油桶自動清洗機的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

劉金富，姜旭

（中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，遼寧 沈陽 110034）

油桶自動清洗機的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

劉金富，姜旭

（中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，遼寧 沈陽 110034）

介紹了標(biāo)準(zhǔn)鋼制油桶自動清洗機的基本工作原理和工作流程，自動控制系統(tǒng)的硬件主要由PLC、觸摸屏、變頻器和步進電機構(gòu)成。在分析工藝過程的基礎(chǔ)上將工藝過程分為若干個子段，利用模塊化程序設(shè)計結(jié)構(gòu)，循環(huán)調(diào)用子程序方式實現(xiàn)自動控制功能。詳細介紹了系統(tǒng)的配置、主要問題的解決方法以及觸摸屏人機交換界面程序的開發(fā)使用等情況。實踐證明本油桶自動清洗機的控制系統(tǒng)具有操作簡單、可靠性高、維護成本低的特點。

油桶；自動清洗機；變頻器；溫控儀表

1 引言

本文設(shè)計的自動油桶清洗機是一種專門的設(shè)備，能夠完全去除油桶內(nèi)壁的銹蝕和污垢。整個結(jié)構(gòu)主要由定位單元、清洗單元、防銹單元、烘干單元等組成。該設(shè)備的特點是：利用觸摸屏面板上的按鍵對洗油桶機的電氣控制系統(tǒng)和氣、液壓系統(tǒng)進行控制操作，來自動完成對油桶的清洗、噴防銹液、烘干和噴油等一系列自動操作的工作后即可達到再次罐裝的要求。整個操作有2～3人即可完成，節(jié)省了大量的人力，而且清洗效果是人工清洗所不能及的。

為了充分滿足生產(chǎn)條件，根據(jù)用戶所提出的工藝要求，采用三菱觸摸屏和FX2N可編程控制器來實現(xiàn)對油桶清洗機系統(tǒng)的控制，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。并又增加了一些用戶所沒有想到的工藝環(huán)節(jié)的程序設(shè)計控制，使系統(tǒng)更加完善，運行更加穩(wěn)定。

2 工藝過程

油桶自動清洗機主要分為兩大部分：桶外壁清洗和桶內(nèi)壁清洗。根據(jù)用戶要求，將200L標(biāo)準(zhǔn)的油桶按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 325-84《200L閉口鋼桶》規(guī)定，大小桶口位置在同一直線上，注入口（大口）至中心205mm，透氣口（小口）至中心210 mm，允許偏差為±2mm；油桶外高為900mm，允許偏差為±3mm；鋼桶圓形，無明顯失圓、凹癟、歪斜等缺陷。先進行桶外壁清洗，然后自動轉(zhuǎn)入桶內(nèi)壁清洗，整個過程原理如圖1所示。

圖1 油桶自動清洗機工藝圖Fig.1 The technology diagram of oil drums automatic cleaning machine

2.1 桶外壁清洗

人工把桶平放入桶外壁清洗裝置后，用熱水對桶外壁進行噴洗3min，然后自動將桶推出清洗裝置，進入桶內(nèi)清洗系統(tǒng)。油桶的進桶和出桶位置都在設(shè)備的同一側(cè)。

2.2 桶內(nèi)壁清洗

在桶內(nèi)壁清洗裝置中，每一個托盤上都有鎖緊裝置，利用在定位工位的鎖緊氣缸可以將桶牢牢固定在托盤上，在以后的各工位中，噴桿經(jīng)過桶的大口伸入桶內(nèi)，然后進行工藝操作；在噴油工位有解鎖氣缸，可以解除桶的鎖定狀態(tài)。托盤的移動是靠由變頻器驅(qū)動的電動機帶動鏈條向前運動。各工位之間的距離完全相等，這樣就給工位工藝操作提供了方便。只要在定位工位將桶鎖緊，變頻器驅(qū)動電機帶動的鏈條旋轉(zhuǎn)一周，托盤就向前移動一個工位，這樣無需考慮每個工位的桶定位問題。在鏈條上安裝一擋片，利用接近開關(guān)進行控制變頻器的停止工作。變頻器在運行中實現(xiàn)高速運行，低速停止功能，即節(jié)約了時間，又減小了停車慣性，使得托盤在各工位間的運行更加平穩(wěn)準(zhǔn)確。

2.2.1 上桶工位

桶外壁清洗結(jié)束后，經(jīng)過氣缸驅(qū)動的機械機構(gòu)翻桶、推桶到上桶工位，由上桶電機傳送到桶內(nèi)洗裝置旁，然后檢測開關(guān)檢測有桶到達并將桶自動推入托盤上等待下道工序。

2.2.2 定位工位

此工位的主要機構(gòu)包括托桶機構(gòu)、桶口監(jiān)測機構(gòu)、精確定位機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、鎖緊機構(gòu)和壓下機構(gòu)。用托起氣缸將桶托起與步進電機帶動的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)接觸，利用步進電機帶動桶正轉(zhuǎn)，桶口檢測裝置升起至工作狀態(tài)，待檢測到大桶眼后監(jiān)測裝置落下，桶反轉(zhuǎn)180°后精確定位桿升起并插入桶大口中，此后利用壓下氣缸將桶壓到托盤上，然后利用鎖緊氣缸將油桶鎖緊在托盤上，然后壓下氣缸、定位桿返回，精確定位完成。此工位是整個桶內(nèi)洗關(guān)鍵的一環(huán)，為后續(xù)工作關(guān)鍵前提，如果在此工位沒有找到桶眼或沒有夾緊油桶，則程序確認此托盤無桶或桶不符合要求，后面的清洗、烘干等工位將此托盤上的桶不進行工藝操作。在設(shè)計時選用三菱1PG-E定位模塊，使定位工作精確到0.1mm，并加有多重定位檢測保護。

2.2.3 清洗工位

將清洗噴頭伸入桶內(nèi)，用80℃高壓熱水將油污除去，水溫不夠進行等待。利用桶的小口將桶內(nèi)污水吸出并回收處理。

2.2.4 噴防銹液工位

將防銹液霧化均勻噴到桶內(nèi)壁并附著在桶內(nèi)表面上，同時將桶內(nèi)液體從桶的小孔吸出，防止油桶生銹。

2.2.5 上烘干工位

在出口溫度為220℃時將油桶內(nèi)壁上表面部分進行烘干，使之沒有液體附著。

2.2.6 下烘干工位

工藝同上烘干工位，在出口溫度為140℃時將油桶內(nèi)壁下表面部分進行干燥，使之沒有液體附著。

2.2.7 噴油解鎖工位

將柴油霧化，噴附在桶內(nèi)壁，檢查桶是否漏油，噴油完畢將利用解鎖氣缸油桶解鎖，為出桶工位做準(zhǔn)備。

2.2.8 出桶工位

將桶推下桶內(nèi)洗裝置，并由傳送電機帶動至油桶存放區(qū)。

3 控制要求

1）啟動和運行。在風(fēng)、水、電準(zhǔn)備完畢后，按下啟動按鈕，進入工作準(zhǔn)備狀態(tài)，然后利用觸摸屏的人機界面進行手動或自動的選擇進行控制。手動運行要求單工位動作；自動運行時，要求當(dāng)油桶在某一工位都完成的工藝動作后，托盤帶動油桶運行至下一工位，沒有桶的工位不進行工藝動作。

2）中途停機。要求再次啟動時按原來停機位置繼續(xù)運行。

3）如果發(fā)生意外情況需緊急停機時，可按停機按鈕，使洗桶機停止工作。

4 系統(tǒng)配置

步進電動機為150BF003型，步進電機驅(qū)動器為BQH-500型，觸摸屏為F940GOT-LWD-C型，PLC主機為FX2N-128MR-001型，擴展模塊為FX2N-48ER型，定位模塊為FX2N-1PGE型，溫度控制器為SR73-8Y-N-1C型，變頻器為ACS401-X004-3-2型。

觸摸屏人機界面是專為可編程控制器的應(yīng)用而設(shè)計的工作站，采用全中文操作界面，采用RS-485通訊方式和PLC相連，能取代大部分傳統(tǒng)控制面板的功能，例如：各式按鈕開關(guān)、LED指示等，并可節(jié)省部分PLC的I／O模塊，通過它可以方便地修改各種參數(shù)并能顯示故障信息。系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組成圖Fig.2 The system hardware diagram

5 程序設(shè)計

軟件程序如圖3所示。根據(jù)工藝控制要求，7條工藝程序，運行12個工位，循環(huán)運行，還要加上顯示功能，如不采用子程序結(jié)構(gòu)，程序拖沓冗長，其輸入、調(diào)試以及日后維護的工作量都很大。為此，本程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，反復(fù)調(diào)用子程序結(jié)構(gòu)，對用戶程序進行優(yōu)化，縮短掃描周期，實現(xiàn)了自動化控制的要求。

圖3 軟件流程圖Fig.3 The software flowchart

5.1 確立用戶程序的總體結(jié)構(gòu)

程序系統(tǒng)建立3級子程序結(jié)構(gòu)，每條工藝的每一圈采用多重嵌套反復(fù)調(diào)用的子程序結(jié)構(gòu)。主程序下有監(jiān)測程序、報警程序、手動程序、自動程序和調(diào)試程序，在自動程序內(nèi)又有7條工藝程序。程序設(shè)計思路清晰，維護方便。

5.2 建立子程序的標(biāo)準(zhǔn)模塊

對PLC循環(huán)掃描方式的深入理解是建立在子程序標(biāo)準(zhǔn)模式理論基礎(chǔ)上的。與計算機系統(tǒng)不同的是，PLC采用獨特的循環(huán)掃描方式，每個掃描周期包括讀取輸入，執(zhí)行程序處理信息，自我診斷，輸出結(jié)果5個基本過程。掃描僅是用戶程序執(zhí)行的必要條件，還需滿足該語句的執(zhí)行條件，才在該掃描周期中予以執(zhí)行。掃描可以是順序進行的，但執(zhí)行卻不一定是順序的。子程序，跳躍語句等指令都是改變掃描順序的方法?；谝陨险J識，子程序的標(biāo)準(zhǔn)模塊具備下列4個基本要素。

1）主程序［或上一級子程序］調(diào)用某一子程序時，需設(shè)置一個該子程序的入口條件：即主程序［或上一級子程序］中CALL n語句前設(shè)立一個條件標(biāo)志位［LD M x，x］，這樣就保證只有該條件具備時，他所引導(dǎo)的子程序才被掃描。

2）在子程序內(nèi)設(shè)置一個該子程序的出口條件，即在子程序內(nèi)的所有動作執(zhí)行完畢以后的最后一步，設(shè)置該子程序入口條件的復(fù)位句［R M x，Yk1］，與其入口條件相呼應(yīng)。這樣就保證了該子程序執(zhí)行完畢后，只要其入口條件不滿足，該子程序就不再被掃描。

3）在子程序內(nèi)設(shè)置接口條件，即在需要子程序執(zhí)行完畢以后才執(zhí)行后繼主程序［或上一級子程序］的情況下，在該子程序設(shè)置出口條件的同時，加設(shè)該子程序的轉(zhuǎn)出標(biāo)志，這樣就保證了該子程序執(zhí)行完畢后，后繼主程序［或上一級子程序］才能執(zhí)行［盡管PLC在該子程序掃描過程中，從未中止對后繼主程序或它的上級子程序的掃描］。

4）對于重復(fù)調(diào)用的子程序的入口條件，只要在同一掃描周期被掃描，就必須設(shè)置不同的入口條件標(biāo)志。但接口標(biāo)志只需設(shè)立一個即可。這是因為接口標(biāo)志不是后繼程序執(zhí)行的唯一條件。

標(biāo)準(zhǔn)子程序模塊如下：

主程序［或Ka子程序的上級子程序］段

Ka子程序段如下：

采用上述標(biāo)準(zhǔn)模式建立的子程序模塊具有這樣的特點：當(dāng)該子程序入口標(biāo)志打開［ON］時，子程序作為主程序的一部分進入掃描過程，一旦該子程序執(zhí)行完畢，入口標(biāo)志被關(guān)閉［OFF］，該子程序就退出掃描過程，從而避免了多重嵌套，反復(fù)調(diào)用時可能發(fā)生的程序錯亂。

自動油桶清洗機在程序設(shè)計中充分考慮了清洗工作的操作簡潔性、直觀、安全性等要求，利用可視操作界面和PLC配合使用，使得整個自動工作流水線運行流暢；在手動操作界面下，按照觸摸鍵的說明，只要按一下按鍵就可以完成一個工位的工作，除工位行進外其他各個工位可以同時進行操作。

6 基本操作

清洗前首先要檢查油桶，上線時選擇整形好的吸凈底油的桶，大小桶口中心不能偏心和變形過大：上下桶面不能變形過大，對于有嚴重變形和嚴重銹蝕的桶則作廢桶處理，不能進行清洗。

當(dāng)按下控制柜的上電按鈕，準(zhǔn)備工作結(jié)束后在觸摸屏上自動進入首頁面，見圖4。

圖4 首頁面Fig.4 The first page

在主頁面上，操作者可選擇“設(shè)備啟動”，“單動調(diào)試”兩種運行方式，點動之后自動轉(zhuǎn)到相應(yīng)頁面。

選擇“設(shè)備啟動”后，觸摸屏轉(zhuǎn)入設(shè)備啟動頁面，見圖5，然后按照頁面上的提示進行操作即可；在工作方式選擇中有“自動程序”、“手動程序”、“調(diào)試程序”3個選項，點動任何一方式后觸摸屏自動轉(zhuǎn)入相應(yīng)頁面；點動主頁選項會返回到首頁面。

圖5 設(shè)備啟動頁面Fig.5 The machine startup page

6.1 自動程序

選擇“自動程序”后，觸摸屏轉(zhuǎn)入自動運行頁面，見圖6，在此頁面上根據(jù)提示可選擇運行的工位，但定位工位、噴油出桶、工位運行是系統(tǒng)默認必須選擇的，其他工位需要經(jīng)過人工選擇，被選擇的工位被按下時背景變?yōu)楹诘装鬃郑侔匆淮螘r此工位被取消，按鈕又變?yōu)樵瓉淼陌椎缀谧帧＿x擇好后，按程序啟動或清洗線定位工位龍門架右側(cè)按鈕盒上的綠色啟動按鈕即可。

圖6 自動運行頁面Fig.6 Auto-run page

按下程序復(fù)位，程序中斷，各工作時間清零，各工位狀態(tài)回到初始狀態(tài)，再次按程序啟動按照初次開機執(zhí)行；按下“工位監(jiān)測”按鈕，觸摸屏轉(zhuǎn)入狀態(tài)信息頁面，見圖7，在狀態(tài)信息一欄里，如果左側(cè)顯示框為黑底白字則為正在工作狀態(tài)，如果為白底黑字則說明不在工作狀態(tài)或是沒有檢測到桶，或污水不在高位或不在原點位置等；右側(cè)則直接表明當(dāng)時的工作狀態(tài)。

圖7 狀態(tài)信息頁面Fig.7 Status information page

按下查看各工位狀態(tài)欄里的各按鈕就進入各工位狀態(tài)顯示頁面，同樣顯示框內(nèi)為黑底白字說明正處于工作狀態(tài)，如果為白底黑字則說明不在工作狀態(tài)。返回鍵為返回到狀態(tài)信息頁面。

6.2 手動程序

選擇“手動程序”后，觸摸屏轉(zhuǎn)入手動運行頁面，見圖8，在此頁面上根據(jù)按鈕提示可單獨選擇運行也可同時選擇幾個工位同時工作。按下后自動完成一個工藝過程的工作。頁面中的“工位監(jiān)測”按鈕功能同前所述。

圖8 手動程序操作頁面Fig.8 Manual operation program page

手動操作必須遵守的規(guī)定：1）在上桶啟動操作時，上桶輥道上有桶；2）同一個油桶的定位操作只能進行一次；3）在進行清洗、防銹、烘干、噴油工位操作時，油桶必須是經(jīng)過定位操作并且定位成功被夾具夾緊的，否則會造成設(shè)備的損壞；4）油桶到達噴油解鎖工位時，必須進行解鎖，如果不想噴油可利用解鎖工位附近的綠色解鎖按鈕進行直接解鎖操作；5）“設(shè)備復(fù)位”按鈕同1?？刂乒裆系膹?fù)位按鈕作用相同。

6.3 調(diào)試程序

調(diào)試程序部分，用于設(shè)備維護時的方便操作，對每一個動作的環(huán)節(jié)可以進行單獨的重復(fù)性的操作，便于定期檢修和維護。

選擇“調(diào)試程序”觸摸屏進入單動調(diào)試頁面。此部分為檢修所有動作元件，控制系統(tǒng)可以使每一個執(zhí)行元件單獨動作。調(diào)試頁面共分3頁，分為單動調(diào)試、單動調(diào)試續(xù)一和桶外洗單動。頁面上有上下頁翻動鍵，可往復(fù)翻動進行操作。按下主頁可回到首畫面。

每一按鈕單獨控制，不受其他元件影響。按一下后按鍵變?yōu)楹谏?，說明已經(jīng)接受動作，再次按下將取消動作。

根據(jù)提示，清洗頭按鈕、防銹噴桿、噴油頭的上下為點動控制，操作時按住不放，當(dāng)導(dǎo)桿移動到合適位置時再松開手。

7 故障處理

油桶自動清洗線的控制系統(tǒng)具有實時監(jiān)控功能，根據(jù)故障監(jiān)測子程序，在系統(tǒng)運行中對所有的電氣元件的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，如果某一限位開關(guān)不到位或沒有復(fù)位，此部分工作將停止，工位也不能前進運行。

在可視界面里的工位監(jiān)視界面，對每一工位的電磁信號點、電磁閥、行程開關(guān)位置進行顯示，此部分可以非常直觀地查找故障、分析原因。控制系統(tǒng)一旦通電運行后，由PLC控制的檢測程序就開始不停地檢測機組各部分，判斷是否有故障產(chǎn)生。當(dāng)出現(xiàn)如接觸器損壞、上升桿未退回到位等故障時，機組將自動停車并禁止運行，然后發(fā)出報警，顯示停車原因和故障點，并可記憶故障代碼（PLC）或故障信息（觸摸屏）供維修人員查看。只有當(dāng)故障排除后，系統(tǒng)才可重新投入運行。而對某些非致命故障，如沒有防銹液，操作面板則定時閃爍顯示警告信息，以提醒現(xiàn)場操作者的注意。

由于系統(tǒng)輸入信號很多為無源觸點方式，考慮到機械抖動的不可靠性和系統(tǒng)對控制速度要求不太高的具體情況，為了進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在程序設(shè)計時，將這些接收的開關(guān)信號加入不同的濾波時間以確定該信號是否有效。

8 結(jié)論

自動油桶清洗機的操作簡單明了，操作面板上的按鈕和指示燈都有相應(yīng)的文字說明，用于控制主電源和顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)。溫控儀表在工作時實現(xiàn)自動的PID調(diào)節(jié)，控溫精確在±0.5℃，而且修改溫度參數(shù)方便。人機界面的使用，為洗桶機的調(diào)試提供了便利，也方便了用戶的操作和維護，用戶可很容易地設(shè)定和修改機組的運行參數(shù)或查看機組的運行狀況。

該系統(tǒng)投入生產(chǎn)后，油桶清洗的質(zhì)量顯著提高，系統(tǒng)操作簡單，可靠性高，維護方便，工作效率得到大幅度提高，目前該設(shè)備被用戶作為精品工程項目給其他單位做示范。

［1］ 廖常初.FX系列PLC編程及應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

修改稿日期：2010-11-05

Design and Application of the Electric Control System of the Oil Drums Automatic Cleaning Machine

LIU Jin-fu，JIANG Xu

（ShenyangAircraftCompanyofAviationofChina，Shenyang110034，Liaoning，China）

The workflow and the basic work principle of an automatic cleaning machine of the standard steel oil bucket were introduced.The hardware of the auto control system are mainly made of the PLC，touch screen，converter and the stepper motor.Divided the craft process into some segment based on the analysis，adopt modularization program frame，circulating to call the subroutine to realize auto control function.The system configures，the method of solution of the main problem，the development usage of the touch screen and the human-machine interface procedure etc were introduced in detail.The results of actual application show that the oil drum auto-cleaner machine has the characteristics of the operation convenience，the higher dependability，the lower maintenance cost.

oil drum；automatic cleaning machine；converter；temperature controller

TP921

A

劉金富（1975-），男，本科，工程師，Email：liu-jinfu＠tom.com

2010-09-07