礦井提升機天輪車槽裝置的控制系統設計

2018-07-12 12:10:06

福建質量管理 2018年14期

(1.安徽理工大學電氣與信息工程學院　安徽　淮南　232001) (2.安徽理工大學機械工程學院　安徽　淮南　232001)

一、引言

天輪在長期運行中其繩槽與鋼絲繩不斷磨損，致使繩槽形狀、深度等發生改變，出現較大底徑偏差，加劇了鋼絲繩的磨損情況[1-2]。此外，在更換新繩后，由于新鋼絲繩直徑大于舊繩槽直徑而產生相互劇烈磨損情況，新繩壽命急劇降低。因此在更換新繩及天輪繩槽發生較大位移、變形等不利情況時，需及時對天輪繩槽進行車削修圓，提高鋼絲繩使用壽命[3-4]。

由于危險系數過高，目前國內外極少在高空井架上對天輪繩槽進行在線車削。通常采用的辦法是動用大型起吊機將天輪吊到地面進行更換襯塊或繩槽車削，代價大，耗時長，且嚴重影響生產。為此，本文設計了一種礦井天輪繩槽車削裝置的在線控制系統，該控制系統使操作人員可以直接對天輪繩槽進行高空現場在線車削，提高了加工質量和工作效率，降低加工成本。

二、控制系統的架構

觸摸屏和PLC的組合使用作為機械控制技術的一種重要形式，廣泛應用于生產線和各種自動化設備中。本文采用觸摸屏和PLC相結合的控制方式，設計一套小型控制系統。該控制系統以PLC作為下位機，觸摸屏作為人機界面的上位機，并在定位、驅動及車削半徑值校核方面分別通過以下三點實現：①采用霍爾元件對橫、縱向的進給對刀情況進行定位控制；②采用橫、縱方向步進電機控制驅動進給；③采用編碼器測量天輪線速度和角速度，再通過PLC計算出天輪實時半徑?？刂葡到y組成如圖1所示。

圖1　控制系統組成圖

三、控制系統設計

(一)運行過程設計

天輪繩槽車削裝置的運行控制系統采用橫、縱向的兩臺步進電機控制刀具進給運行，橫向在下、縱向在上，運行結構如圖2所示。開始時，控制橫向步進電機運轉，通過滾珠絲杠轉動，橫向移動刀頭到橫向霍爾位置開關標定的天輪繩槽位置。鎖住橫向步進電機的運轉，啟動縱向步進電機，快速進給至繩槽前方約5mm的準備加工處，即縱向霍爾開關位置。然后進行粗、精加工的慢速進給車削加工階段。待該繩槽的一系列車削加工完成后，縱向步進電機反轉使刀具退回至縱向定位原點位置。啟動橫向步進電機，找尋下一個天輪繩槽橫向加工位置，如此對刀進給加工，直至天輪繩槽車削完成。

圖2　天輪繩槽車削裝置運動結構示意圖

(二)硬件設計

1.PLC選型

天輪繩槽車削控制系統中，PLC要和觸摸屏協同工作，需要用到的輸入輸出量包括電機啟動開關輸入輸出、正反轉控制輸入輸出、加減速控制輸入輸出、霍爾位置開關輸入、編碼器輸入、步進電機的頻率輸出等。輸入控制點數15個左右，輸出控制點數約8個，沒有現場總線控制要求，因此選擇小型的PLC作為主控制系統即可基本滿足現場控制要求。FX1N-40MT可提供輸入點有25個，輸出點17個，并且在通用性、可靠性等方面，都可滿足天輪繩槽在線車削裝置所需的控制要求。

2.觸摸屏選型

在天輪繩槽車削成型的控制過程中，需要人機交互設備實現人與設備之間的信息交換。北京昆侖通泰TPC7062TX觸摸屏是一套以先進的Cortex-A8 CPU為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏，可以很好地滿足本文中控制系統所需控制顯示的要求，能夠用圖標及曲線圖等方式形象的展現工作現場的運行過程，變量參數的值等。因此，天輪繩槽車削控制系統選用和三菱FX1N系列PLC具有良好兼容性的觸摸屏TPC7062TX作為控制系統的人機交互界面。

(三)軟件設計

1.PLC程序設計

PLC的程序設計思路：設一個主程序，兩個子程序，主程序通過子程序調用指令call、子程序返回指令sret、子程序建立指令p0-p1等，實現調用手動和自動兩個子程序的功能，其控制程序的流程如圖3所示。

手動控制方式通過PLC控制步進電機驅動器，設置各種輸入開關量、數字量等控制電機運行狀態，如前進，后退，加速，減速，急停等，進而控制車削裝置運行，為后續連接觸摸屏，再由人工操作觸摸屏界面對車削裝置進行操作做準備。自動控制方式包括以下幾個部分：①先布置霍爾位置開關共6個，分別為X向(即橫向)四個，Y向(即縱向)2個，布置的X向霍爾定位原點從左到右分別為第一至第四原點，Y向從后至前位置分別為原點及準備加工點。②使用2個編碼器，一個編碼器測出天輪角速度，另一個編碼器分別測出四個天輪的線速度，通過函數得出天輪的實時半徑曲線，并在觸摸屏上讀出四個天輪的半徑誤差。③根據加工經驗公式得出所需的各個加工任務參數，包括所需的最終天輪加工半徑值、粗加工半徑值、精加工半徑值等，其他參量及控制過程由本控制系統自設默認值控制。④將所得出的各個加工任務參數輸入自動窗口界面的相應輸入框內，啟動自動運行開關，開始車削加工。