拉鏈頭壓鑄自動(dòng)生產(chǎn)線構(gòu)建及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李忠明，余梓唐

（義烏工商學(xué)院 機(jī)電信息分院，浙江義烏322000）

1 引言

鋅合金拉鏈頭壓鑄生產(chǎn)工藝流程主要包括鋅合金熔化保溫、壓鑄機(jī)加料、合模壓鑄、拉鏈頭與澆柄分離（分料）、廢料回爐等環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中各工序人工干預(yù)成份較多，未能形成全自動(dòng)生產(chǎn)流水線，存在人工消耗大、勞動(dòng)強(qiáng)度高、工作環(huán)境惡劣及工作效率低等弊端。

鋅合金熔化的傳統(tǒng)方法是采用焦炭燃燒高溫熔化，焦炭爐爐腔溫度需人工調(diào)節(jié)，很難保證熔化溫度的恒穩(wěn)性，經(jīng)常出現(xiàn)間斷性壓鑄廢品，平均廢品率達(dá)9.2%；壓鑄機(jī)加料工藝普遍采用加料機(jī)械手通過抓料、運(yùn)料、注料3個(gè)動(dòng)作完成，機(jī)械手按照設(shè)計(jì)的固有流程抓料，然后沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)至事先規(guī)定的壓鑄機(jī)向目標(biāo)模具實(shí)施注料動(dòng)作，整個(gè)過程按照設(shè)計(jì)好的固定模式進(jìn)行，當(dāng)生產(chǎn)不同品種的拉鏈頭時(shí)，加料系統(tǒng)必須重新設(shè)計(jì)或做較大調(diào)整，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)拉鏈頭壓鑄過程效率較低；分料過程采用人工實(shí)現(xiàn)，壓鑄半成品積聚后經(jīng)人工搬運(yùn)并裝入分料機(jī)，分料機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，靠離心力與碰撞使拉鏈頭與澆柄分離，分離后的拉鏈頭與澆柄仍然處于混料狀態(tài)，需再采用人工從混料中撿出，剩余部分作為廢料再行回爐。

PLC 已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線控制［1－8]，本文針對(duì)鋅合金拉鏈頭壓鑄生產(chǎn)線的熔化、加料、壓鑄、分料、回料等環(huán)節(jié)，對(duì)生產(chǎn)線上相關(guān)設(shè)備進(jìn)行研發(fā)、改造和集成，采用PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)拉鏈頭壓鑄的全自動(dòng)生產(chǎn)流水線，改善了車間工作環(huán)境、節(jié)省了人工、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了生產(chǎn)效率。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋅合金拉鏈頭壓鑄自動(dòng)生產(chǎn)線由鋅合金熔化、自動(dòng)加料系統(tǒng)、壓鑄及自動(dòng)分料系統(tǒng)、自動(dòng)回爐送料系統(tǒng)等部分組成，熔化爐溫度采用PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)加料、壓鑄、自動(dòng)分料、回爐送料采用PLC控制實(shí)現(xiàn)。

鋅合金熔化溫度約在470℃時(shí)效果最佳，采用傳統(tǒng)的焦炭爐很難進(jìn)行恒溫控制。采用氣體燃料通過流量自動(dòng)控制則能較好地解決調(diào)溫及恒溫要求，為此，采用煤氣發(fā)生爐將煤轉(zhuǎn)換成混合煤氣，配以爐溫反饋PID調(diào)節(jié)器能方便實(shí)現(xiàn)爐溫的可調(diào)可控。拉鏈頭壓鑄生產(chǎn)線示意圖如圖1所示。

2.1 自動(dòng)加料系統(tǒng)

圖1 鋅合金拉鏈頭壓鑄生產(chǎn)線構(gòu)成

加料系統(tǒng)由熔爐、加料機(jī)（天車及機(jī)械手）、天車導(dǎo)軌、天車定位行程開關(guān)、壓鑄機(jī)保溫爐及PLC控制系統(tǒng)等構(gòu)成。加料機(jī)負(fù)責(zé)將熔爐中液態(tài)鋅合金送到壓鑄機(jī)保溫爐，由缺料傳感器提供壓鑄機(jī)缺料信號(hào)，PLC識(shí)別、確定加料任務(wù)并發(fā)出加料指令，天車依據(jù)加料指令通過行程定位開關(guān)停車加料。

加料機(jī)由變頻器、行走電機(jī)、升降電機(jī)、擺出電機(jī)分別執(zhí)行天車加／減速、天車前進(jìn)／后退，料勺升／降、料勺左右傾倒等動(dòng)作。加料系統(tǒng)信息傳遞及控制采用基于 S7－300（主控端）和 S7－200（受控端）的無線以太網(wǎng)設(shè)計(jì)［9－12]。缺料識(shí)別采用“液位”識(shí)別方式，由于鋅合金本身是導(dǎo)體，可利用金屬探針作為壓鑄機(jī)保溫爐的液位檢測開關(guān)，也可采用金屬浮球進(jìn)行液位檢測。天車行走速度、配給量和倒料速度均可自由設(shè)定和調(diào)節(jié)，兩側(cè)配有碰撞急停觸發(fā)開關(guān)，并設(shè)計(jì)有聲光警示裝置，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

2.2 壓鑄及自動(dòng)分料系統(tǒng)

壓鑄機(jī)和分料機(jī)的控制系統(tǒng)采用同一個(gè)PLC實(shí)現(xiàn)一體控制，通過編程實(shí)現(xiàn)壓鑄過程的檢測、合模、加注、保溫、開模、掃落、噴油等動(dòng)作控制，同時(shí)承擔(dān)分料機(jī)的定量裝料、定時(shí)滾料、倒料等動(dòng)作控制。

PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)開模數(shù)量的計(jì)數(shù)，鑄件從壓鑄機(jī)掃落后靠重力落入上層壓鑄機(jī)和下層分料機(jī)之間的管道中緩存，當(dāng)開模數(shù)量到達(dá)預(yù)置數(shù)值時(shí)，管道緩存活門通過氣缸打開，鑄件落入分料機(jī)滾料桶進(jìn)行分料。開模數(shù)量的預(yù)置值及滾料時(shí)間等參數(shù)均通過壓鑄機(jī)PLC的觸模顯示屏輸入，可根據(jù)不同的模具設(shè)置合適的分料參數(shù)。管道緩存活門的開／關(guān)及離心分料電機(jī)的起停也均由PLC控制，實(shí)現(xiàn)壓鑄分料一體化工作。

分料機(jī)滾筒采用六角柱面篩孔設(shè)計(jì)，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下依靠碰撞力和離心力將成品拉鏈頭從澆柄分離并通過篩孔送出，其機(jī)架可豎直90°翻轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)受料和倒料；分料機(jī)前端設(shè)計(jì)有適當(dāng)容積的積料箱，用于壓鑄件的暫存，并設(shè)計(jì)有計(jì)數(shù)功能及自動(dòng)閥門打開裝置，以定時(shí)積料和灌料。

2.3 自動(dòng)回爐送料系統(tǒng)

送料回爐系統(tǒng)負(fù)責(zé)分料后澆柄等廢料的自動(dòng)回爐，由地面軌道、在軌小車、變頻器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、卸料電機(jī)、車載PLC、主控PLC控制器及串行無線收發(fā)設(shè)備等構(gòu)成。系統(tǒng)采用在軌運(yùn)料小車運(yùn)料，PLC控制運(yùn)料任務(wù)選擇、定位停靠、驅(qū)動(dòng)分料機(jī)出料、到站倒料等動(dòng)作的執(zhí)行，采用基于OMRON CJ2M（主控端）、OMRON CP1E（小車端）的 RS232無線通信方式。

分料系統(tǒng)完成分料后向回爐送料系統(tǒng)主控PLC發(fā)送送料請(qǐng)求信號(hào)，主控PLC識(shí)別請(qǐng)求信號(hào)的機(jī)位后，通過串行通信口發(fā)出小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作指令，指令通過無線收發(fā)設(shè)備發(fā)送和接收，車載PLC根據(jù)接收的指令向變頻器發(fā)出控制信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)、卸料電機(jī)進(jìn)行在軌小車的運(yùn)動(dòng)和卸料。由于車輪與鋼軌之間的摩擦系數(shù)較小，為了保證小車能準(zhǔn)確定位停車，停車前要先發(fā)出減速指令使驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速，降到0.15-0.25m／s速度后，再發(fā)停車指令。

3 任務(wù)選取算法

在加料系統(tǒng)和回爐送料系統(tǒng)中，出現(xiàn)多個(gè)機(jī)位有任務(wù)請(qǐng)求時(shí)，將出現(xiàn)送料任務(wù)選取問題。任務(wù)選取算法基于各機(jī)位的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行［13]，有固定優(yōu)先級(jí)和動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)兩種設(shè)計(jì)方案。

固定優(yōu)先級(jí)根據(jù)任務(wù)機(jī)位與目標(biāo)站的距離決定優(yōu)先級(jí)，距離越近優(yōu)先級(jí)越高，這種算法編程簡單。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)在內(nèi)存中維護(hù)一個(gè)隊(duì)列，該隊(duì)列動(dòng)態(tài)記錄各機(jī)位的優(yōu)先次序，當(dāng)某機(jī)位獲得過一次任務(wù)后其優(yōu)先級(jí)自動(dòng)降低，移向隊(duì)尾，這樣可保證各機(jī)位獲取任務(wù)執(zhí)行機(jī)會(huì)的平等。兩種算法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 固定和動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)任務(wù)選取算法比較

以CJ2M CPU13機(jī)型用于回爐運(yùn)料系統(tǒng)為例，說明動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法的實(shí)現(xiàn)，其算法如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)任務(wù)選取算法

D100-D124中存放第0-24機(jī)位的任務(wù)請(qǐng)求信息，0表示無請(qǐng)求，1表示有請(qǐng)求。D0-D24中存放各機(jī)位送料任務(wù)的目標(biāo)站臺(tái)（1-5），其中目標(biāo)站臺(tái)為1時(shí)最多可同時(shí)選取3個(gè)機(jī)位執(zhí)行運(yùn)料任務(wù)，其余各站臺(tái)一次只能選取一個(gè)機(jī)位執(zhí)行運(yùn)料任務(wù)。輔助內(nèi)存分配如下：

D150-D174：各機(jī)位優(yōu)先級(jí)排序隊(duì)列，每個(gè)字單元記錄機(jī)位0-24中的一個(gè)值；

D200-D224：各機(jī)位優(yōu)先級(jí)排序臨時(shí)隊(duì)列；

D300：當(dāng)前任務(wù)選取的機(jī)位數(shù)（≤3）；

D301-D303：當(dāng)前任務(wù)選取的機(jī)位（0-24）；

D304：目標(biāo)站臺(tái)（1-5）；

D305：任務(wù)選取完成標(biāo)志，0-未完成，1-已完成。

4 結(jié)論

采用本文所述方法，對(duì)鋅合金拉鏈頭壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，利用PLC控制實(shí)現(xiàn)加料、壓鑄、分料、回料等工序的控制和集成，實(shí)現(xiàn)拉鏈頭壓鑄全自動(dòng)生產(chǎn)流水線，在生產(chǎn)線滿負(fù)荷工況下，完全能夠達(dá)到按需實(shí)時(shí)均衡送料，其控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自檢和警示文本信息的聲光報(bào)警功能，為系統(tǒng)維護(hù)提供了便利。所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性高，能顯著改善車間工作環(huán)境、節(jié)省了人力、提高了生產(chǎn)效率。

［1] 楊善來，陳 強(qiáng)，張留生.加料機(jī)PLC控制及大小車電氣制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J] .有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2011，32（45）：105－107.

［2] 魏海波，孫 清，張君薇等.基于PLC和交流伺服系統(tǒng)控制的自動(dòng)生產(chǎn)線輸送系統(tǒng)［J] .工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011，24（7）：81－82.

［3] 彭繼慎，任寶棟.基于PLC和觸摸屏技術(shù)的壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)研究［J] .機(jī)械制造，2006，44（498）：38－40.

［4] 鄭文波，褚凌超.PLC與觸摸屏在自動(dòng)送料系統(tǒng)中的應(yīng)用［J] .自動(dòng)化應(yīng)用，2010，2：50－51.

［5] 趙瑞玲，陳朝春.火工品運(yùn)料小車的自動(dòng)控制系統(tǒng)［J] .自動(dòng)化與信息工程，2010，3：31－32.

［6] 王 峰，尹技虎.PLC在天車加料系統(tǒng)中的應(yīng)用［J] .機(jī)電工程技術(shù)，2008，38（1）：98－100.

［7] 戴冠秀，劉太湖，鞏敦衛(wèi)等.PLC在運(yùn)料小車自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J] .工礦自動(dòng)化，2005，6：57－59.

［8] 陳云云.基于LabView平臺(tái)的運(yùn)料小車PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J] .工業(yè)儀表與自動(dòng)裝置，2009，6：88－90.

［9] 陳 昶.S7－300 PLC在立式錐形穿孔機(jī)頂桿小車電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J] .自動(dòng)化應(yīng)用，2011，8：22－25.

［10] 龔仲華.S7－200系列 PLC應(yīng)用技術(shù)［M] .人民郵電出版社，2011.08.

［11] 龔仲華.S7－300／400系列PLC 應(yīng)用技術(shù)［M] .人民郵電出版社，2011.08.

［12] 張文武，高德欣，張以剛.基于以太網(wǎng)的壓鑄機(jī)生產(chǎn)線管控一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J] .制造業(yè)自動(dòng)化，2007，29（4）：53－55.

［13] 孫克禮，朱仁盛.基于運(yùn)料小車自動(dòng)往返順序控制的PLC程序設(shè)計(jì)［J] .自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27（12）：93－97.