基于PLC和觸摸屏的板片成型液壓機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

馮作全，蘆光榮，王宇翔

（蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司 信息與自動化研究中心，蘭州 730030）

0 引言

板片成型液壓機(jī)是一種新型的液壓專用設(shè)備，主要用于高密度波紋淺拉伸及非金屬板材的成型，如板式換熱器板片、制氫電極板及碳化硅板等，它主要由主機(jī)、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成。其中電氣控制系統(tǒng)主要包括電機(jī)啟動裝置、PLC控制系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖裝置和工業(yè)監(jiān)控設(shè)定觸摸屏，可實現(xiàn)板片加工成型過程的自動控制。系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）相結(jié)合的分布式控制結(jié)構(gòu)，通過主站CPU集成PROFIBUS-DP接口連接ET200M遠(yuǎn)程站，并擴(kuò)展CP343-1以太網(wǎng)模塊連接工業(yè)監(jiān)控設(shè)定觸摸屏，通過觸摸屏輸入?yún)?shù)，可實現(xiàn)單動（點動）、半自動（單步動作）、自動（工作周期）三種操作方式，同時具有計數(shù)顯示、壓力顯示、運行狀態(tài)顯示、光電安全保護(hù)、超溫超壓報警等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)板片成型工藝要求，板片成型液壓機(jī)動作流程為：滑塊空程下行→空程慢下→系統(tǒng)加壓→增壓→保壓→泄壓→回程→靜止?？粘炭煜拢簾o須驅(qū)動，借助于滑塊自重，控制油將主缸中超高壓充液閥打開，經(jīng)支承閥塊中快速放油閥實現(xiàn)滑塊快速下行，并向主缸快速充液?？粘搪拢寒?dāng)快下到限位開關(guān)發(fā)訊轉(zhuǎn)慢下，慢下由支承閥塊中可調(diào)節(jié)流的插裝閥實現(xiàn)。加壓：主泵供油經(jīng)調(diào)壓閥塊和分配閥塊通過缸底上液控單向閥直接進(jìn)入主缸，實現(xiàn)泵加壓。增壓：當(dāng)泵加壓至預(yù)定壓力，壓力傳感器發(fā)訊，泵供油通過換向閥塊驅(qū)動增壓器，經(jīng)超高壓雙單向閥后進(jìn)入主缸，實現(xiàn)增壓。保壓、卸壓：當(dāng)壓力達(dá)到規(guī)定值后泵處于卸荷狀態(tài)，轉(zhuǎn)為保壓。保壓時間結(jié)束兩級泄壓閥開啟使缸內(nèi)液體平穩(wěn)快速卸壓。回程：缸底上充液閥打開，通過回程缸實現(xiàn)回程。靜止：壓機(jī)滑塊在任意位置挺留，而不下溜，由支承閥塊中自鎖功能實現(xiàn)。

為實現(xiàn)上述板片壓制動作，本系統(tǒng)選配西門子S7-300系列PLC，中央處理單元采用CPU313C-2DP，并擴(kuò)展CP343-1工業(yè)以太網(wǎng)接口模塊，實現(xiàn)與工業(yè)監(jiān)控設(shè)定觸摸屏MP277 10”之間的數(shù)據(jù)通訊；操作臺從站選配ET200M，通過史陶比爾MC工業(yè)連接器由Profibus-DP總線完成與主站PLC之間的通訊[1]。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖1所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)策略

控制系統(tǒng)主站PLC通過采集現(xiàn)場傳感器壓力、位移、溫度信號，限位開關(guān)位置信號，按鈕閉合、斷開信號等，利用PLC內(nèi)部指令進(jìn)行分析處理，控制液壓系統(tǒng)電磁閥得電/失電，從而實現(xiàn)壓機(jī)下行、慢下、加壓、增壓、保壓、泄壓、回程控制執(zhí)行功能。通過工業(yè)監(jiān)控設(shè)定觸摸屏可輸入滑塊位移、管路壓力、油液溫度上下限和零位調(diào)整范圍，工藝配方參數(shù)，滑塊機(jī)械限位有效/無效變更等信息，并顯示系統(tǒng)壓制運行參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

控制系統(tǒng)共有6臺電機(jī)，包括4臺主泵電機(jī)，1臺控制泵電機(jī)，1臺油冷機(jī)電機(jī)，啟動裝置采用美國AB公司軟啟動器，可實現(xiàn)間隔順序啟動，保護(hù)油泵，減小交流感應(yīng)電機(jī)全壓起動造成的機(jī)械損傷，延長系統(tǒng)壽命，抑制沖擊電流對線路的干擾，有效減少停機(jī)時間。

安全系統(tǒng)是在壓機(jī)兩側(cè)安裝安全光幕，配有安全繼電器，當(dāng)操作人員送取板片時，只要身體的任何一部分遮擋光線，設(shè)備就進(jìn)入安全狀態(tài)而不會給操作人員帶來傷害。設(shè)備在增壓和保壓管線配備壓力傳感器，當(dāng)滑塊運行至增壓和保壓位置時，壓力傳感器給主站PLC發(fā)訊，實現(xiàn)保壓/增壓動作。在主管路上安裝電接點壓力表，具有超壓報警功能，能夠使系統(tǒng)立即卸壓；壓機(jī)主機(jī)四角都安裝急停按鈕，帶有安全復(fù)位功能，方便維修和操作。

狀態(tài)自檢系統(tǒng)可在觸摸屏上動態(tài)顯示工作壓力、油液溫度和滑塊位移，同時可顯示壓機(jī)工作狀態(tài)、故障狀態(tài)、報警狀態(tài)、電磁閥得電/失電狀態(tài)，并顯示故障原因，方便維修人員檢查維修；在油箱上裝有溫度傳感器檢測油溫，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定溫度自動啟動換熱裝置，當(dāng)超過油溫，立即停機(jī)。為方便模具安裝和調(diào)整，在壓機(jī)旁安裝雙手操作臺，可實現(xiàn)慢下、慢回程。主站PLC能夠存儲上百套壓制工藝參數(shù)，通過觸摸屏可設(shè)定壓力、時間、高度等參數(shù)，在設(shè)備運行期間能夠直接在觸摸屏設(shè)備上獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計

板片成型液壓機(jī)控制系統(tǒng)軟件主要由主站PLC和觸摸屏部分組成，主站PLC采用STEP7編程軟件，觸摸屏界面使用WINCC Flexible進(jìn)行組態(tài)。主站PLC采用模塊化編程結(jié)構(gòu)，按照板片成型工藝流程和控制系統(tǒng)實現(xiàn)的不同功能，主要將其分為以下功能模塊：

FC21：系統(tǒng)故障報警處理

FC22：多主泵電機(jī)軟起起動、正常運行轉(zhuǎn)換

FC23：傳感器數(shù)據(jù)處理與整定

FC24：手動/自動控制功能

FC25：泵頭閥帶電測試

根據(jù)本系統(tǒng)控制要求，重點對主泵電機(jī)軟起起動和設(shè)備自動運行程序設(shè)計過程進(jìn)行詳細(xì)闡述。軟起起動程序設(shè)計思路是當(dāng)主電路斷路器閉合，電機(jī)起動信號觸發(fā)，則電機(jī)起動繼電器由程序驅(qū)動吸合，同時，軟起運行繼電器也由程序驅(qū)動吸合，電機(jī)起動。當(dāng)電機(jī)起動過程結(jié)束，軟起啟動器發(fā)出達(dá)速信號后，電機(jī)起動繼電器和軟起運行繼電器由程序斷開，電機(jī)軟起接觸器斷開，運行繼電器由程序驅(qū)動吸合，電機(jī)進(jìn)入運行狀態(tài)。下面以M1主泵電機(jī)為例對軟起過程進(jìn)行說明：

軟起程序1（M1起動控制）：

O "M1_Run" I4.2 主泵電機(jī)M1運行

O "M1_Star_KA" Q0.1 M1起動控制繼電器

AN "M1_Run_KA" Q0.2 M1運行控制繼電器

AN "M1Stop" M240.1 M1電機(jī)停止信號

A "M1_StartSignal" M60.0 M1電機(jī)起動信號

A "M1_StarCondition" M53.0 M1電機(jī)起動條件

AN "M1_Fault" M62.0 M1電機(jī)故障

= "M1_Star_KA" Q0.1 M1起動控制繼電器

L S5T#6S

SD T 10

程序1中，M1_StarCondition為M1泵電機(jī)運行條件（包括閘閥限位、壓力等），當(dāng)其滿足且此泵泵頭閥為溢流邏輯，其他與此共用軟起動器的泵電機(jī)沒有啟動，軟起動器無復(fù)位信號，則此泵起動條件滿足。當(dāng)此泵起動信號M1_StartSignal觸發(fā)，且運行繼電器M1_Run_KA沒有觸發(fā)，M1泵故障信號M1_Fault沒有觸發(fā)，則M1泵起動繼電器M1_Star_KA得電并自鎖，同時起動定時器T10。

軟起程序2（M1運行控制）：

A T 10

A "RQ_DASU" I5.6 軟起達(dá)速信號

O "M1_Run_KA" Q0.2 M1運行控制繼電器

AN "M1Stop" M240.1 M1停止信號

AN "AlarmDate".Emergency DB22.DBX0.0

A "M1_StartSignal" M1電機(jī)起動信號

= "M1_Run_KA" M60.0 M1電機(jī)起動信號

程序2中，當(dāng)定時器T10定時時間6S到，其觸電閉合，且軟起達(dá)速信號RQ_DASU滿足，則M1泵運行繼電器得電自鎖，并使起動繼電器M1_Star_KA失電。

軟起程序3（M1軟起起動）：

A "M1_Star_KA" Q0.1 M1起動控制繼電器

A "M1_RJB" I0.1 M1軟動接觸器閉合

A "RQ_DB" I0.0 軟動斷路器閉合

AN "RQ_Fault" I5.5 軟動故障信號

L S5T#400MS

SD T 11

= "RQ_KA" Q0.0 M1軟起運行繼電器

程序3中，當(dāng)M1泵起動繼電器M1_Star_KA和起動接觸器M1_RJB閉合，并且軟起前端斷路器閉合信號RQ_DB和軟啟動器正常信號觸發(fā)，則軟起動運行繼電器RQ_KA延時400MS得電，使軟啟動器運行。

對于壓機(jī)自動運行程序設(shè)計使用置位復(fù)位指令順序控制語句表實現(xiàn)。其實現(xiàn)的基本思路包括兩個操作：其一將該轉(zhuǎn)換所有的后續(xù)步變?yōu)榛顒硬?，即代表后續(xù)步的存儲器位變?yōu)?狀態(tài)，并使它保持1狀態(tài)。其二將該轉(zhuǎn)換所有的前級步變?yōu)椴换顒硬?，即代表前級步的存儲器位變?yōu)?狀態(tài)，并使它保持0狀態(tài)[2]。以設(shè)備實現(xiàn)自動加壓過程的程序進(jìn)行說明。

設(shè)備加壓部分程序：

A "AutoStartCondition" M100.4 自動啟動條件

A "IncreaseHigh_M" M90.6 加壓標(biāo)志

S "CT_Manu-Press-M" M160.2 加壓狀態(tài)

O "CT_Manu-Run-M" M160.0 快下運行狀態(tài)

O "CT_Manu-SlowDown-M" M160.1 慢下運行狀態(tài)

O "Pressurize_State" M160.6 增壓狀態(tài)

O "Keep_State" M160.7 保壓狀態(tài)

O "Release_High" M161.0 卸高壓狀態(tài)

O "Release_Low" M161.1 卸低壓狀態(tài)

O "CT_Manu-FastRetu-M" M160.4 快回狀態(tài)

O "CT_Manu-SlowRetu-M" M160.3 慢回狀態(tài)

O "CT_Manu-Stat-M" M160.5 靜止?fàn)顟B(tài)

O "Pressurize_Mark" M90.0 增壓標(biāo)志

O "AutoStop_M" M162.4 自動運行停止

上述程序中，當(dāng)自動啟動條件AutoStartCondition（泵電機(jī)正常運行、安全光幕無觸發(fā)信號、急停按鈕等）滿足，壓機(jī)滑塊運行至加壓標(biāo)志位IncreaseHigh_M時，將加壓狀態(tài)CT_Manu-Press-M置位，其他所有狀態(tài)均復(fù)位，從而保證壓機(jī)的單一工作狀態(tài)，在此狀態(tài)下，與此相對應(yīng)的電磁閥得電，實現(xiàn)壓機(jī)的加壓動作。其他狀態(tài)與此類似，在此不作說明。

壓機(jī)監(jiān)控設(shè)定觸摸屏畫面使用WINCC Flexible進(jìn)行組態(tài)，其主畫面分為設(shè)備運行狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)報警和液壓系統(tǒng)，主畫面之間通過按鈕可相互切換，畫面中所有變量均與主站PLC數(shù)據(jù)塊一一對應(yīng)，實現(xiàn)主機(jī)運行情況的動態(tài)顯示。在畫面組態(tài)過程中，配方工藝參數(shù)是本系統(tǒng)畫面組態(tài)的關(guān)鍵之一，下面對其組態(tài)過程進(jìn)行簡要說明。

在畫面中組態(tài)配方，需要在配方編輯器中創(chuàng)建帶有相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的配方。若在觸摸屏設(shè)備上顯示和編輯配方，需要在過程畫面中組態(tài)配方視圖或配方畫面。在系統(tǒng)運行過程中，配方數(shù)據(jù)記錄可以在外部數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)、觸摸屏設(shè)備和控制器之間傳送[3]。配方數(shù)據(jù)傳送機(jī)制如圖2所示。

圖2 配方數(shù)據(jù)傳送機(jī)制

在配方傳送過程中，通過執(zhí)行“保存”功能，將在配方視圖或配方畫面改變的值寫到存貯介質(zhì)的配方數(shù)據(jù)記錄中；執(zhí)行“裝載”功能將存儲介質(zhì)里的配方數(shù)據(jù)記錄值來更新配方畫面里顯示的配方變量的值；在調(diào)用“寫入控制器”功能時，將配方視圖和配方屏幕的值增量下載到PLC中；調(diào)用“從控制器讀出”功能將用控制器的值更新配方視圖和配方畫面里指示的值。

利用配方編輯器可創(chuàng)建、組態(tài)和編輯配方，在配方編輯器的元素標(biāo)簽頁上分別輸入加壓高度、回程高度、轉(zhuǎn)增壓壓力、保壓壓力、保壓時間，依次更改配方的組態(tài)設(shè)置，創(chuàng)建和編輯完成配方元素和數(shù)據(jù)記錄后，在配方畫面上可以組態(tài)配方視圖，系統(tǒng)運行時能夠顯示和編輯配方數(shù)據(jù)記錄。當(dāng)在系統(tǒng)配方視圖中輸入配方工藝參數(shù)數(shù)據(jù)或修改配方變量，可能導(dǎo)致配方變量的當(dāng)前值和實際值不同，根據(jù)配方數(shù)據(jù)傳送機(jī)制，可使配方視圖中顯示的數(shù)值與配方變量和PLC的值同步。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)板片成型工藝流程設(shè)計壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)，組建了主站PLC與遠(yuǎn)程站ET200M和工業(yè)監(jiān)控設(shè)定觸摸屏MP277之間的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，闡述了整機(jī)自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)策略，設(shè)計了主站PLC與觸摸屏的軟件程序，并將WINCC Flexible組態(tài)的項目集成到STEP7中，通過使用S7-PLCSIM完成對整個控制軟件的仿真，仿真過程真實模擬現(xiàn)場操作流程設(shè)定各種開關(guān)、顯示、控制參數(shù)及各種故障狀態(tài)，并根據(jù)控制要求調(diào)整DB塊相關(guān)參數(shù)，經(jīng)仿真驗證，程序各功能塊運行準(zhǔn)確，能完成預(yù)期的控制功能，可應(yīng)用于實際工程。

[1]劉建昌,于洪磊,辛紅,等.S7-300/400PLC工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2]廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[3]SIMATIC HMI WINCC flexible 2008系統(tǒng)手冊.