸入、輸出設(shè)備分配表，見(jiàn)表1[7-10]。

表1 PLC輸入、輸出設(shè)備分配表

1.3.4 設(shè)計(jì)電氣原理圖

根據(jù)控制要求及所選擇的PLC，設(shè)計(jì)出滿足要求的電氣原理圖。在設(shè)計(jì)電氣原理圖時(shí)，考慮到控制系統(tǒng)因外部干擾而導(dǎo)致的可靠性問(wèn)題（本控制系統(tǒng)的干擾源主要有電源干擾、信號(hào)線引入的干擾、來(lái)自接地系統(tǒng)的干擾，另外還有硬件工作時(shí)的不穩(wěn)定性帶來(lái)的系統(tǒng)的不可靠性），本系統(tǒng)采取的主要措施如下：

（1）在PLC的電源進(jìn)線端加裝了隔離變壓器（見(jiàn)圖3）及低通濾波器。

圖3 PLC電源隔離圖

（2）PLC的輸入輸出通道之間本身已經(jīng)具有電氣隔離功能，不需要再單獨(dú)設(shè)立電氣隔離電路。

（3）在PLC輸出負(fù)載兩端并聯(lián)了吸收保護(hù)電路，并使用自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)作為過(guò)載和短路保護(hù)設(shè)備。

（4）在不能同時(shí)工作而又有可能出現(xiàn)誤動(dòng)作的硬件之間設(shè)置了硬件互鎖，即利用輔助繼電器觸頭或交流接觸器的輔助觸頭實(shí)現(xiàn)硬件互鎖功能。

（5）信號(hào)線使用屏蔽電纜。

（6）保證接地線的線徑以減小接地阻抗。

（7）在編輯PLC控制程序時(shí)設(shè)計(jì)軟件互鎖。

（8）選擇知名品牌的電氣元件。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)，從硬件和軟件方面都使控制系統(tǒng)的可靠性得到了極大地提高。

1.3.5 選擇主要電氣元器件

在電氣元器件的選擇上，考慮到機(jī)床工作的可靠性和安全性，降低故障率，液壓系統(tǒng)各電磁閥均使用DC24V電源供電，各檢測(cè)和控制元件盡可能使用接近開(kāi)關(guān)，使用直線位移傳感器作為主柱塞和封閉高度的位移檢測(cè)設(shè)備，其輸出信號(hào)為4～20mA的電流信號(hào)。

2 安裝與布線工藝設(shè)計(jì)

在進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的安裝與布線工藝設(shè)計(jì)時(shí)，注意到以下3點(diǎn)：

（1）安裝位置。PLC不能與高壓電器安裝在同一個(gè)配電柜內(nèi)。

（2）信號(hào)傳輸。為防止信號(hào)干擾，布線時(shí)將動(dòng)力線和信號(hào)線分開(kāi)布置，并分別裝入不同的金屬軟管和行線槽內(nèi)，所以本系統(tǒng)的接近開(kāi)關(guān)和直線位移傳感器的信號(hào)線使用屏蔽電纜，同時(shí)將屏蔽層兩端可靠接地。

（3）發(fā)熱與散熱。在電氣柜內(nèi)布置電氣元器件時(shí)，充分考慮了電氣元器件的發(fā)熱與散熱問(wèn)題，把發(fā)熱量大的元器件安裝在電氣柜的上部，PLC安裝在電氣柜的下部，同時(shí)在電氣柜側(cè)面設(shè)置了強(qiáng)制換熱風(fēng)扇。

3 PLC編程與人機(jī)界面組態(tài)

使用西門(mén)子STEP7 V5.4編制PLC的控制程序，用西門(mén)子WinCC Flexible 2007對(duì)人機(jī)界面組態(tài)。在編寫(xiě)控制程序時(shí)需要設(shè)置互鎖功能，使軟件互鎖和硬件互鎖相互配合，在軟件中設(shè)計(jì)了故障檢測(cè)和報(bào)警程序，從而盡可能地提高系統(tǒng)的可靠性。

3.1 PLC編程

在對(duì)西門(mén)子S7-300系列PLC進(jìn)行編程前需要對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)，組態(tài)完成后才能進(jìn)行應(yīng)用程序的編寫(xiě)。

3.2 觸摸屏組態(tài)

本控制系統(tǒng)的主要操作均在觸摸屏上完成，所以觸摸屏的組態(tài)十分關(guān)鍵，使用西門(mén)子WinCC Flexible 2007組態(tài)軟件對(duì)觸摸屏進(jìn)行組態(tài)。組態(tài)畫(huà)面主要有主電機(jī)控制畫(huà)面、寸動(dòng)及封高調(diào)整畫(huà)面、液壓系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面、輔助設(shè)備控制畫(huà)面、液壓參數(shù)設(shè)置畫(huà)面、行程參數(shù)設(shè)置畫(huà)面等[11]。

3.2.1 創(chuàng)建組態(tài)項(xiàng)目

進(jìn)入WinCC flexible 2007項(xiàng)目向?qū)?chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，設(shè)備類型為小型設(shè)備，連接方式為IF1B。

3.2.2 變量的生成與組態(tài)

變量分為外部變量和內(nèi)部變量，每個(gè)變量都有一個(gè)符號(hào)名和數(shù)據(jù)類型。外部變量是操作單元（人機(jī)界面HMI）與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的橋梁，是PLC中定義的存儲(chǔ)單元的映像，其值隨PLC程序的執(zhí)行而改變。外部變量可以在HMI設(shè)備和PLC中訪問(wèn)；內(nèi)部變量存儲(chǔ)在HMI設(shè)備的存儲(chǔ)器中，與PLC沒(méi)有連接關(guān)系，只有HMI設(shè)備能訪問(wèn)內(nèi)部變量。

打開(kāi)變量編輯器，在變量表或所選變量的屬性視圖中設(shè)置好各變量的屬性。

3.2.3 畫(huà)面的生成與組態(tài)

人機(jī)界面（觸摸屏）用畫(huà)面中的可視化的畫(huà)面元件來(lái)反映實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，在本系統(tǒng)的畫(huà)面中可以修改精沖機(jī)工作過(guò)程的設(shè)定值，如液壓系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置等。

精沖機(jī)控制系統(tǒng)的主畫(huà)面見(jiàn)圖4，寸動(dòng)和封高調(diào)整畫(huà)面見(jiàn)圖5。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所述的精沖機(jī)電氣控制系統(tǒng)已成功投入使用，實(shí)際應(yīng)用表明，通過(guò)PLC和觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)精沖機(jī)的控制，保證了精沖機(jī)各種動(dòng)作協(xié)調(diào)、可靠地運(yùn)行，從而提高了精沖機(jī)的整體性能。