基于S7－300 PLC的芯棒壓力矯直機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王立民，陳春梅，劉文亮，李宏鵬

（天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司，天津 300302）

基于S7－300 PLC的芯棒壓力矯直機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王立民，陳春梅，劉文亮，李宏鵬

（天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司，天津 300302）

介紹了西門(mén)子S7－300 PLC在芯棒壓力矯直機(jī)電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，著重討論了系統(tǒng)的控制對(duì)象、控制任務(wù)、電氣系統(tǒng)概述、控制系統(tǒng)硬件組成、控制系統(tǒng)的控制策略、程序編制與調(diào)試。

芯棒壓力矯直機(jī)；PLC控制；S7－300 PLC

芯棒壓力矯直機(jī)是芯棒熱處理設(shè)備之一。傳統(tǒng)的芯棒壓力矯直機(jī)控制系統(tǒng)基本上以繼電器為主要控制元件，這類(lèi)控制方式具有故障率高、矯直周期長(zhǎng)、控制性能單一、維護(hù)麻煩等缺點(diǎn)。2500t芯棒壓力矯直機(jī)，其電氣控制系統(tǒng)采用PLC為控制核心和通過(guò)工控機(jī)進(jìn)行監(jiān)控及參數(shù)設(shè)定，具有自動(dòng)化程度高、簡(jiǎn)化控制線(xiàn)路、減少故障率、提高穩(wěn)定性、操作簡(jiǎn)單、縮短矯直周期的特點(diǎn)。

1 控制對(duì)象及控制任務(wù)

S7－300 PLC用于控制芯棒壓力矯直機(jī)的液壓站、送出料小車(chē)、壓力矯直機(jī)本體。其中，液壓站的控制包括油泵啟/?？刂?、電磁溢流閥得電/失電控制、油箱油溫控制以及液位高低限和油泵起動(dòng)故障的聲光報(bào)警；送出料小車(chē)的控制包括小車(chē)前進(jìn)/后退、對(duì)心輪升起/下降/旋轉(zhuǎn)及小車(chē)間的相互聯(lián)鎖控制；矯直機(jī)本體的控制主要包括V型砧座上的間距調(diào)整、芯棒撓度檢測(cè)、芯棒手動(dòng)/自動(dòng)矯直等功能。

2 電氣控制系統(tǒng)的概述

芯棒壓力矯直機(jī)電氣控制系統(tǒng)由以PLC為核心的控制柜、操作臺(tái)和工控機(jī)構(gòu)成。電氣元件主要采用西門(mén)子自動(dòng)化控制設(shè)備、ABB的驅(qū)動(dòng)設(shè)備、施耐德的軟啟和西門(mén)子WINCC人機(jī)界面，構(gòu)成了電氣控制系統(tǒng)的主體。該電氣系統(tǒng)主要完成壓力矯直機(jī)的運(yùn)行控制，系統(tǒng)采用PLC完成工藝控制，主要有矯直機(jī)運(yùn)行控制、液壓系統(tǒng)控制、小車(chē)控制、系統(tǒng)故障診斷及報(bào)警等，小車(chē)行走采用變頻調(diào)速，可一起運(yùn)行，也可單獨(dú)運(yùn)行，保證將芯棒較為精確地運(yùn)送到矯直點(diǎn)；對(duì)心輪采用變頻調(diào)速，可方便地旋轉(zhuǎn)芯棒，便于找到矯直點(diǎn)。

2．1 傳動(dòng)控制

送出料小車(chē)行走和旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用ABB ACS800系列變頻器控制，容量比電機(jī)功率高，有較高的過(guò)載能力，保證運(yùn)行的穩(wěn)定性。變頻器選用通訊模塊和PLC通過(guò)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。

2．2 PLC系統(tǒng)

PLC選用西門(mén)子S7-300系列的CPU315-2DP對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行控制。

2．3 液壓系統(tǒng)啟動(dòng)

由于液壓泵電機(jī)功率比較大，為了減少對(duì)其他設(shè)備的干擾，保證局域電網(wǎng)的正常運(yùn)行，液壓泵的電機(jī)采用軟啟動(dòng)器起動(dòng)。

2．4 工控機(jī)畫(huà)面功能

生產(chǎn)工藝參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定、存儲(chǔ)、上裝及下載控制系統(tǒng)總體及局部設(shè)備工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)故障及報(bào)警信號(hào)的顯示、記錄。

3 控制系統(tǒng)的硬件組成

芯棒壓力矯直機(jī)電氣控制系統(tǒng)的上位機(jī)采用研華工控機(jī)，除工控機(jī)外，控制系統(tǒng)還包括兩個(gè)PLC的擴(kuò)展機(jī)架，這兩個(gè)PLC擴(kuò)展架分別為控制柜PLC機(jī)架、操作臺(tái)PLC機(jī)架。其中，控制柜PLC機(jī)架包括PS307模塊、IM153模塊、SM321模塊、SM322M模塊、FM350模塊、SM334模塊、信號(hào)隔離器，裝組后，ET200M模塊與應(yīng)用PROFIBUS技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相連，該總線(xiàn)將數(shù)據(jù)傳至操作臺(tái)可邏輯編程控制器中的CPU315－2DP模塊；操作臺(tái)PLC機(jī)架包括PS307模塊、CPU315－2DP模塊、CP343－1模塊、SM321模塊、SM322模塊、SM331模塊、信號(hào)隔離器。裝組后，CPU315－2DP模塊引出對(duì)變頻器的控制信號(hào)線(xiàn)，同時(shí)引出與工控機(jī)的交互通信線(xiàn)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

4 控制系統(tǒng)的控制策略

4．1 液壓站

液壓站的液壓泵啟動(dòng)時(shí)，泵頭前的電磁鐵溢流閥得電5S后液壓泵啟動(dòng)，液壓泵啟動(dòng)5S后，泵頭前的電磁鐵溢流閥失電，此時(shí)液壓泵正常運(yùn)行；當(dāng)液壓泵停止時(shí)，泵頭前的電磁鐵溢流閥得電5S后液壓泵停止運(yùn)行，液壓泵停止運(yùn)行5S后泵頭前的電磁鐵溢流閥失電。當(dāng)油溫需要冷卻時(shí)，循環(huán)泵啟動(dòng)，供水電磁閥得電，進(jìn)行油溫冷卻控制。系統(tǒng)的壓力通過(guò)比例減壓閥控制，根據(jù)不同的負(fù)載，可以在工控機(jī)中設(shè)定不同的系統(tǒng)壓力。為了保障異常狀況時(shí)的設(shè)備安全，液位高低、油溫高低、泵前行程開(kāi)關(guān)信號(hào)串入了控制系統(tǒng)，當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)行聲訊報(bào)警，而且相應(yīng)的報(bào)警信息也顯示在上位機(jī)的監(jiān)控畫(huà)面中。

4．2 進(jìn)出料小車(chē)

進(jìn)出料的行走采用變頻器控制，小車(chē)間設(shè)有相互聯(lián)鎖的行走限位，行走速度通過(guò)工控機(jī)設(shè)定。運(yùn)行那個(gè)小車(chē)則首先在操作臺(tái)上相應(yīng)選擇。進(jìn)出料的旋轉(zhuǎn)采用變頻器控制，旋轉(zhuǎn)速度通過(guò)工控機(jī)設(shè)定。進(jìn)出料的升降電機(jī)的輸出軸安裝了編碼器，經(jīng)運(yùn)算后把編碼器的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換了升降的位移，并顯示在工控機(jī)上。升降設(shè)有高低限位，且低限位為小車(chē)的升降高度的0位置。

4．3 壓力矯本體

調(diào)整V型砧座上的間距時(shí)，要把相應(yīng)的間距數(shù)值輸入到工控機(jī)中。氣缸升起時(shí)，通過(guò)直線(xiàn)位移傳感器把位移顯示工控機(jī)上，主缸動(dòng)作時(shí)通過(guò)位移傳感器把主缸位移顯示在工控機(jī)上。撓度檢測(cè)時(shí)，將檢測(cè)氣缸升起，頂起芯棒，配合小車(chē)進(jìn)行撓度檢測(cè)，把檢測(cè)的結(jié)果反映在工控機(jī)的撓度檢測(cè)曲線(xiàn)上，根據(jù)曲線(xiàn)分析芯棒撓度情況，找出要校正的點(diǎn)，并做好標(biāo)記。矯直前，將調(diào)整V型砧座上的間距、芯棒的直徑輸入工控機(jī)，工控機(jī)會(huì)自動(dòng)生成芯棒的標(biāo)準(zhǔn)位置。矯直時(shí)，將矯正點(diǎn)放置壓頭下方，氣缸升起，此時(shí)工控機(jī)上芯棒的實(shí)際位置與標(biāo)準(zhǔn)位置的差值即為芯棒的撓度值，標(biāo)準(zhǔn)位置與矯直位置的差值為反彎撓度值。手動(dòng)矯直時(shí)，保壓時(shí)間人為控制。自動(dòng)矯直運(yùn)行程序啟動(dòng)后，矯直機(jī)自動(dòng)完成一次矯直過(guò)程，保壓時(shí)間通過(guò)工控機(jī)設(shè)定。矯直機(jī)的下壓速度通過(guò)比例調(diào)速閥控制，通過(guò)工控機(jī)設(shè)定矯直速度。

5 程序編制及調(diào)試

S7－300PLC使用STEP7編程軟件，編程設(shè)備采用裝有STEP7系列PC機(jī)。STEP7由三種編程語(yǔ)言可選擇，分別是LAD（梯形圖）STL（語(yǔ)句表）、FBD（功能流程圖）。三種語(yǔ)言在離線(xiàn)方式下可以隨意轉(zhuǎn)換。就三種語(yǔ)言比較而言，LAD和FBD比較直觀，接近于常見(jiàn)的繼電器硬件連接圖，為工程技術(shù)人員所熟悉和掌握，STL由S7系列CPU最嚴(yán)密的機(jī)器碼MC7，這意味著用S7控制器程序，可以?xún)?yōu)化運(yùn)行時(shí)間和優(yōu)化控制存儲(chǔ)區(qū)。

電控程序流程圖如圖2所示。

所編寫(xiě)的程序采用結(jié)構(gòu)化編程，是用熟悉的標(biāo)準(zhǔn)化軟件模塊。主要有八部分組成：①小車(chē)行走控制。實(shí)現(xiàn)小車(chē)的運(yùn)行選擇、小車(chē)行走的速度控制及小車(chē)間行走的聯(lián)鎖控制。②小車(chē)旋轉(zhuǎn)控制。實(shí)現(xiàn)小車(chē)的運(yùn)行選擇、小車(chē)旋轉(zhuǎn)的速度聯(lián)動(dòng)控制及點(diǎn)動(dòng)控制。③小車(chē)升降控制。實(shí)現(xiàn)小車(chē)的升降選擇、小車(chē)升降的高度、矯直時(shí)小車(chē)虛脫控制。④調(diào)整V型砧座間距。實(shí)現(xiàn)砧座間距的大小控制。⑤氣缸動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)氣缸的升降控制。⑥液壓站控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓泵、各油路檢測(cè)、冷卻系統(tǒng)、液壓閥的控制。⑦矯直機(jī)本體控制。實(shí)現(xiàn)手動(dòng)矯直和自動(dòng)矯直。⑧報(bào)警控制。實(shí)現(xiàn)變頻器及液壓站等報(bào)警功能。

圖2 電控程序流程圖

編程時(shí)采用的順序控制使各個(gè)環(huán)節(jié)相輔相成，較好的達(dá)到了預(yù)期目的。

6 結(jié)語(yǔ)

自2010年5月以來(lái)經(jīng)過(guò)近一個(gè)月的準(zhǔn)備、調(diào)試、運(yùn)行、功能考核，投入使用至今運(yùn)行良好。本矯直機(jī)自動(dòng)化程度較高，不但可以降低人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到安全可靠的生產(chǎn)要求，還可以達(dá)到過(guò)去人為操作所不能達(dá)到的性能，完成撓度檢測(cè)，自動(dòng)矯直等功能，滿(mǎn)足矯直工藝的檢測(cè)、矯直等工藝參數(shù)和性能。在解放人力、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、推動(dòng)企業(yè)形象等各方面起到了積極作用。

［1］周萬(wàn)珍,高鴻斌．PLC分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004．

［2］中國(guó)工控網(wǎng).http：//www．gongkong．com．

The design and implementation in the electrical control system of plug gag straightener based on S7－300 PLC

WANG Li－min，CHEN Chun－mei，LIU Wen－liang，LI Hong－peng
（Tianjin SERI Machine＆equipment Co．Ltd，Tianjin300302，China）

This paper main introduce the application of S7－300 PLC which used in electrical control system of plug gag straightener， especially discuss the control object， control task， electrical system， hardware of control systerm， control strategy in control system，programming and debugging．

plug gag straightener； PLC control； S7－300 PLC

TP202

A

1672-9900（2010）05-0069-03

2010－10－13

王立民（1983－），男（漢族），黑龍江賓縣人，電氣設(shè)計(jì)師，主要從事冶金設(shè)備電氣研發(fā)、設(shè)計(jì)及調(diào)試工作，（Tel）13612070580。