基于PLC的退火機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鐘劍貞，李文勇，胡勇，張稀琦

(桂林電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西桂林 541004)

近年來(lái)，隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是亞洲，電線電纜行業(yè)也蓬勃發(fā)展，工業(yè)對(duì)銅線，鍍錫等材料需求變大，用戶在選擇設(shè)備時(shí)不僅僅只是從價(jià)格和功能兩方面來(lái)考慮，而且從高效、低耗、高品質(zhì)、實(shí)用、服務(wù)等方面對(duì)設(shè)備提出了更高的要求。退火機(jī)在線材加工行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，是線材加工生產(chǎn)的主要設(shè)備之一。目前，國(guó)內(nèi)的退火機(jī)大都還處在手動(dòng)或者半自動(dòng)狀態(tài)，在其設(shè)計(jì)思路和原理上還不夠完善，控制系統(tǒng)還是以傳統(tǒng)的繼電器、接觸器、開(kāi)關(guān)等有觸點(diǎn)的器件感組成，雖然這樣的系統(tǒng)看起來(lái)比較簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但設(shè)備的控制邏輯、靈活性都很差，線材的加工精度和可靠性更是不高，設(shè)備容易出現(xiàn)器件的損壞和需要經(jīng)常維修。綜合上述的問(wèn)題和適應(yīng)現(xiàn)代化社會(huì)的發(fā)展和工業(yè)的需求，對(duì)退火機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)來(lái)提高設(shè)備的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度。本文作者提出基于PLC的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以軟件手段來(lái)完成各種控制功能，克服了傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的諸多缺點(diǎn)，該控制系統(tǒng)融入了伺服系統(tǒng)的精密控制優(yōu)點(diǎn)以及PLC和觸摸屏的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了排線系統(tǒng)的精確定位和設(shè)備的人機(jī)自動(dòng)化界面操作，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，還可以減緩人力資源成本帶來(lái)的壓力，節(jié)約成本，提高設(shè)備在行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能要求和實(shí)際情況，重新設(shè)計(jì)退火機(jī)的控制系統(tǒng)主要包括:PLC、觸摸屏、伺服放大器 (驅(qū)動(dòng)器)、力矩電機(jī)、伺服電機(jī)和編碼器，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)分為兩大部分:一是伺服控制系統(tǒng)，由PLC、編碼器、伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和力矩電機(jī)組成，以PLC作為控制系統(tǒng)的核心，接收外部輸入模擬量、高數(shù)計(jì)數(shù)脈沖、開(kāi)關(guān)量等信號(hào)，然后PLC內(nèi)部的檢測(cè)計(jì)算后輸出脈沖和開(kāi)關(guān)量來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行;二是人機(jī)操作界面，觸摸屏與PLC通過(guò)RS-485通信電纜連接，觸摸屏直接對(duì)PLC進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、程序監(jiān)控和設(shè)備運(yùn)行信息、狀態(tài)等顯示，操作方面，靈活?？刂葡到y(tǒng)中的2個(gè)力矩電機(jī)分別作為收卷電機(jī)和放線電機(jī)，伺服電機(jī)作為控制系統(tǒng)的排線電機(jī)，控制排線機(jī)構(gòu)水平移動(dòng)進(jìn)行排線。

圖1 控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的控制要求:當(dāng)控制系統(tǒng)的電源被接通時(shí)，系統(tǒng)先進(jìn)行PLC和觸摸屏的初始化程序，然后PLC自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是否符合啟動(dòng)條件，如不符合，觸摸屏?xí)@示相關(guān)報(bào)警信息，此時(shí)，系統(tǒng)不可運(yùn)行，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試;若符合條件，系統(tǒng)則處于待運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，具體動(dòng)作要求如下:

(1)當(dāng)按下“啟動(dòng)”按鈕，排線伺服電機(jī)和收卷力矩電機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，并發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)給收卷電機(jī)。當(dāng)按下收卷電機(jī)啟動(dòng)按鈕后，收卷力矩電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，編碼器發(fā)出力矩電機(jī)速度脈沖信號(hào)給PLC，PLC經(jīng)過(guò)處理后輸出脈沖信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并跟蹤排線。

(2)在設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)下

點(diǎn)擊“手動(dòng)調(diào)試”按鈕，觸摸屏應(yīng)彈出調(diào)試畫(huà)面，設(shè)備進(jìn)入手動(dòng)調(diào)試狀態(tài)，可對(duì)收卷機(jī)，放線機(jī)和排線伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試結(jié)束后返回主界面。

點(diǎn)擊“自動(dòng)運(yùn)行”時(shí)，動(dòng)作順序應(yīng)為:待機(jī)狀態(tài)→按下啟動(dòng)按鈕→收卷電機(jī)和排線伺服電機(jī)使能待機(jī)，放線電機(jī)啟動(dòng)→收卷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，編碼器發(fā)出脈沖信號(hào)給排線伺服驅(qū)動(dòng)器，排線電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，跟蹤排線→設(shè)備正常運(yùn)行。

點(diǎn)擊“停止”時(shí)，引取電機(jī)停止，收卷電機(jī)延時(shí)30 s后停止，編碼器停止發(fā)出脈沖信號(hào)，排線電機(jī)停止。點(diǎn)擊“復(fù)位”時(shí)，排線電機(jī)回到原點(diǎn)并進(jìn)入到待機(jī)狀態(tài)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的PLC采用松下FPX-C30T，它裝載單雙相高數(shù)計(jì)數(shù)、精準(zhǔn)的脈沖輸出功能，具備高安全性及可擴(kuò)展性，而且集成度高，系統(tǒng)配線簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)。伺服系統(tǒng)采用三菱通用AC伺服MR-E系列產(chǎn)品，MR-E系統(tǒng)控制精準(zhǔn)，性能較高，同時(shí)具備位置控制和速度控制2種模式，而且能夠切換位置控制和速度控制進(jìn)行運(yùn)行，MR-E伺服還具有RS-232C端口通信功能，可方便地連接到個(gè)人電腦進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、測(cè)試運(yùn)行、狀態(tài)顯示和增益調(diào)整等，非常適合工業(yè)中高密度定位和平穩(wěn)速度控制?？紤]性能和穩(wěn)定性，觸摸屏采用Proface(普洛菲斯)GP3000系列的AGP3750-T1-D24型號(hào)，該觸摸屏編程簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，能很好的與PLC進(jìn)行通信。力矩電機(jī)為0.7/1.5 N·m的進(jìn)口品牌，其他電器元件采用進(jìn)口品牌。PLC的I/O點(diǎn)分配如圖2所示。

圖2 FPX-C30T的I/O分配

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)程序主要有復(fù)位、手動(dòng)測(cè)試、自動(dòng)運(yùn)行和故障保護(hù)程序，其編程軟件采用松下公司開(kāi)發(fā)的FPWIN-GR編程軟件，程序設(shè)計(jì)采用梯型圖編程以方便編輯和系統(tǒng)調(diào)試。FPWIN-GR軟件是松下公司為松下PLC程序設(shè)計(jì)專門開(kāi)發(fā)的軟件，能很好的對(duì)接松下所有系列的PLC，編程方便，功能齊全，界面簡(jiǎn)易直觀。

3.1 伺服控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理可知，伺服控制系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，也是實(shí)現(xiàn)精確定位和精準(zhǔn)排線的關(guān)鍵。伺服控制系統(tǒng)由伺服放大器、伺服電機(jī)和編碼器等組成。本設(shè)計(jì)采用伺服系統(tǒng)的速度控制模式來(lái)對(duì)伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行高密度的平滑控制，系統(tǒng)以收卷機(jī)速度的主目標(biāo)速度，編程器將采集到收卷機(jī)的速度信號(hào)反饋到PLC中，由PLC計(jì)算處理后將對(duì)應(yīng)速度的脈沖數(shù)和脈沖頻率傳送到伺服放大器，然后控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，利用PLC的CW/CCW脈沖輸出控制模式來(lái)實(shí)現(xiàn)正負(fù)脈沖輸出信號(hào)控制伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，則系統(tǒng)可完成精準(zhǔn)的跟蹤排線，伺服控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 伺服控制系統(tǒng)原理圖

控制系統(tǒng)對(duì)伺服系統(tǒng)的控制要求如下:收卷電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈 (N0=1 000個(gè)脈沖)，則要求排位伺服電機(jī)行走1 mm“排位間距”(排位間距設(shè)為a)距離，而排位伺服電機(jī)總的行走距離應(yīng)為“排位總寬”(H單位mm)。排位間距a和排位總寬H在觸摸屏設(shè)定(排位總寬可通過(guò)設(shè)定收卷軸近點(diǎn)到原點(diǎn)距離A和遠(yuǎn)點(diǎn)到原點(diǎn)距離B來(lái)確定，排位總寬H=B－A)，設(shè)定值到小數(shù)點(diǎn)后2位，排位機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 排位機(jī)構(gòu)示意圖

(1)伺服電機(jī)以“原點(diǎn)+步長(zhǎng)”方式往復(fù)運(yùn)動(dòng)，速度自動(dòng)追蹤并與放線電機(jī)同步。為使排線精確整齊，伺服電機(jī)每個(gè)脈沖的行走距離與排位齒輪節(jié)圓直徑D(D=60)和減速比K(K=600)的關(guān)系為:每個(gè)脈沖的行走距離=D÷ (K×N0)=0.000 01 mm，即伺服電機(jī)運(yùn)走1 mm需要100 000脈沖輸出。

(2)伺服電機(jī)的步長(zhǎng) (脈沖數(shù))與排位總寬H、減速比K、排位齒輪節(jié)圓直徑D和編碼器的脈沖數(shù)N的關(guān)系為:伺服電機(jī)的步長(zhǎng) (脈沖數(shù))N=H×K×N0÷D，(H=90mm時(shí)，N=900 000)。

(3)排位要求平整、均勻，實(shí)際排位間距要求與設(shè)定的排位間距a的偏差不大于±0.001 mm;不得出現(xiàn)疏密不一的缺陷。

3.1.1 伺服系統(tǒng)自動(dòng)程序設(shè)計(jì)

圖5 伺服控制系統(tǒng)部分程序

控制系統(tǒng)的高數(shù)計(jì)數(shù)以相位差 (2相)方式輸入，選用CH0為輸入通道，輸入點(diǎn)為X0和X1，控制標(biāo)志為R9110，目標(biāo)值為DT90300。脈沖輸出選用CH0為輸出通道，正脈沖 (CW)輸出端子為Y0，負(fù)脈沖 (CCW)輸出端子為Y1，脈沖輸出控制標(biāo)志為DT90052，經(jīng)過(guò)值為DT90348。要實(shí)現(xiàn)高數(shù)計(jì)數(shù)的輸入、脈沖的輸出來(lái)控制伺服電機(jī)的跟蹤排線，需利用PLC的內(nèi)部運(yùn)算指令來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸入和脈沖的輸出，程序如圖5所示。

3.1.2 伺服復(fù)位程序設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，需要先對(duì)其進(jìn)行復(fù)位才能正常啟動(dòng)，為使排線精確定位和符合排線的控制要求，復(fù)位程序由兩部分組成:一是原點(diǎn)復(fù)位;二是伺服電機(jī)回到原點(diǎn)后再前行一段距離，當(dāng)按“按鈕復(fù)位”或者觸摸屏給PLC內(nèi)部寄電器 (R110)高電頻信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)即可進(jìn)行復(fù)位。系統(tǒng)復(fù)位程序采用F171SPDH指令，啟動(dòng)條件觸點(diǎn)為R120，控制代碼為DT200，脈沖輸出對(duì)像通道是CH0，加/減速段數(shù)為30段，占空比為50%，頻率范圍為48～100 Hz，動(dòng)作模式和輸出方式為增量型CW/CCW，初始速度100 Hz，最高速度80 000 Hz，加/減速時(shí)間40 ms，目標(biāo)值為－50 000脈沖數(shù)。由圖4排位機(jī)構(gòu)示意圖可知，返回原點(diǎn)后，還需要排線桿往前運(yùn)動(dòng)A寬度，才能使排線桿到排線位，這可以使拋磚排線定位更精準(zhǔn)，排線更整齊。系統(tǒng)復(fù)位前行程序也采用F171指令，啟動(dòng)條件觸點(diǎn)為R130，控制代碼為DT300，脈沖輸出對(duì)像通道是CH0，加/減速段數(shù)為30段，占空比為50%，頻率范圍是48～100 Hz，動(dòng)作模式和輸出方式為增量型CW/CCW，初始速度100 Hz，最高速度50 000 Hz，加/減速時(shí)間40 ms，目標(biāo)值為DT6900(DT6900的脈沖數(shù)等于原點(diǎn)距離DT32760乘以伺服每走1MM的脈沖DT2000)。

3.1.3 報(bào)警保護(hù)程序設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，若發(fā)生伺服行走位置超過(guò)排線后限位 (X4接通)/前限位 (X5接通)、手動(dòng)按“停止按鈕”(X9接通)、收卷電機(jī)故障 (X6接通)和放線電機(jī)故障 (X7接通)、生產(chǎn)的米數(shù)已超過(guò)設(shè)定米數(shù) (DT32740大于DT32720)甚至發(fā)生線材斷線時(shí)，系統(tǒng)程序停止伺服脈沖的輸出 (DT90052被禁止脈沖輸出)、收卷電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn) (Y5接通)、放線電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn) (Y6接通)，系統(tǒng)停止運(yùn)行并在觸摸屏上顯示相關(guān)的故障信息。

3.1.4 手動(dòng)調(diào)試程序設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行或者需要檢測(cè)時(shí)，則要進(jìn)行手動(dòng)的調(diào)試，手動(dòng)程序可以分別對(duì)伺服電機(jī)、放線電機(jī)和收線電機(jī)進(jìn)行調(diào)試，可以方便地檢測(cè)出系統(tǒng)和故障部位，操作方便可靠性高。手動(dòng)程序主要是對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)和行走距離是否超過(guò)限位進(jìn)行測(cè)試。伺服的正轉(zhuǎn)測(cè)試采用F172 PLSH指令，啟動(dòng)條件觸點(diǎn)為R350，控制代碼為DT310，脈沖輸出對(duì)像通道為CH0，采用無(wú)目標(biāo)值模式，50%的空間比，48 Hz～100 kHz的頻率范圍，輸出方式為無(wú)計(jì)數(shù)模式CW，頻率為80 000 Hz。反轉(zhuǎn)程序采用F172 PLSH指令，啟動(dòng)條件觸點(diǎn)為R400，控制代碼為DT400，脈沖輸出對(duì)像通道為CH1，采用無(wú)目標(biāo)值模式，50%的空間比，48 Hz～100 kHz的頻率范圍，輸出方式為無(wú)計(jì)數(shù)模式CCW，頻率為80 000 Hz。

控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

該控制系統(tǒng)投入生產(chǎn)后，結(jié)果證明:基于PLC的退火機(jī)的控制系統(tǒng)控制性能穩(wěn)定、可靠，操作方便，監(jiān)控功能完善，排線平整、均勻，沒(méi)有出現(xiàn)疏密不一、排線錯(cuò)亂的現(xiàn)象，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都得到提高。

另外，系統(tǒng)所采用的PLC和伺服控制技術(shù)結(jié)合的控制系統(tǒng)代替原來(lái)傳統(tǒng)的手動(dòng)開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的自動(dòng)化程度提高，同時(shí)該系統(tǒng)的控制方式可以作為一種通用的控制方式向自動(dòng)控制領(lǐng)域擴(kuò)展，非常適合于有大量參數(shù)設(shè)定和顯示的工業(yè)系統(tǒng)中。系統(tǒng)采用PLC和觸摸屏作為主控制器，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)操作，提高了控制程序和人機(jī)界面的靈活性，提高了設(shè)備在行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

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