PLC和變頻技術在自動化車牌生產線中的應用

吳 昊 王亞麗 李文廣 肖永飛 劉成業

(山東省科學院自動化研究所，山東 濟南 250014)

0 引言

近幾年，汽車行業在我國迅猛發展，汽車的普及率也逐年提高，相應地也增加了對車牌半成品的需求。目前國內車牌半成品大多采用手工生產或單工位半自動化生產，需要的操作人員較多，勞動強度較大，并且生產質量不能保證［1］。隨著自動化技術的不斷推廣，生產效率的不斷提高，將一些舊的設備通過改造，變成全自動的生產線勢在必行。通過改造，能對舊設備加以利用，降低新生產線投入的成本，為企業減輕負擔。

在現代工業控制中，PLC、伺服系統、觸摸屏等綜合應用非常廣泛，PLC和變頻器等都具有功能強、可靠性高、使用靈活方便的特點［2］。車牌半成品自動化生產線應用PLC和變頻控制技術，采用集中管理、分布控制的方式。改造完成的生產線實現了由鋁卷材開卷到半成品沖裁整個生產流程的全自動化。系統投入使用后，性能穩定、操作方便，大大提高了工作效率，降低了成本。實際應用驗證了此控制系統具有很高的實用價值和推廣價值。

1 生產線的系統設計

1.1 生產線系統構成

生產線系統主要包括以下設備:送料、矯平機→清洗烘干機→覆膜機→伺服送料機→60 t沖床→收料機。此生產線具有高效率、速度快、操作簡單等優點，適用于大量生產車牌制作。系統組成如圖1所示。

圖1 生產線組成及布局圖Fig.1 Conposition and layout of the production line

車牌半成品自動化生產線主要完成的工作是將定制的鋁帶卷在開卷和矯平工位展開、矯平和送料;之后經過清洗烘干機進行清洗烘干，此步驟完成后即可對清洗干凈的鋁帶進行覆膜。鋁帶未進入覆膜機前應先經過糾偏裝置，以保證反光膜與鋁帶能平行前進，保證覆膜的質量。最后由伺服送料系統將覆膜完成的鋁帶輸送到60 t的沖壓機上進行沖壓，形成車牌的半成品。在伺服送料的前端也要有糾偏裝置，使鋁帶能保持相同的狀態進入到沖床工位，降低廢品率。車牌半成品隨著輸送帶輸送到收集工位，而沖床上加工剩下的鋁帶廢料由自動收料機回收，整個生產線動作結束。自動廢料收集設備是根據傳感器信號以及變頻器來調節電機的速度，并且具有拉緊廢鋁帶的功能。

由于本項設計是在已有設備的基礎上進行改造的，所以會針對已有設備的情況進行單臺設備的改造，并最終組合成全自動生產線。已有設備為半自動清洗烘干機、半自動覆膜機和半自動沖床，需人工監視工作狀況，手動控制電機的啟停。需要外購的設備為開卷矯平機、沖床前端的伺服送料系統和自動收料機。

1.2 現有設備的改造

現有設備均為半自動產品，只能手動控制。現有設備的改造包括三部分:清洗烘干機的改造、覆膜機的改造和沖床的改造。下面分別對三臺設備的改造進行說明。具體的清洗烘干機改造電氣原理如圖2所示。

圖2 清洗烘干機電氣原理圖Fig.2 Electrical schematics of cleaning and drying machines

已有的半自動清洗烘干機由三臺電機來控制整個設備的工作過程。其中兩臺是同步動作的，電動機通過減速機傳動給驅動鏈輪軸，驅動鏈輪軸上的鏈輪帶動輥子轉動，輥子再通過摩擦力帶動鋁板向前移動;第三臺電動機則是通過鏈條來帶動加熱的烘干網轉動，同時帶動鋁板向前移動［3］。舊設備不能根據實際情況自動調節清洗速度以及自動啟停，經改造后，由一臺變頻器同時控制兩臺電動機的啟動、停止和速度控制。電機不能同步調節對電機、機械損傷影響很大［4］。由一臺變頻器控制兩臺電機時，變頻器的額定功率選擇至少為兩臺電機容量總和的1.2倍，并且各電機回路需要有相應的過載保護元件。

已有的覆膜機共有兩個主動輥子，其中一個主動輥負責將反光膜與鋁板壓實，另外一個主動輥負責將反光膜的廢底紙回收。覆膜機由一臺電機來控制工作過程，電動機通過兩個鏈條減速機將運動分別傳動給覆膜機的兩個主動輥。一個輥子通過摩擦力帶動鋁板向前移動，并將反光膜壓實;另一個輥子通過自身的轉動將廢棄底紙回收。該設備經改造后，分為自動和手動兩種操作方式，當切換到自動方式時，覆膜機可以根據前端沖床的工作速度來調整自己的覆膜速度，由變頻器來控制電動機的啟動、停止和速度調整。

已有的沖床不能對一個沖壓循環進行時間控制;不能自動啟動離合器，完全由操作人員手動操作;不能連續沖壓，只能對一塊半成品車牌進行沖壓。該設備經改造后，在其前端增加了伺服送料系統，送料系統能根據需求自動調整送料速度。當伺服送料系統完成一個車牌長度的送料操作時，將會給PLC總控制系統發送一個信號，由PLC總控系統來判斷是否啟動沖床沖壓操作。另外，在沖床上安裝了變頻器，以控制沖床上帶動飛輪的電機速度。

1.3 變頻器的控制

變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備;根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的。變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等。變頻節能電動機使用變頻器的作用就是為了調速并降低啟動電流。隨著工業自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。變頻器進行無級調速有其獨特的優點:傳動機構簡單，設備體積小;線路簡單，操作方便;電動機啟動平滑，低速傳動平穩，過載能力強［5］。

在沒有調速的系統中，風機、水泵在工頻狀態下全速運行，容易形成“大馬拉小車”的現象，造成能源浪費［6］。控制系統以PLC輸出控制變頻器外部端子作多段速切換，以充分利用變頻器的先進功能。這樣的系統安全性高、操作方便、自動化程度高［7］。

在調試和使用過程中，變頻器的參數設定至關重要。若參數設定不當，將導致啟動、運行和制動的失敗，或在工作時頻繁跳閘，嚴重時會燒毀智能功率模塊或其他整流器件等［8］。

確定變頻器容量的主要依據是輸出電流，其原則為:變頻器的輸出額定電流應不小于電機的額定電流，但在連續的變動負載或斷續負載中，因電動機允許有短時間的過載，而且這種過載的時間經常超過變頻器一般允許的1 min，故應考慮選擇變頻器的額定電流不小于電動機運行過程中的最大電流［9］。

1.4 工作節拍

整個生產線節拍由沖壓機決定，以沖壓機為分界線，沖壓機的前端設備自動進行節拍隨動輸送，沖壓機的后端設備根據沖壓機輸出的廢料進行調速運行。

設備自動運行時，沖壓機處于連沖模式。在每個沖壓循環中，伺服送料機構輸送440 mm(一個車牌長度，可微調)，若以6 s生產一個車牌計算，則生產速度為4.4 m/min。沖壓機前端的覆膜機和沖壓機之間有過渡橋，覆膜機根據過渡橋的信號來控制自身電機的啟動、停止和調速，進而調整所供應的鋁板的數量;覆膜機前端的清洗機和覆膜機之間也有過渡橋，清洗機和覆膜機之間的動作也是通過過渡橋的信號來達到協調統一;開卷矯平機與清洗機之間亦是通過過渡橋來實現信號之間的傳遞;沖壓機后端的廢料回收機根據過渡橋的信號來收集廢料。最終整個系統均以同樣的速度運行，并且受PLC中央控制系統統一控制，不會出現送料不及時或板料堆積的情況。

2 生產線的控制系統

控制系統配有操作臺，單元操作面板上有上電按鈕、自動運行和急停按鈕等，上電后可對系統進行整體控制。整個控制系統主要分為人機界面、PLC、變頻器和信號采集系統等。

整套控制系統的人機界面、PLC和變頻器等主要設備均采用臺達的相應產品，人機界面和PLC等安裝在總控制柜上，而變頻器則安裝在相應設備的獨立控制箱里。操作人員在人機界面上對系統的運行參數進行設定。觸摸屏操作界面分手動操作、自動操作、故障復位、參數設置、I/O狀態顯示、報警信息顯示、事件消息顯示和生產數據顯示等。通過觸摸屏，操作人員能夠快速對設備進行操作，可以實時、直觀地監控設備的生產情況。當把參數設定完成之后，即可把各設備切換到自動檔位，等待由PLC總控系統統一協調各設備的動作。該控制系統采用臺達DVP-SS2系列PLC作為全自動生產線核心控制單元。PLC通過信號采集系統對整個系統的信號進行收集和邏輯處理，最終形成一些指令并分發給各個設備，使整套系統完成全自動的、協調的生產。

3 系統的軟件組成

在進行軟件設計之前，需要考慮整個控制系統功能執行過程和通信過程。系統軟件設計主要由兩部分組成:①觸摸屏，用于實現實時數據、系統狀態和報警信息的顯示，以及操作人員對整個控制系統參數的設定和修改;②PLC，它是整個系統數據交換和處理的中心，主要功能是數據格式轉換、報警判斷、輸出顯示和整套系統的協調。

3.1 觸摸屏的組態

觸摸屏的整個組態工作主要包括工作流程區域、設備狀態區域和報警處理區域等設計，以及各種操作按鈕、顯示畫面和功能鍵的實現等［10］。觸摸屏的變量輸入、信息顯示和操作畫面的定義等操作功能，由臺達公司的Screen Editor組態軟件來完成。

全局變量帶有PLC鏈接，是實現觸摸屏和PLC之間數據交互通信的聯系紐帶，它在PLC上占據一個已定義的存儲器地址，用戶可以在操作器單元上對該地址的變量進行讀寫訪問。

3.2 PLC 程序設計

傳感器和伺服系統屬于檢測和執行部分，它們實時采集各種需要的信號并傳入PLC，同時將PLC輸出的數字信號或模擬信號轉換成傳感器和伺服系統的操作。本系統采用臺達的配套編程工具WPLSoft 2.20，完成CPU的硬件組態、參數設置、編程、測試和調試。

PLC主要完成以下幾個控制任務:①通過傳感器采集底層設備狀態，實時監控整個系統的狀態;②根據傳感器上傳的設備狀態，協調各設備的動作順序，通過變頻器控制底層設備，進行正確的啟動與停止過程控制;③與觸摸屏的實時交互操作。

4 結束語

在實際使用過程中，車牌半成品自動化生產線工作穩定可靠、編程功能強大且易于修改維護。對于車牌的尺寸，在基于伺服送料的自動控制系統作用下，可以任意調節車牌長度，適合不同型號的產品，滿足了預期的效果。經具體生產過程驗證，在車牌半成品自動化生產線上安裝PLC和變頻器，提高了車牌生產效率，方便了現場操作人員的人工操作，減少了生產人員投入，降低了生產線的耗電量，達到了節能的作用。基于臺達PLC和變頻器的自動控制系統，具有人機界面友好、維護方便、成本投入低的優點，對車牌半成品的生產產生了較大的社會效益和經濟效益。

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