基于PLC的精沖機電氣控制系統(tǒng)研究

向六昭，王成瓊

（內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 內(nèi)江 641100）

0 引 言

精沖機是完成精沖工藝和精沖復(fù)合工藝的專用設(shè)備。精沖工藝過程是塑性變形的過程，它是與彎曲、拉伸、翻邊、鐓擠、壓沉孔、半沖孔和擠壓等工藝結(jié)合而成的精沖復(fù)合工藝，一次精沖即可獲得表面光潔度為Ra 2.5μm至0.63μm的零件，一次沖裁可取代大量的切削加工工序，極大地提高了生產(chǎn)效率[1]。

精沖機設(shè)有調(diào)整、步進、單次、連續(xù)共4種不同的工作狀態(tài)，具有自動潤滑、自動送料、疊料保護、廢料自動剪切與拋出、工件頂出與吹出等功能。其工作壓力、壓制行程及速度可根據(jù)工藝需要在規(guī)定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。

精沖機主要由機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)3大部分組成，其電氣系統(tǒng)包括驅(qū)動、檢測、控制等部分，是精沖機協(xié)調(diào)而可靠工作的根本保證。本文所述精沖機電氣控制系統(tǒng)可有效地解決目前精沖機電氣控制系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合及控制系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性較差的問題。

1 精沖機的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 控制方案的確定

精沖機的動作規(guī)范較多，可靠性、安全性要求高，工作時需要機械、液壓、電氣的緊密配合，各種動作協(xié)調(diào)。如果使用傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制方式，整個控制電路必然十分繁瑣，安裝、調(diào)試、維護都很困難，同時繼電器控制系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，不能處理模擬量信號，所以繼電器控制系統(tǒng)難以滿足精沖機的控制要求。計算機控制系統(tǒng)功能強大，但編程困難，使用維護不便，對使用環(huán)境要求也很高。PLC控制系統(tǒng)線路簡潔直觀，安裝接線方便，編程簡單，易學(xué)易懂，當(dāng)需要改變控制要求時，在硬件上的改動很小，所以本系統(tǒng)采用基于PLC的控制系統(tǒng)。另外，因為精沖機的動作規(guī)范多，如果使用物理的按鈕控制、指示燈顯示其各種工作狀態(tài)和信息的方式，那么按鈕和指示燈的數(shù)量將達到數(shù)十個。這樣，一方面增加了安裝、布局、接線的難度，同時也增加了故障率、降低了可靠性，所以，本系統(tǒng)采用人機界面（觸摸屏）來完成精沖機的主要操作和信息顯示。

控制方案確定后，設(shè)計出精沖機電氣控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 主電路設(shè)計

本機主電路主要由主油泵馬達電路、冷卻泵馬達電路、抽油馬達電路組成，各馬達均使用三相交流電源供電，轉(zhuǎn)速固定，所以采用傳統(tǒng)的接觸器控制方式。

主油泵馬達功率較大，采用星形——三角形減壓啟動，以使其平穩(wěn)啟動；冷卻泵馬達、抽油馬達功率小，采用直接啟動方式。

1.3 控制電路設(shè)計

本控制系統(tǒng)采用PLC控制，各種控制、檢測信號都作為PLC的輸入信號，再由PLC控制相應(yīng)的執(zhí)行器件。

1.3.1 PLC輸入、輸出設(shè)備的確定

本控制系統(tǒng)的輸入、輸出信號數(shù)量較多，當(dāng)機床自動運行時，輸入設(shè)備是設(shè)置在精沖機上的各種檢測和控制元件，即精沖機主液壓缸（主柱塞）的上下運動，機械手的送料、接料、剪料、拋料運動，主柱塞的快速進給、慢速沖剪、快速退回運動，各種限位動作等由PLC自動控制，所以，這些檢測和控制元件必須作為PLC的輸入設(shè)備。同時，精沖機工作時，要求實時檢測主柱塞的位置，在進行封閉高度調(diào)整時，要求實時顯示封閉高度值，所以主柱塞的位置信號和封閉高度的檢測信號也必須作為PLC的輸入量。

當(dāng)精沖機處于調(diào)整狀態(tài)時，各種操作在人機界面上進行，主令元件通過對人機界面的組態(tài)實現(xiàn)，在編制梯形圖時僅使用PLC的內(nèi)部輔助繼電器，所以這些主令元件不占用PLC的輸入接口資源，從而節(jié)省了PLC輸入接口的數(shù)量[2]。

控制各馬達的交流接觸器KM、液壓系統(tǒng)的各個電磁閥YV由PLC控制，它們均作為PLC的輸出設(shè)備。

1.3.2 選擇PLC和人機界面

PLC的選擇包括機型選擇和輸入輸出接口類型選擇。在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時，根據(jù)使用要求選擇相應(yīng)PLC。

人機界面的選擇要注意和PLC的匹配問題。

根據(jù)前述要求，本控制系統(tǒng)共有數(shù)字量輸入設(shè)備31個，模擬量輸入設(shè)備2個，輸出設(shè)備30個，考慮到設(shè)備的擴充能力，在選擇PLC輸入輸出接口時應(yīng)留有約15%的裕量，同時注意以下3點[3-6]：

（1）注意負載的容量。輸出接口須遵守允許最大電流限制的原則，以保證PLC輸出接口的發(fā)熱量被限制在允許范圍內(nèi)。要特別注意，PLC輸出繼電器的使用壽命和其負載容量直接相關(guān)，當(dāng)負載容量增加時，輸出觸點的壽命將大大降低。

（2）注意負載的性質(zhì)。感性負載在通斷瞬間會產(chǎn)生瞬時高壓，因此當(dāng)PLC驅(qū)動感性負載時應(yīng)在負載兩端并聯(lián)吸收保護電路，以保護PLC的輸出觸點。

（3）注意負載的動作頻率。不同的輸出接口類型適合不同的負載動作頻率。

本控制系統(tǒng)中PLC輸出接口驅(qū)動的負載是小型電磁線圈，消耗功率較小，精沖機工作時，要求其響應(yīng)速度越快越好，如果選用繼電器輸出型接口，其響應(yīng)時間一般在10～20ms之間，而晶體管輸出型接口的響應(yīng)時間一般在0.2～0.5ms之間，所以本系統(tǒng)選擇晶體管輸出型接口。

目前國內(nèi)市場PLC的種類較多，結(jié)合精沖機的控制要求和設(shè)計經(jīng)驗，本控制系統(tǒng)選擇西門子S7-300系列PLC，具體配置是：S7-315CPU，SM321數(shù)字量輸入模塊，SM331模擬量輸入模塊，SM322數(shù)字量輸出模塊；相應(yīng)地，選用西門子MP377 12〃人機界面（觸摸屏），控制系統(tǒng)硬件組態(tài)圖見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

1.3.3 PLC輸入、輸出設(shè)備分配

根據(jù)控制要求和所選定的PLC，列出PLC輸入、輸出設(shè)備分配表，見表1[7-10]。

表1 PLC輸入、輸出設(shè)備分配表

1.3.4 設(shè)計電氣原理圖

根據(jù)控制要求及所選擇的PLC，設(shè)計出滿足要求的電氣原理圖。在設(shè)計電氣原理圖時，考慮到控制系統(tǒng)因外部干擾而導(dǎo)致的可靠性問題（本控制系統(tǒng)的干擾源主要有電源干擾、信號線引入的干擾、來自接地系統(tǒng)的干擾，另外還有硬件工作時的不穩(wěn)定性帶來的系統(tǒng)的不可靠性），本系統(tǒng)采取的主要措施如下：

（1）在PLC的電源進線端加裝了隔離變壓器（見圖3）及低通濾波器。

圖3 PLC電源隔離圖

（2）PLC的輸入輸出通道之間本身已經(jīng)具有電氣隔離功能，不需要再單獨設(shè)立電氣隔離電路。

（3）在PLC輸出負載兩端并聯(lián)了吸收保護電路，并使用自動空氣開關(guān)作為過載和短路保護設(shè)備。

（4）在不能同時工作而又有可能出現(xiàn)誤動作的硬件之間設(shè)置了硬件互鎖，即利用輔助繼電器觸頭或交流接觸器的輔助觸頭實現(xiàn)硬件互鎖功能。

（5）信號線使用屏蔽電纜。

（6）保證接地線的線徑以減小接地阻抗。

（7）在編輯PLC控制程序時設(shè)計軟件互鎖。

（8）選擇知名品牌的電氣元件。

通過上述設(shè)計，從硬件和軟件方面都使控制系統(tǒng)的可靠性得到了極大地提高。

1.3.5 選擇主要電氣元器件

在電氣元器件的選擇上，考慮到機床工作的可靠性和安全性，降低故障率，液壓系統(tǒng)各電磁閥均使用DC24V電源供電，各檢測和控制元件盡可能使用接近開關(guān)，使用直線位移傳感器作為主柱塞和封閉高度的位移檢測設(shè)備，其輸出信號為4～20mA的電流信號。

2 安裝與布線工藝設(shè)計

在進行PLC控制系統(tǒng)的安裝與布線工藝設(shè)計時，注意到以下3點：

（1）安裝位置。PLC不能與高壓電器安裝在同一個配電柜內(nèi)。

（2）信號傳輸。為防止信號干擾，布線時將動力線和信號線分開布置，并分別裝入不同的金屬軟管和行線槽內(nèi)，所以本系統(tǒng)的接近開關(guān)和直線位移傳感器的信號線使用屏蔽電纜，同時將屏蔽層兩端可靠接地。

（3）發(fā)熱與散熱。在電氣柜內(nèi)布置電氣元器件時，充分考慮了電氣元器件的發(fā)熱與散熱問題，把發(fā)熱量大的元器件安裝在電氣柜的上部，PLC安裝在電氣柜的下部，同時在電氣柜側(cè)面設(shè)置了強制換熱風(fēng)扇。

3 PLC編程與人機界面組態(tài)

使用西門子STEP7 V5.4編制PLC的控制程序，用西門子WinCC Flexible 2007對人機界面組態(tài)。在編寫控制程序時需要設(shè)置互鎖功能，使軟件互鎖和硬件互鎖相互配合，在軟件中設(shè)計了故障檢測和報警程序，從而盡可能地提高系統(tǒng)的可靠性。

3.1 PLC編程

在對西門子S7-300系列PLC進行編程前需要對PLC系統(tǒng)進行硬件組態(tài)，組態(tài)完成后才能進行應(yīng)用程序的編寫。

3.2 觸摸屏組態(tài)

本控制系統(tǒng)的主要操作均在觸摸屏上完成，所以觸摸屏的組態(tài)十分關(guān)鍵，使用西門子WinCC Flexible 2007組態(tài)軟件對觸摸屏進行組態(tài)。組態(tài)畫面主要有主電機控制畫面、寸動及封高調(diào)整畫面、液壓系統(tǒng)監(jiān)控畫面、輔助設(shè)備控制畫面、液壓參數(shù)設(shè)置畫面、行程參數(shù)設(shè)置畫面等[11]。

3.2.1 創(chuàng)建組態(tài)項目

進入WinCC flexible 2007項目向?qū)?chuàng)建一個新項目，設(shè)備類型為小型設(shè)備，連接方式為IF1B。

3.2.2 變量的生成與組態(tài)

變量分為外部變量和內(nèi)部變量，每個變量都有一個符號名和數(shù)據(jù)類型。外部變量是操作單元（人機界面HMI）與PLC進行數(shù)據(jù)交換的橋梁，是PLC中定義的存儲單元的映像，其值隨PLC程序的執(zhí)行而改變。外部變量可以在HMI設(shè)備和PLC中訪問；內(nèi)部變量存儲在HMI設(shè)備的存儲器中，與PLC沒有連接關(guān)系，只有HMI設(shè)備能訪問內(nèi)部變量。

打開變量編輯器，在變量表或所選變量的屬性視圖中設(shè)置好各變量的屬性。

3.2.3 畫面的生成與組態(tài)

人機界面（觸摸屏）用畫面中的可視化的畫面元件來反映實際的工業(yè)生產(chǎn)過程，在本系統(tǒng)的畫面中可以修改精沖機工作過程的設(shè)定值，如液壓系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置等。

精沖機控制系統(tǒng)的主畫面見圖4，寸動和封高調(diào)整畫面見圖5。

4 結(jié)束語

本文所述的精沖機電氣控制系統(tǒng)已成功投入使用，實際應(yīng)用表明，通過PLC和觸摸屏實現(xiàn)對精沖機的控制，保證了精沖機各種動作協(xié)調(diào)、可靠地運行，從而提高了精沖機的整體性能。

圖4 主電機控制畫面

圖5 寸動和封高調(diào)整畫面

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