基于PLC和觸摸屏的板片成型液壓機控制系統的設計與實現

馮作全，蘆光榮，王宇翔

（蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司 信息與自動化研究中心，蘭州 730030）

0 引言

板片成型液壓機是一種新型的液壓專用設備，主要用于高密度波紋淺拉伸及非金屬板材的成型，如板式換熱器板片、制氫電極板及碳化硅板等，它主要由主機、液壓控制系統、電氣控制系統和冷卻系統組成。其中電氣控制系統主要包括電機啟動裝置、PLC控制系統、安全聯鎖裝置和工業監控設定觸摸屏，可實現板片加工成型過程的自動控制。系統采用現場總線與工業以太網（Ethernet）相結合的分布式控制結構，通過主站CPU集成PROFIBUS-DP接口連接ET200M遠程站，并擴展CP343-1以太網模塊連接工業監控設定觸摸屏，通過觸摸屏輸入參數，可實現單動（點動）、半自動（單步動作）、自動（工作周期）三種操作方式，同時具有計數顯示、壓力顯示、運行狀態顯示、光電安全保護、超溫超壓報警等功能。

1 系統設計方案

根據板片成型工藝要求，板片成型液壓機動作流程為：滑塊空程下行→空程慢下→系統加壓→增壓→保壓→泄壓→回程→靜止。空程快下：無須驅動，借助于滑塊自重，控制油將主缸中超高壓充液閥打開，經支承閥塊中快速放油閥實現滑塊快速下行，并向主缸快速充液。空程慢下：當快下到限位開關發訊轉慢下，慢下由支承閥塊中可調節流的插裝閥實現。加壓：主泵供油經調壓閥塊和分配閥塊通過缸底上液控單向閥直接進入主缸，實現泵加壓。增壓：當泵加壓至預定壓力，壓力傳感器發訊，泵供油通過換向閥塊驅動增壓器，經超高壓雙單向閥后進入主缸，實現增壓。保壓、卸壓：當壓力達到規定值后泵處于卸荷狀態，轉為保壓。保壓時間結束兩級泄壓閥開啟使缸內液體平穩快速卸壓。回程：缸底上充液閥打開，通過回程缸實現回程。靜止：壓機滑塊在任意位置挺留，而不下溜，由支承閥塊中自鎖功能實現。

為實現上述板片壓制動作，本系統選配西門子S7-300系列PLC，中央處理單元采用CPU313C-2DP，并擴展CP343-1工業以太網接口模塊，實現與工業監控設定觸摸屏MP277 10”之間的數據通訊；操作臺從站選配ET200M，通過史陶比爾MC工業連接器由Profibus-DP總線完成與主站PLC之間的通訊[1]。系統網絡組態如圖1所示。

2 系統實現策略

控制系統主站PLC通過采集現場傳感器壓力、位移、溫度信號，限位開關位置信號，按鈕閉合、斷開信號等，利用PLC內部指令進行分析處理，控制液壓系統電磁閥得電/失電，從而實現壓機下行、慢下、加壓、增壓、保壓、泄壓、回程控制執行功能。通過工業監控設定觸摸屏可輸入滑塊位移、管路壓力、油液溫度上下限和零位調整范圍，工藝配方參數，滑塊機械限位有效/無效變更等信息，并顯示系統壓制運行參數。

圖1 系統網絡組態

控制系統共有6臺電機，包括4臺主泵電機，1臺控制泵電機，1臺油冷機電機，啟動裝置采用美國AB公司軟啟動器，可實現間隔順序啟動，保護油泵，減小交流感應電機全壓起動造成的機械損傷，延長系統壽命，抑制沖擊電流對線路的干擾，有效減少停機時間。

安全系統是在壓機兩側安裝安全光幕，配有安全繼電器，當操作人員送取板片時，只要身體的任何一部分遮擋光線，設備就進入安全狀態而不會給操作人員帶來傷害。設備在增壓和保壓管線配備壓力傳感器，當滑塊運行至增壓和保壓位置時，壓力傳感器給主站PLC發訊，實現保壓/增壓動作。在主管路上安裝電接點壓力表，具有超壓報警功能，能夠使系統立即卸壓；壓機主機四角都安裝急停按鈕，帶有安全復位功能，方便維修和操作。

狀態自檢系統可在觸摸屏上動態顯示工作壓力、油液溫度和滑塊位移，同時可顯示壓機工作狀態、故障狀態、報警狀態、電磁閥得電/失電狀態，并顯示故障原因，方便維修人員檢查維修；在油箱上裝有溫度傳感器檢測油溫，系統根據設定溫度自動啟動換熱裝置，當超過油溫，立即停機。為方便模具安裝和調整，在壓機旁安裝雙手操作臺，可實現慢下、慢回程。主站PLC能夠存儲上百套壓制工藝參數，通過觸摸屏可設定壓力、時間、高度等參數，在設備運行期間能夠直接在觸摸屏設備上獲取相關數據。

3 軟件設計

板片成型液壓機控制系統軟件主要由主站PLC和觸摸屏部分組成，主站PLC采用STEP7編程軟件，觸摸屏界面使用WINCC Flexible進行組態。主站PLC采用模塊化編程結構，按照板片成型工藝流程和控制系統實現的不同功能，主要將其分為以下功能模塊：

FC21：系統故障報警處理

FC22：多主泵電機軟起起動、正常運行轉換

FC23：傳感器數據處理與整定

FC24：手動/自動控制功能

FC25：泵頭閥帶電測試

根據本系統控制要求，重點對主泵電機軟起起動和設備自動運行程序設計過程進行詳細闡述。軟起起動程序設計思路是當主電路斷路器閉合，電機起動信號觸發，則電機起動繼電器由程序驅動吸合，同時，軟起運行繼電器也由程序驅動吸合，電機起動。當電機起動過程結束，軟起啟動器發出達速信號后，電機起動繼電器和軟起運行繼電器由程序斷開，電機軟起接觸器斷開，運行繼電器由程序驅動吸合，電機進入運行狀態。下面以M1主泵電機為例對軟起過程進行說明：

軟起程序1（M1起動控制）：

O "M1_Run" I4.2 主泵電機M1運行

O "M1_Star_KA" Q0.1 M1起動控制繼電器

AN "M1_Run_KA" Q0.2 M1運行控制繼電器

AN "M1Stop" M240.1 M1電機停止信號

A "M1_StartSignal" M60.0 M1電機起動信號

A "M1_StarCondition" M53.0 M1電機起動條件

AN "M1_Fault" M62.0 M1電機故障

= "M1_Star_KA" Q0.1 M1起動控制繼電器

L S5T#6S

SD T 10

程序1中，M1_StarCondition為M1泵電機運行條件（包括閘閥限位、壓力等），當其滿足且此泵泵頭閥為溢流邏輯，其他與此共用軟起動器的泵電機沒有啟動，軟起動器無復位信號，則此泵起動條件滿足。當此泵起動信號M1_StartSignal觸發，且運行繼電器M1_Run_KA沒有觸發，M1泵故障信號M1_Fault沒有觸發，則M1泵起動繼電器M1_Star_KA得電并自鎖，同時起動定時器T10。

軟起程序2（M1運行控制）：

A T 10

A "RQ_DASU" I5.6 軟起達速信號

O "M1_Run_KA" Q0.2 M1運行控制繼電器

AN "M1Stop" M240.1 M1停止信號

AN "AlarmDate".Emergency DB22.DBX0.0

A "M1_StartSignal" M1電機起動信號

= "M1_Run_KA" M60.0 M1電機起動信號

程序2中，當定時器T10定時時間6S到，其觸電閉合，且軟起達速信號RQ_DASU滿足，則M1泵運行繼電器得電自鎖，并使起動繼電器M1_Star_KA失電。

軟起程序3（M1軟起起動）：

A "M1_Star_KA" Q0.1 M1起動控制繼電器

A "M1_RJB" I0.1 M1軟動接觸器閉合

A "RQ_DB" I0.0 軟動斷路器閉合

AN "RQ_Fault" I5.5 軟動故障信號

L S5T#400MS

SD T 11

= "RQ_KA" Q0.0 M1軟起運行繼電器

程序3中，當M1泵起動繼電器M1_Star_KA和起動接觸器M1_RJB閉合，并且軟起前端斷路器閉合信號RQ_DB和軟啟動器正常信號觸發，則軟起動運行繼電器RQ_KA延時400MS得電，使軟啟動器運行。

對于壓機自動運行程序設計使用置位復位指令順序控制語句表實現。其實現的基本思路包括兩個操作：其一將該轉換所有的后續步變為活動步，即代表后續步的存儲器位變為1狀態，并使它保持1狀態。其二將該轉換所有的前級步變為不活動步，即代表前級步的存儲器位變為0狀態，并使它保持0狀態[2]。以設備實現自動加壓過程的程序進行說明。

設備加壓部分程序：

A "AutoStartCondition" M100.4 自動啟動條件

A "IncreaseHigh_M" M90.6 加壓標志

S "CT_Manu-Press-M" M160.2 加壓狀態

O "CT_Manu-Run-M" M160.0 快下運行狀態

O "CT_Manu-SlowDown-M" M160.1 慢下運行狀態

O "Pressurize_State" M160.6 增壓狀態

O "Keep_State" M160.7 保壓狀態

O "Release_High" M161.0 卸高壓狀態

O "Release_Low" M161.1 卸低壓狀態

O "CT_Manu-FastRetu-M" M160.4 快回狀態

O "CT_Manu-SlowRetu-M" M160.3 慢回狀態

O "CT_Manu-Stat-M" M160.5 靜止狀態

O "Pressurize_Mark" M90.0 增壓標志

O "AutoStop_M" M162.4 自動運行停止

上述程序中，當自動啟動條件AutoStartCondition（泵電機正常運行、安全光幕無觸發信號、急停按鈕等）滿足，壓機滑塊運行至加壓標志位IncreaseHigh_M時，將加壓狀態CT_Manu-Press-M置位，其他所有狀態均復位，從而保證壓機的單一工作狀態，在此狀態下，與此相對應的電磁閥得電，實現壓機的加壓動作。其他狀態與此類似，在此不作說明。

壓機監控設定觸摸屏畫面使用WINCC Flexible進行組態，其主畫面分為設備運行狀態顯示、參數設置、系統報警和液壓系統，主畫面之間通過按鈕可相互切換，畫面中所有變量均與主站PLC數據塊一一對應，實現主機運行情況的動態顯示。在畫面組態過程中，配方工藝參數是本系統畫面組態的關鍵之一，下面對其組態過程進行簡要說明。

在畫面中組態配方，需要在配方編輯器中創建帶有相關聯數據的配方。若在觸摸屏設備上顯示和編輯配方，需要在過程畫面中組態配方視圖或配方畫面。在系統運行過程中，配方數據記錄可以在外部數據存儲介質、觸摸屏設備和控制器之間傳送[3]。配方數據傳送機制如圖2所示。

圖2 配方數據傳送機制

在配方傳送過程中，通過執行“保存”功能，將在配方視圖或配方畫面改變的值寫到存貯介質的配方數據記錄中；執行“裝載”功能將存儲介質里的配方數據記錄值來更新配方畫面里顯示的配方變量的值；在調用“寫入控制器”功能時，將配方視圖和配方屏幕的值增量下載到PLC中；調用“從控制器讀出”功能將用控制器的值更新配方視圖和配方畫面里指示的值。

利用配方編輯器可創建、組態和編輯配方，在配方編輯器的元素標簽頁上分別輸入加壓高度、回程高度、轉增壓壓力、保壓壓力、保壓時間，依次更改配方的組態設置，創建和編輯完成配方元素和數據記錄后，在配方畫面上可以組態配方視圖，系統運行時能夠顯示和編輯配方數據記錄。當在系統配方視圖中輸入配方工藝參數數據或修改配方變量，可能導致配方變量的當前值和實際值不同，根據配方數據傳送機制，可使配方視圖中顯示的數值與配方變量和PLC的值同步。

4 結束語

本文根據板片成型工藝流程設計壓機電氣控制系統，組建了主站PLC與遠程站ET200M和工業監控設定觸摸屏MP277之間的網絡架構，闡述了整機自動控制系統的實現策略，設計了主站PLC與觸摸屏的軟件程序，并將WINCC Flexible組態的項目集成到STEP7中，通過使用S7-PLCSIM完成對整個控制軟件的仿真，仿真過程真實模擬現場操作流程設定各種開關、顯示、控制參數及各種故障狀態，并根據控制要求調整DB塊相關參數，經仿真驗證，程序各功能塊運行準確，能完成預期的控制功能，可應用于實際工程。

[1]劉建昌,于洪磊,辛紅,等.S7-300/400PLC工業網絡通信技術指南[M].北京:機械工業出版社,2009.

[2]廖常初.S7-300/400PLC應用技術[M].北京:機械工業出版社,2011.

[3]SIMATIC HMI WINCC flexible 2008系統手冊.