基于PLC 的智能粉末成型電動壓機控制系統的設計

韓 余

（南京理工大學， 江蘇 南京 210094）

引言

粉末壓機根據控制系統的不同可以劃分為機械式和液壓式，機械式適合應用于大噸位的粉末成型。我國機械式大噸位壓機已經實現國產化二十多年。但是在自動化液壓式粉末成形電動壓機方面還處于空白狀態，液壓式壓機可以對大型化、高精度、高密度的粉末冶金制品進行加工。本文通過采用PLC 設計了一體化電感粉末成型壓機控制系統，該設備及其控制系統的研制成功打破了國外在該領域的技術壟斷，對促進我國一體化電感粉末成型壓機技術的發展具有非常重要的作用。

1 總體結構設計方案

一體化電感粉末成型壓機電控系統的硬件設計，包括主回路和控制回路。伺服電機驅動是整個粉末成型壓機電控系統的核心，其電氣原理圖如圖1所示。其中主電路由3 臺Y 軸伺服電機、KM1 和KM2 兩個中間繼電器，以及L1、L2、L3、N 四根電源現組成，其中L2 和N 兩根電源線為整個伺服電機驅動系統提供電源，KM2 是3 臺Y 軸伺服電機驅動器開關，KM1 是控制系統開關[1]。

在控制電路中，在總線上按有隔離開關QS2、急停按鈕SB1，開關SA1 閉合KM1 線圈得電，就完成了數控系統的上電；按鈕開關SB2 按下，KM2 線圈得電，KM2 常開輔助觸點通電，形成自鎖，SB3 為常閉按鈕開關，為伺服電機電路的斷電開關；瞬間接觸開關KA1 閉合，電磁閥得電。

2 粉末成形電動壓機控制系統硬件設計

設計的粉末壓機采用的是液壓系統，整個粉末成形電動壓機是由電氣設備、控制系統、機械結構組成，其中控制系統是實現液壓成型功能的關鍵，本文設計的粉末壓機采用PLC 來實現各個模塊之間的信息交互。

圖1 伺服電機驅動電氣原理圖

2.1 伺服驅動電路設計

伺服控制電路主要是實現驅動器啟/停、設備運動狀態監控、回零等方面的控制，本設計采用PC 機來實現控制器收集和下達相關的操作指令。由于受到篇幅限制，本文中僅對設備運動狀態監控、回零等功能實現進行分析，伺服驅動電路如下頁圖2 所示。

當設備需要對某一確定位置進行液壓成型時，操作人員根據工藝條件對位置、運行速度的變化等參數進行設置，然后計算機服務器將設置的參數下達到伺服系統控制器中，然后控制器根據設定的參數控制伺服電機移動到指定位置。

設備運動狀態監控主要對伺服電機的工作狀態進行全面監測，從而使控制器能夠實時獲取伺服電機當前位置、是否處于故障狀態等信息。

2.2 PLC 選型設計

PLC 是控制系統與各個功能模塊實現信息交互的基礎，無論是現場采集信號輸入，還是控制系統的信號的輸出都需要通過PLC 進行數據交換。本文設計的粉末成形電動壓機PLC 連接電路圖如下頁圖3 所示。

圖2 伺服控制電路圖

圖3 粉末成形電動壓機PLC 連接電路圖

在設計過程中，不僅需要考慮到功能需求，同時成本也是重要考慮因素。在滿足設計功能的情況下，為了降低成本投入， 最早選擇了型號為DVP10MC11T 的PLC，該型號PLC 是由臺達公司生產。DVP10MC11T 的輸入/輸出點數可以根據需求進行擴展，最高可達512 個，而且其容量可達16 kSteps，完全滿足設計需求[2]。

2.3 電源電路設計

電源電路是為整個系統中的電子元器件提供電能模塊，由于各個電路所需要的工作電壓會存在一定的差異，在粉末成形電動壓機控制系統中，各個模塊電路工作電壓分為5 V、3.3 V 兩種。為了使整個控制系統能夠穩定工作，設計采用24 V 直流電源開關為系統提供電源，因此，設計的電源電路只需要將24 V 分別轉換成5 V、3.3 V，根據需求最終選擇LM2575 芯片來實現，電源玷辱如圖4 所示。

圖4 5 V 電源電路圖

在電源電路中，C1 和C2 組成了濾波裝置，可以有效地對低頻和高頻噪聲進行濾除，提升電路供電穩定性。

3 粉末成形電動壓機控制系統軟件設計

3.1 伺服運動控制軟件的設計

根據設計粉末成形電動壓機的壓入裝配作業的模具的實際工作流程：零點→立柱上升→到起始點→夾緊工件→裝配點→工件松→裝配→下一循環。PLC 軟件的編寫思路是各個功能以子程序的形式編制，然后通過主程序調用實現各個功能，這樣編寫的程序結構清晰，軟件調試方便，并目很大程度節約了掃描時間，提高了PLC 的動態響應性。

粉末成形電動壓機送料靴軟件流程如圖5所示。壓制過程各模沖控制流程如下頁圖6 所示。

圖5 壓機送料靴軟件流程圖

3.2 人機交互界面設計

人機交互界面是操作人員輸入參數，以及獲取設備運動狀態信息的窗口，設計時應盡量保持簡潔、操作簡單。本文設計的人機交互界面如下頁圖7 所示，為了確保系統控制系統在出現故障時也能夠實現對設備的操作，設置有自動模式和手動模式兩種。設備進入手動模式時，操作人員可以通過對SB1～SB4 控制開關進行斷開或閉合來實現對伺服電機的控制。點擊自動模式，在界面中設置相關的參數后，系統將會自動地對伺服電機進行控制。

圖6 各模沖控制流程圖

圖7 系統運行界面

選用配套的組態軟件Delta_CANopen Builder V2.05 作為組態軟件使用。通過使用Delta_CANopen Builder V2.05，使臺達HMI 設備具有實際的功能，將軟件與設備共同構成人機交互的控制系統，實現參數數設置、報警等功能。通過實現從位置控制到壓力控制的轉換，將液壓缸的位置從30 mm 設置為70 mm，然后進行同步控制，通過上位機的監控軟件取得實時測試值從表1 中數據可以看出，位置控制指令比實際值一般大2 mm 左右，同步誤差比較小，兩個液壓油缸的實際位移的偏差值為0.05 mm 左右，滿足設計要求[3]。

表1 位移與壓力的關系測試數據

4 結語

本設計采用臺達DVP10MC11T 型PLC 作為控制器，執行機構選用伺服電機以提高系統的控制精度及穩定性。完成了壓機各個電氣元件的選型，完成了電路原理圖的設計、PLC 輸入/輸出原理圖設計；進行了壓機部分PLC 軟件框圖的開發與設計，軟件設計采用了模塊化的編程思路，使控制系統穩定可靠且便于操作。