PLC和變頻技術(shù)在自動(dòng)化車牌生產(chǎn)線中的應(yīng)用

吳 昊 王亞麗 李文廣 肖永飛 劉成業(yè)

(山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

近幾年，汽車行業(yè)在我國迅猛發(fā)展，汽車的普及率也逐年提高，相應(yīng)地也增加了對(duì)車牌半成品的需求。目前國內(nèi)車牌半成品大多采用手工生產(chǎn)或單工位半自動(dòng)化生產(chǎn)，需要的操作人員較多，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，并且生產(chǎn)質(zhì)量不能保證［1］。隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷推廣，生產(chǎn)效率的不斷提高，將一些舊的設(shè)備通過改造，變成全自動(dòng)的生產(chǎn)線勢(shì)在必行。通過改造，能對(duì)舊設(shè)備加以利用，降低新生產(chǎn)線投入的成本，為企業(yè)減輕負(fù)擔(dān)。

在現(xiàn)代工業(yè)控制中，PLC、伺服系統(tǒng)、觸摸屏等綜合應(yīng)用非常廣泛，PLC和變頻器等都具有功能強(qiáng)、可靠性高、使用靈活方便的特點(diǎn)［2］。車牌半成品自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用PLC和變頻控制技術(shù)，采用集中管理、分布控制的方式。改造完成的生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了由鋁卷材開卷到半成品沖裁整個(gè)生產(chǎn)流程的全自動(dòng)化。系統(tǒng)投入使用后，性能穩(wěn)定、操作方便，大大提高了工作效率，降低了成本。實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了此控制系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

1 生產(chǎn)線的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 生產(chǎn)線系統(tǒng)構(gòu)成

生產(chǎn)線系統(tǒng)主要包括以下設(shè)備:送料、矯平機(jī)→清洗烘干機(jī)→覆膜機(jī)→伺服送料機(jī)→60 t沖床→收料機(jī)。此生產(chǎn)線具有高效率、速度快、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適用于大量生產(chǎn)車牌制作。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線組成及布局圖Fig.1 Conposition and layout of the production line

車牌半成品自動(dòng)化生產(chǎn)線主要完成的工作是將定制的鋁帶卷在開卷和矯平工位展開、矯平和送料;之后經(jīng)過清洗烘干機(jī)進(jìn)行清洗烘干，此步驟完成后即可對(duì)清洗干凈的鋁帶進(jìn)行覆膜。鋁帶未進(jìn)入覆膜機(jī)前應(yīng)先經(jīng)過糾偏裝置，以保證反光膜與鋁帶能平行前進(jìn)，保證覆膜的質(zhì)量。最后由伺服送料系統(tǒng)將覆膜完成的鋁帶輸送到60 t的沖壓機(jī)上進(jìn)行沖壓，形成車牌的半成品。在伺服送料的前端也要有糾偏裝置，使鋁帶能保持相同的狀態(tài)進(jìn)入到?jīng)_床工位，降低廢品率。車牌半成品隨著輸送帶輸送到收集工位，而沖床上加工剩下的鋁帶廢料由自動(dòng)收料機(jī)回收，整個(gè)生產(chǎn)線動(dòng)作結(jié)束。自動(dòng)廢料收集設(shè)備是根據(jù)傳感器信號(hào)以及變頻器來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，并且具有拉緊廢鋁帶的功能。

由于本項(xiàng)設(shè)計(jì)是在已有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造的，所以會(huì)針對(duì)已有設(shè)備的情況進(jìn)行單臺(tái)設(shè)備的改造，并最終組合成全自動(dòng)生產(chǎn)線。已有設(shè)備為半自動(dòng)清洗烘干機(jī)、半自動(dòng)覆膜機(jī)和半自動(dòng)沖床，需人工監(jiān)視工作狀況，手動(dòng)控制電機(jī)的啟停。需要外購的設(shè)備為開卷矯平機(jī)、沖床前端的伺服送料系統(tǒng)和自動(dòng)收料機(jī)。

1.2 現(xiàn)有設(shè)備的改造

現(xiàn)有設(shè)備均為半自動(dòng)產(chǎn)品，只能手動(dòng)控制。現(xiàn)有設(shè)備的改造包括三部分:清洗烘干機(jī)的改造、覆膜機(jī)的改造和沖床的改造。下面分別對(duì)三臺(tái)設(shè)備的改造進(jìn)行說明。具體的清洗烘干機(jī)改造電氣原理如圖2所示。

圖2 清洗烘干機(jī)電氣原理圖Fig.2 Electrical schematics of cleaning and drying machines

已有的半自動(dòng)清洗烘干機(jī)由三臺(tái)電機(jī)來控制整個(gè)設(shè)備的工作過程。其中兩臺(tái)是同步動(dòng)作的，電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)傳動(dòng)給驅(qū)動(dòng)鏈輪軸，驅(qū)動(dòng)鏈輪軸上的鏈輪帶動(dòng)輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)，輥?zhàn)釉偻ㄟ^摩擦力帶動(dòng)鋁板向前移動(dòng);第三臺(tái)電動(dòng)機(jī)則是通過鏈條來帶動(dòng)加熱的烘干網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)鋁板向前移動(dòng)［3］。舊設(shè)備不能根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)節(jié)清洗速度以及自動(dòng)啟停，經(jīng)改造后，由一臺(tái)變頻器同時(shí)控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和速度控制。電機(jī)不能同步調(diào)節(jié)對(duì)電機(jī)、機(jī)械損傷影響很大［4］。由一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)電機(jī)時(shí)，變頻器的額定功率選擇至少為兩臺(tái)電機(jī)容量總和的1.2倍，并且各電機(jī)回路需要有相應(yīng)的過載保護(hù)元件。

已有的覆膜機(jī)共有兩個(gè)主動(dòng)輥?zhàn)?，其中一個(gè)主動(dòng)輥負(fù)責(zé)將反光膜與鋁板壓實(shí)，另外一個(gè)主動(dòng)輥負(fù)責(zé)將反光膜的廢底紙回收。覆膜機(jī)由一臺(tái)電機(jī)來控制工作過程，電動(dòng)機(jī)通過兩個(gè)鏈條減速機(jī)將運(yùn)動(dòng)分別傳動(dòng)給覆膜機(jī)的兩個(gè)主動(dòng)輥。一個(gè)輥?zhàn)油ㄟ^摩擦力帶動(dòng)鋁板向前移動(dòng)，并將反光膜壓實(shí);另一個(gè)輥?zhàn)油ㄟ^自身的轉(zhuǎn)動(dòng)將廢棄底紙回收。該設(shè)備經(jīng)改造后，分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種操作方式，當(dāng)切換到自動(dòng)方式時(shí)，覆膜機(jī)可以根據(jù)前端沖床的工作速度來調(diào)整自己的覆膜速度，由變頻器來控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和速度調(diào)整。

已有的沖床不能對(duì)一個(gè)沖壓循環(huán)進(jìn)行時(shí)間控制;不能自動(dòng)啟動(dòng)離合器，完全由操作人員手動(dòng)操作;不能連續(xù)沖壓，只能對(duì)一塊半成品車牌進(jìn)行沖壓。該設(shè)備經(jīng)改造后，在其前端增加了伺服送料系統(tǒng)，送料系統(tǒng)能根據(jù)需求自動(dòng)調(diào)整送料速度。當(dāng)伺服送料系統(tǒng)完成一個(gè)車牌長(zhǎng)度的送料操作時(shí)，將會(huì)給PLC總控制系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，由PLC總控系統(tǒng)來判斷是否啟動(dòng)沖床沖壓操作。另外，在沖床上安裝了變頻器，以控制沖床上帶動(dòng)飛輪的電機(jī)速度。

1.3 變頻器的控制

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備;根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等。變頻節(jié)能電動(dòng)機(jī)使用變頻器的作用就是為了調(diào)速并降低啟動(dòng)電流。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。變頻器進(jìn)行無級(jí)調(diào)速有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備體積小;線路簡(jiǎn)單，操作方便;電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)平滑，低速傳動(dòng)平穩(wěn)，過載能力強(qiáng)［5］。

在沒有調(diào)速的系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)、水泵在工頻狀態(tài)下全速運(yùn)行，容易形成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成能源浪費(fèi)［6］?？刂葡到y(tǒng)以PLC輸出控制變頻器外部端子作多段速切換，以充分利用變頻器的先進(jìn)功能。這樣的系統(tǒng)安全性高、操作方便、自動(dòng)化程度高［7］。

在調(diào)試和使用過程中，變頻器的參數(shù)設(shè)定至關(guān)重要。若參數(shù)設(shè)定不當(dāng)，將導(dǎo)致啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)的失敗，或在工作時(shí)頻繁跳閘，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀智能功率模塊或其他整流器件等［8］。

確定變頻器容量的主要依據(jù)是輸出電流，其原則為:變頻器的輸出額定電流應(yīng)不小于電機(jī)的額定電流，但在連續(xù)的變動(dòng)負(fù)載或斷續(xù)負(fù)載中，因電動(dòng)機(jī)允許有短時(shí)間的過載，而且這種過載的時(shí)間經(jīng)常超過變頻器一般允許的1 min，故應(yīng)考慮選擇變頻器的額定電流不小于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的最大電流［9］。

1.4 工作節(jié)拍

整個(gè)生產(chǎn)線節(jié)拍由沖壓機(jī)決定，以沖壓機(jī)為分界線，沖壓機(jī)的前端設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行節(jié)拍隨動(dòng)輸送，沖壓機(jī)的后端設(shè)備根據(jù)沖壓機(jī)輸出的廢料進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行。

設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，沖壓機(jī)處于連沖模式。在每個(gè)沖壓循環(huán)中，伺服送料機(jī)構(gòu)輸送440 mm(一個(gè)車牌長(zhǎng)度，可微調(diào))，若以6 s生產(chǎn)一個(gè)車牌計(jì)算，則生產(chǎn)速度為4.4 m/min。沖壓機(jī)前端的覆膜機(jī)和沖壓機(jī)之間有過渡橋，覆膜機(jī)根據(jù)過渡橋的信號(hào)來控制自身電機(jī)的啟動(dòng)、停止和調(diào)速，進(jìn)而調(diào)整所供應(yīng)的鋁板的數(shù)量;覆膜機(jī)前端的清洗機(jī)和覆膜機(jī)之間也有過渡橋，清洗機(jī)和覆膜機(jī)之間的動(dòng)作也是通過過渡橋的信號(hào)來達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一;開卷矯平機(jī)與清洗機(jī)之間亦是通過過渡橋來實(shí)現(xiàn)信號(hào)之間的傳遞;沖壓機(jī)后端的廢料回收機(jī)根據(jù)過渡橋的信號(hào)來收集廢料。最終整個(gè)系統(tǒng)均以同樣的速度運(yùn)行，并且受PLC中央控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制，不會(huì)出現(xiàn)送料不及時(shí)或板料堆積的情況。

2 生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)配有操作臺(tái)，單元操作面板上有上電按鈕、自動(dòng)運(yùn)行和急停按鈕等，上電后可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體控制。整個(gè)控制系統(tǒng)主要分為人機(jī)界面、PLC、變頻器和信號(hào)采集系統(tǒng)等。

整套控制系統(tǒng)的人機(jī)界面、PLC和變頻器等主要設(shè)備均采用臺(tái)達(dá)的相應(yīng)產(chǎn)品，人機(jī)界面和PLC等安裝在總控制柜上，而變頻器則安裝在相應(yīng)設(shè)備的獨(dú)立控制箱里。操作人員在人機(jī)界面上對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。觸摸屏操作界面分手動(dòng)操作、自動(dòng)操作、故障復(fù)位、參數(shù)設(shè)置、I/O狀態(tài)顯示、報(bào)警信息顯示、事件消息顯示和生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示等。通過觸摸屏，操作人員能夠快速對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，可以實(shí)時(shí)、直觀地監(jiān)控設(shè)備的生產(chǎn)情況。當(dāng)把參數(shù)設(shè)定完成之后，即可把各設(shè)備切換到自動(dòng)檔位，等待由PLC總控系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)各設(shè)備的動(dòng)作。該控制系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)DVP-SS2系列PLC作為全自動(dòng)生產(chǎn)線核心控制單元。PLC通過信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行收集和邏輯處理，最終形成一些指令并分發(fā)給各個(gè)設(shè)備，使整套系統(tǒng)完成全自動(dòng)的、協(xié)調(diào)的生產(chǎn)。

3 系統(tǒng)的軟件組成

在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)之前，需要考慮整個(gè)控制系統(tǒng)功能執(zhí)行過程和通信過程。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由兩部分組成:①觸摸屏，用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)和報(bào)警信息的顯示，以及操作人員對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定和修改;②PLC，它是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和處理的中心，主要功能是數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、報(bào)警判斷、輸出顯示和整套系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。

3.1 觸摸屏的組態(tài)

觸摸屏的整個(gè)組態(tài)工作主要包括工作流程區(qū)域、設(shè)備狀態(tài)區(qū)域和報(bào)警處理區(qū)域等設(shè)計(jì)，以及各種操作按鈕、顯示畫面和功能鍵的實(shí)現(xiàn)等［10］。觸摸屏的變量輸入、信息顯示和操作畫面的定義等操作功能，由臺(tái)達(dá)公司的Screen Editor組態(tài)軟件來完成。

全局變量帶有PLC鏈接，是實(shí)現(xiàn)觸摸屏和PLC之間數(shù)據(jù)交互通信的聯(lián)系紐帶，它在PLC上占據(jù)一個(gè)已定義的存儲(chǔ)器地址，用戶可以在操作器單元上對(duì)該地址的變量進(jìn)行讀寫訪問。

3.2 PLC 程序設(shè)計(jì)

傳感器和伺服系統(tǒng)屬于檢測(cè)和執(zhí)行部分，它們實(shí)時(shí)采集各種需要的信號(hào)并傳入PLC，同時(shí)將PLC輸出的數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成傳感器和伺服系統(tǒng)的操作。本系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)的配套編程工具WPLSoft 2.20，完成CPU的硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、編程、測(cè)試和調(diào)試。

PLC主要完成以下幾個(gè)控制任務(wù):①通過傳感器采集底層設(shè)備狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài);②根據(jù)傳感器上傳的設(shè)備狀態(tài)，協(xié)調(diào)各設(shè)備的動(dòng)作順序，通過變頻器控制底層設(shè)備，進(jìn)行正確的啟動(dòng)與停止過程控制;③與觸摸屏的實(shí)時(shí)交互操作。

4 結(jié)束語

在實(shí)際使用過程中，車牌半成品自動(dòng)化生產(chǎn)線工作穩(wěn)定可靠、編程功能強(qiáng)大且易于修改維護(hù)。對(duì)于車牌的尺寸，在基于伺服送料的自動(dòng)控制系統(tǒng)作用下，可以任意調(diào)節(jié)車牌長(zhǎng)度，適合不同型號(hào)的產(chǎn)品，滿足了預(yù)期的效果。經(jīng)具體生產(chǎn)過程驗(yàn)證，在車牌半成品自動(dòng)化生產(chǎn)線上安裝PLC和變頻器，提高了車牌生產(chǎn)效率，方便了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的人工操作，減少了生產(chǎn)人員投入，降低了生產(chǎn)線的耗電量，達(dá)到了節(jié)能的作用?；谂_(tái)達(dá)PLC和變頻器的自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有人機(jī)界面友好、維護(hù)方便、成本投入低的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)車牌半成品的生產(chǎn)產(chǎn)生了較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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