電氣自動化在油泵性能試驗臺上的應用

李永鑫

摘 要：2015年富奧汽車零部件股份有限公司泵業分公司為大眾公司配套節油性能更穩定、性價比更高的EA211油泵產品。為了保障產品的性能指標達到大眾主機廠的審核驗收要求，急需自制油泵總成性能試驗臺。經過市場調研及性價比對照，主要部件選用操作簡單、穩定性好、在工業中應用廣泛的松下PLC、觸摸屏、伺服控制器及伺服電機，經過軟件編輯組態程序，配盤反復調試后，成功完成這臺油泵總成性能試驗臺的自制工作，并取得良好的效果。

關鍵詞：可編程控制器 觸摸屏 伺服系統 自制試驗臺

中圖分類號：TK407 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（a）-0002-03

近年來隨著我國經濟的飛速發展，在國家“雙創”戰略的指導下，電氣設備制造行業迅速復蘇，擁有強大的電氣自動化技術對企業發展起著至關重要的作用，在現代化的企業中運用自身所學的理論知識，設計自制或改造設備已經屢見不鮮。在了解產品基本性能的前提下，怎樣才能投資少見效快，這才是技術人員要解決的實際問題。近年來，隨著PLC觸摸屏數字伺服應用逐漸成熟，這方面的非標設備占有率逐年加大，系統的穩定性逐年提高，而且價格持續下降，最終我們選用了松下產品。

1 自制方案設計

首先要了解EA211 1.4T油泵產品的工作原理，針對產品功能設計試驗臺動作原理，該次自制試驗臺共完成兩項指標，即檢測油泵軸負載扭矩和油泵的吸油能力。先檢測扭矩，完成后再檢測吸油能力，由于是干式試驗臺，油泵不與機油直接接觸，應用真空原理，驅動油泵達到一定轉速，將機油吸到一定高度。

試驗臺動作原理確定后，設計試驗臺的框架及動作流程，運用觸摸屏作為PLC的上位機，PLC進行外部信息收集并進行內部處理，控制氣缸動作及伺服電機運轉，觸摸屏既能與PLC進行實時數據通訊，又能對各種傳感器信號加以顯示，并可以手動設定產品的試驗工藝參數，經過論證后最終確定這是一種有效的電氣設計方法。

具體工作如下：制造試驗臺框架及油箱，制作伺服電機連接法蘭，將伺服電機與工裝連接好。氣缸閥體固定好，設計電氣原理圖，硬件配盤，編輯PLC和觸摸屏組態軟件程序，修改驅動器的控制參數，設置RFID卡傳輸數據，連接好各個電氣部件，配盤反復調試程序，最后使動作符合產品工藝要求。

2 主要電氣部件簡介

2.1 松下可編程控制器（PLC）

可編程控制器于1986年在美國首次登場，是用于自動控制的控制器。與當時作為控制領域的主流繼電器自控方式相比，具有高可靠性、長壽命、易于編寫和可修改程序等特點。隨著半導體技術的發展，可編程控制器更加小型化、高性能化、低價格化。現在早已經應用到電氣自動化工控的各個領域。可編程控制器的工作原理是將來自輸入設備的信號，按照給定的條件進行處理、運算、判斷，并將結果輸出到外部設備。

2.2 松下觸摸屏

工業用觸摸屏出現在中國企業大約十幾年時間，盡管時間不長，但發展很快，尤其是近幾年普及性逐年提高。日本松下觸摸屏又稱為可編程終端，它已經成為系列化產品，屏幕尺寸規格齊全，有單色液晶和彩色液晶的區別，工作電壓均為直流24 V，觸摸開關壽命100萬次以上。觸摸屏的通訊方式有RS232C和RS485兩種，GT32配備USB接口，可以和各大公司不同品牌的PLC連接。松下觸摸屏具備獨有的穿越功能，即計算機與觸摸屏用USB口相連，觸摸屏再與PLC用串口相連，安裝在計算機的組態工具GTWIN和PLC編程軟件FPWIN可以分別與觸摸屏和PLC通訊。

2.3 伺服驅動與電機

我們選用的是松下MCDKT3520CA1驅動器，主回路電源200 V系列單相三相供電均可，有控制信號、模擬/數字信號、脈沖信號輸入輸出功能，通訊功能有USB、RS232、RS4853種形式，控制功能有位置控制、速度控制、轉矩控制及全閉環控制4種方式。與之相配套的是松下MHMD082G1U高慣量伺服電機，功率0.75 kW，最高轉速3 000 r/min。具有響應速度快、定位時間短、動作平滑振動低、速度穩定性好、電機小型化、指令分辨率高等特點。

3 設計電氣控制系統連接原理框

設計電氣控制系統連接原理框如圖1。

4 試驗臺的調試工作

4.1 硬件配盤

設計電氣原理圖，根據電氣原理圖進行硬件配盤。各電氣部件按照功能進行合理布局，按照原理圖進行線號打印。布線整齊，易于維修。弱電信號使用屏蔽線，強電線束與弱電線束盡量分開，減少干擾。

4.2 PLC的調試

PLC的調試是該次自制試驗臺成功與否的關鍵一步，松下PLC編程命令豐富，基本命令20條，特殊命令380條，這些命令足以滿足自制試驗臺的需要。該次應用使用的特殊指令有數據讀取、數據寫入、數據傳輸、寄存器計數、模擬量采集計算、數據比較等。

現在舉例說明幾步關鍵工作的處理。

4.2.1 PLC與巴魯夫RFID卡的通信

巴魯夫RFID卡是能夠讀和寫的存儲部件，將RFID讀卡器接上DC24V電源，通過RS232C與PLC相連，用自帶軟件將波特率、數據位、停止位、奇偶校驗等數據與PLC端設定一致，否則無法正常與PLC通信。讀卡器固定，當RFID卡通過時，讀卡器將數據讀到PLC的存儲寄存器（D區），通過PLC再上傳到觸摸屏，在觸摸屏上顯示年月日和流水號，收到上到序合格信號會自動落下夾緊，開始檢測。完成后將扭矩值和吸油時間及合格信號寫到RFID卡內，最終上傳到服務器（見圖2）。

4.2.2 扭矩信號和電機轉速信號的處理

（1）扭矩信號處理。

電機、扭矩傳感器及工件安裝在同一高度水平線上，垂直固定擺放，調整好各部件位置，使空載時扭矩信號趨近于零。正常工作時扭矩傳感器發出的信號，經過放大器轉換為標準的4～20 mA的電流，再通過A/D模塊，進入PLC的WX11通道，通過公式計算，將實際處理的結果實時上傳到觸摸屏。

（2）電機實際轉速信號處理。

按照工藝要求，這個試驗設備需要3種速度，分別是50 r/min、600 r/min、100 r/min，設備先以50 r的轉速進行扭矩檢測，測完扭矩后，速度自動轉換到600 r進行吸油性能檢測，兩項試驗均測試完成，以100 r/min轉一圈，每次都停在同一位置，為操作人員上下工件提供方便。驅動器設定為轉速模式，用PLC的開關量控制驅動器地址，修改地址內的參數來確定速度，達到開關量接通信號不同轉速不同。驅動器輸出0～5 V的標準速度信號經過A/D模塊，進入PLC WX10通道，再經過計算上傳到觸摸屏，進行轉速實時顯示。

5 驅動器的參數調整

5.1 松下A5驅動器參數設定說明

P0.01=1 速度模式

P3.00=3 8速度調速模式

P3.04=0 速度1 零速

P3.05=50 速度2 扭矩轉速

P3.06=600 速度3 吸油轉速

P3.08=100 速度5 準停轉速

4.17=160 1 V輸出對應160轉速，5 V對應800轉。

5.2 松下A5驅動器接口I/O端子說明（X4）

端子號 含義

7 +DC24V

41 -DC24V

29 伺服使能信號輸入

33 速度選擇輸入1

30 速度選擇輸入2

28 速度選擇輸入3

35 伺服準備好輸出

43 模擬量速度輸出+

17 模擬量速度輸出-

6 觸摸屏調試及說明

觸摸屏作為PLC的上位機，起到控制、設定、顯示PLC內部數據的作用。該次觸摸屏共做6個畫面，分別為掃描畫面、運行畫面、手動畫面、參數畫面、密碼畫面、上序不合格確認畫面。

掃描畫面功能：讀卡器讀取射頻卡內的數據并上傳，最終顯示在畫面上方，便于操作人員查看。在該畫面下按設置鍵直接進入參數設定畫面，按密碼鍵直接進入密碼設定畫面，按手動鍵直接進入手動操作畫面。

運行畫面功能：檢測到前序為合格件，畫面會自動切換到該畫面，工裝會自動落下，扭矩傳感器傳動缸會向下動作與工件連接進行試驗。如果試驗合格，夾具會自動松開。如果不合格，夾具不會松開，必須按該畫面的不合格確認鍵，夾具才會松開，阻擋氣缸落下，工件滑出。按返回鍵回到掃描畫面。

手動畫面功能：此功能為手動運行各種動作，比如氣缸的動作、高低速的改變，此功能主要用于手動調整工裝及維護工作。

參數設定畫面功能：設定扭矩檢測時間、合格扭矩范圍、吸油檢測時間3個參數，如果工藝參數有調整，可以直接修改參數，PLC程序不用改動。

密碼設定畫面功能：這個功能主要是防止其他人員調整工藝參數，造成不必要損失。只有工藝技術員輸入正確密碼才能進行修改，保證試驗臺正常使用。

上序不合格確認畫面：讀卡器讀取卡內信息時，在PLC中有一個判斷，如果收到上到序不合格信號，立即彈出該畫面，試驗臺不會對此工件檢測，操作人員按畫面上的確認鍵，阻擋氣缸會落下，人員將不合格件直接滑出工作區。

圖3為掃描畫面和運行畫面。

7 整機調試時出現的問題

（1）給驅動器發出運作指令后，驅動器顯示ERR-380報警。

驅動器“380”號報警為電機過載，經查找，原因是驅動器與伺服電機電樞線相序不正確，重新調相后，再次啟動工作正常。

（2）測試油泵時設備扭矩過大報警。

原因：機械連接摩擦力過大。

解決：經檢查發現機械設計時傳動機構摩擦力大，加裝平面軸承后，問題解決。

射頻卡與可編程控制器無法通訊。

設備聯機后無法上傳前到序測試結果，本序不知上序檢測是否合格。經過反復查找，原因是兩測通訊參數設置不一致，射頻卡測奇偶校驗設置為無，可編程控制器測設置為奇，都設置成一致后通訊正常。

8 結語

整個工程項目構思論證設計安裝調試歷時40天，經過一年的驗證。穩定性能達到了同行業標準，這個試驗臺的順利完成得到公司領導的大力支持，還使得技術人員更好地理論聯系實際，本崗位技能更上一個臺階。在經濟效益方面，這個試驗臺節約外委加工費用45萬元。同時也證實一點，工程技術人員只要在本崗上發揮好聰明才智，合理運用電控部件，自制適合產品使用的設備是可行的，我們有能力為公司創造價值和節約費用，使得我們自制的設備為公司在產品研發、質量攻關、“兩改善”等方面發揮積極作用，通過這個試驗設備的完成，筆者有信心帶動周邊有關人員積極參與，爭取為公司上產品、上質量、上效益和發展進步，做出更大的貢獻。

參考文獻

[1] 松下PLC編程手冊[Z].

[2] 松下觸摸屏編程手冊[Z].

[3] 巴魯夫射頻卡使用說明書[Z].

[4] 昆侖通態軟件使用說明書[Z].