基于PLC控制的全自動(dòng)免熔鉛制粒機(jī)

鐘 志 萬(wàn)

(綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系, 四川 綿陽(yáng) 621000)

基于PLC控制的全自動(dòng)免熔鉛制粒機(jī)

鐘 志 萬(wàn)

(綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系, 四川 綿陽(yáng) 621000)

針對(duì)國(guó)內(nèi)鉛酸電池生產(chǎn)污染大、能耗高的狀況，提出了一種免熔鉛加工鉛粒的技術(shù)方法。免熔制鉛粒機(jī)由PLC和人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，主要特點(diǎn)是采用光電信號(hào)傳感器采集各相關(guān)的參數(shù)，并經(jīng)過(guò)PLC集中優(yōu)化處理，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)料到出料的自動(dòng)化控制。介紹了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的硬件和軟件,硬件設(shè)計(jì)包括PLC的選型、觸摸屏選型等；軟件設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理、電氣控制原理以及PLC控制流程設(shè)計(jì)。該全自動(dòng)免熔鉛制粒機(jī)已經(jīng)通過(guò)企業(yè)使用，操作簡(jiǎn)單，節(jié)能環(huán)保且性能穩(wěn)定。

制粒機(jī)； 鉛粒； 控制系統(tǒng)

0 引 言

在鉛酸企業(yè)加工中，鉛粒的制造是必不可少的核心環(huán)節(jié)之一[1]。由于傳統(tǒng)鉛粒鑄造工藝具有其缺陷性，“高污染、高能耗”是整個(gè)生產(chǎn)鉛粉流程的顯著特征，必須開發(fā)全自動(dòng)免熔鉛制粒機(jī)，降低能耗，提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量，達(dá)到“節(jié)能、環(huán)?！钡哪康摹?/p>

免熔鉛制粒機(jī)大致由輸送、切片、滾切制粒 三部分組成。具體來(lái)說(shuō)，機(jī)架、進(jìn)料總成、減速器等都是其組成部分[2]。在運(yùn)行中，鉛錠會(huì)沿著對(duì)應(yīng)的輸送軌道傳輸?shù)角衅b置中，順利完成鉛錠切片，并將其落入到滾切結(jié)構(gòu)中，便可以自動(dòng)制作成鉛粒。在輸送帶作用下，制作成的鉛粒會(huì)被輸送到儲(chǔ)倉(cāng)中，供鉛粉制作使用。就免熔鉛制整機(jī)來(lái)說(shuō)，運(yùn)行過(guò)程中借助光電信號(hào)傳感器，準(zhǔn)確采集不同控制點(diǎn)的參數(shù)，在PLC中，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一化處理，從進(jìn)料到出料整個(gè)過(guò)程都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制。

1 免熔鉛制粒機(jī)特點(diǎn)

就傳統(tǒng)鉛粒制造來(lái)說(shuō)，有兩種制造方法[3-4]。它們都需要先給鉛錠加熱，使其徹底融化，在制粒過(guò)程中，還需要借助循環(huán)冷卻水實(shí)現(xiàn)冷卻。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程消耗的能量特別多，而在加熱熔化之后，鉛液會(huì)產(chǎn)生大量的鉛煙，嚴(yán)重污染周圍環(huán)境，產(chǎn)生大量的氧化渣，大幅度降低了鉛的利用率，而工作環(huán)境也比較差，自動(dòng)化程度不高，大大增加了制造成本。

和傳統(tǒng)鉛粒制造方法相比，免熔鉛制粒機(jī)[1,5]更具優(yōu)勢(shì)，不需要對(duì)鉛錠進(jìn)行加熱熔化，簡(jiǎn)化了制造工藝流程，提高了生產(chǎn)效率與質(zhì)量。表1是新舊鉛制工藝對(duì)比情況。

表1 新舊工藝對(duì)照表

2 PLC控制的全自動(dòng)免熔鉛制粒機(jī)

2.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件部分主要由PLC、觸摸屏、伺服電動(dòng)機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)、電磁閥、換向閥組成[6]。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分利用步進(jìn)伺候電動(dòng)機(jī)的多樣化優(yōu)勢(shì)，比如，運(yùn)行可靠、便于控制、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，利用直線位移取代脈沖信號(hào)的位置，位移量與脈沖數(shù)、移動(dòng)速度與脈沖頻率都有著某種必然聯(lián)系，但不屬于反比例關(guān)系[7-9]。在此基礎(chǔ)上，步進(jìn)伺服電動(dòng)機(jī)取代進(jìn)給裝置的位置，提高定位精準(zhǔn)率，優(yōu)化調(diào)整進(jìn)料機(jī)的移動(dòng)速度，確保各生產(chǎn)環(huán)節(jié)順利進(jìn)行。

就控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要以PLC為核心，全方位準(zhǔn)確分析觸摸屏、PLC兩者的特征，多角度順利實(shí)現(xiàn)雙向通信。在操作觸摸屏基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)具體情況，優(yōu)化調(diào)整進(jìn)料速度、步進(jìn)伺候電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，借助PLC，動(dòng)態(tài)控制其中的驅(qū)動(dòng)器。在生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備維修人員可以在觸摸屏彈出的故障窗口中全方位了解故障發(fā)生的真正原因，及時(shí)采取可行的措施有效解決故障問(wèn)題，防止設(shè)備故障范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，確保系統(tǒng)設(shè)備處于安全、穩(wěn)定運(yùn)行中。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，一旦出現(xiàn)故障問(wèn)題，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)便會(huì)第一時(shí)間自動(dòng)產(chǎn)生急停信號(hào)，自動(dòng)切斷動(dòng)力電源，也可以人為按下控制柜外面的急停按鈕來(lái)切斷動(dòng)力電源。就氣缸活塞來(lái)說(shuō)，在運(yùn)行過(guò)程中，相關(guān)人員可以充分利用其中的傳感器，動(dòng)態(tài)化檢測(cè)各系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行情況，也就是說(shuō)其中傳感器會(huì)自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)輸入的PLC系統(tǒng)，而PLC系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)已接收的一系列數(shù)據(jù)信號(hào)，向設(shè)備提出合理化的指令，比如，電磁閥、換向閥，全方位動(dòng)態(tài)控制液壓油缸、氣缸?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 電氣控制原理

本設(shè)計(jì)所用電動(dòng)機(jī)為普通三相交流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)，繼電器和接觸器組合控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止[6]。以液壓電動(dòng)機(jī)為例，PLC輸入傳感器得到信號(hào)后，PLC輸出繼電器KA2線圈有電，接觸器觸點(diǎn)KA2閉合，接觸器線圈KM2得電，液壓電動(dòng)機(jī)接通交流電，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；反之,PLC輸入傳感器失去信號(hào)，繼電器線圈失電，導(dǎo)致接觸器線圈失電，使其接觸器的觸電斷開，液壓電動(dòng)機(jī)停止。上料電動(dòng)機(jī)、滾切電動(dòng)機(jī)、翻轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止與上料電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)原理一致。圖2給出電動(dòng)機(jī)控制原理圖。

圖2 電動(dòng)機(jī)控制原理圖

根據(jù)控制系統(tǒng)的I/O信號(hào)類型、I/O口的總點(diǎn)數(shù)，再綜合考慮考慮各種因素，PLC選取了德國(guó)西門子公司的SIMATIC S7-200產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)中，PLC的輸入點(diǎn)分配如表2所示[10]，輸出控制電路如圖3所示。

表2 PLC輸入點(diǎn)分配表

2.3 PLC軟件部分

在PLC編程過(guò)程中，編程人員必須全面、客觀分析各方面影響因素，綜合分析對(duì)應(yīng)的流程工藝、PLC指令系統(tǒng)，借助模塊化結(jié)構(gòu)思想，綜合分析主客觀影響因素，逐一分解模塊，確保不同模塊充分發(fā)揮其邏輯互鎖功能，順利完成整個(gè)PLC系統(tǒng)程序編制。就制粒機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，并不是由單一模塊組成，比如，自動(dòng)運(yùn)行、報(bào)警、手動(dòng)操作[11]，各自發(fā)揮著不同的作用。就信號(hào)輸入來(lái)說(shuō)，要以步進(jìn)到位傳感器等的信號(hào)為基點(diǎn)，而輸出數(shù)據(jù)信號(hào)要以PLC控制系統(tǒng)的電磁閥、換向閥等發(fā)出的指令為媒介，確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)更加準(zhǔn)確。

PLC信號(hào)的輸入以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)到位傳感器、切刀上下限傳感器接收的信號(hào)、翻轉(zhuǎn)動(dòng)作接收傳感器、托輥平臺(tái)接收傳感器為準(zhǔn)，輸出信號(hào)為PLC控制系統(tǒng)對(duì)換向閥、伺服驅(qū)動(dòng)器、電磁閥等發(fā)出命令。其工作流程如圖4所示。

圖3 S7-200 PLC輸出端接線圖

(a)輸送區(qū)工作流程圖(b)加工區(qū)工作流程圖

圖4 控制流程圖

根據(jù)以上分析，各個(gè)電動(dòng)機(jī)及相關(guān)部件的控制均采用模塊化編程或根據(jù)工作流程圖采用步進(jìn)指令編程[12]，本文采用模塊化編程。上料電動(dòng)機(jī)啟?？刂票容^簡(jiǎn)單，采用常規(guī)電動(dòng)機(jī)控制就能滿足控制要求；液壓電動(dòng)機(jī)和滾切電動(dòng)機(jī)的控制程序與翻轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的控制程序類似；氣缸控制與切刀控制程序類似，所以本文輸送區(qū)和加工區(qū)控制程序主要由系統(tǒng)啟動(dòng)及指示控制、報(bào)警顯示控制、翻轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)控制、切刀控制程序段構(gòu)成，如圖5所示。程序段中的中間繼電器意義描述如下：M0.0表示系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)；M0.1表示輸送區(qū)啟動(dòng)信號(hào)；M0.2表示加工區(qū)啟動(dòng)信號(hào)；M1.0表示翻料處傳感器給出的有料信號(hào)；M1.1表示翻料處傳感器給出的無(wú)料信號(hào)；M1.3表示托輥平臺(tái)傳感器給出的無(wú)料信號(hào)，輸入輸出口的意義見圖3。

2.4 觸摸屏設(shè)計(jì)

觸摸屏作為當(dāng)下最新的電腦輸入、輸出設(shè)備，簡(jiǎn)單、方便的人機(jī)交互理念是觸摸屏風(fēng)靡的主要原因。本設(shè)計(jì)中觸摸屏采用威綸通科技有限公司出品的MT6100i作為和PLC通信的人機(jī)界面[13-14]，兩者之間通過(guò)異步串口通信。觸摸屏主要顯示主界面、手動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行、參數(shù)設(shè)置和報(bào)警設(shè)置4個(gè)模塊。

(a) 系統(tǒng)啟動(dòng)及指示控制程序

(b) 翻轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)控制程序段

(c) 切刀控制程序段

圖5 控制程序梯形圖

3 結(jié) 語(yǔ)

基于PLC控制的全自動(dòng)免熔鉛制粒機(jī)，能夠在一定程度上有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)鉛制工藝缺點(diǎn)，優(yōu)化完善冷態(tài)加工鉛粒制造工藝，為生產(chǎn)鉛酸電池提供了一個(gè)全新的平臺(tái)，“低能耗、低污染”是其顯著特征，生產(chǎn)過(guò)程中提高了各方面能源利用率，有利于緩解新時(shí)期日益加重的能源危機(jī)，在降低鉛粒生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)最大化的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)周圍環(huán)境的污染也比較少，有利于改善周圍環(huán)境。同時(shí)，PLC具有較好的自動(dòng)控制功能，簡(jiǎn)化操作流程，提高了人力資源利用率，極大地提高了工作效率與質(zhì)量，具有較好的“經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)”效益。站在長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)說(shuō)，基于PLC的全自動(dòng)免熔鉛制粒機(jī)具有較高的應(yīng)用價(jià)值，有著廣闊的市場(chǎng)前景，有利于鉛酸企業(yè)走上健康持續(xù)的發(fā)展道路，不斷促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展。

[1] 孫翔鴻,朱家誠(chéng).基于PLC控制的全自動(dòng)免熔鉛制粒機(jī)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013(6):152-154.

[2] 牛義生,陳志雪,毛治國(guó),等.免熔鉛制粒機(jī)在鉛粉制造中的應(yīng)用[J].蓄電池,2014(6):275-278.

[3] 黎興國(guó), 吳盛祺, 賴品麗,等. 蓄電池鉛粉生產(chǎn)的方法及設(shè)備: CN102935517A[P]. 2013.

[4] 朱秀成. 全自動(dòng)免熔化鉛錠造粒機(jī)輥軸的加工方法: CN103600208A[P]. 2014.

[5] 周明明, 謝鳴生, 杜恩生,等. 一種鉛酸蓄電池的鉛粉生產(chǎn)工藝, CN103785825A[P]. 2014.

[6] 孫翔鴻.全自動(dòng)免熔鉛制粒機(jī)的研制[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2013.

[7] 劉玉梅.基于PLC技術(shù)的電動(dòng)汽車交流充電系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南：山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[8] 薛永風(fēng)，朱學(xué)軍，方贊．基于FX2N一20GM的雙軸步進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2009(9)：73-77．

[9] 何雪明，吳曉光，常 興．?dāng)?shù)控技術(shù)[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006．

[10] 胡孔元, 朱華炳, 曹斌. 基于PLC的港口集裝箱碼頭裝卸模型下位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2012, 31(4):58-61.

[11] 張 磊.全液壓露天采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].合肥：安徽理工大學(xué),2014.

[12] 于 穎, 王 玉. 基于S7-300PLC的西門子自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2008, 27(8):264-266.

[13] 安 剛. 淺談宏指令在威倫觸摸屏中的應(yīng)用[J]. 國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù), 2008(4):22-24.

[14] 梅幼亞, 姚 毅, 于 洋,等. 基于西門子S7-300與威綸通觸摸屏的換熱站自控系統(tǒng)[J]. 山東工業(yè)技術(shù), 2015(13):220-221.

Fully Automatic No-molten Lead Pellet Mill Based on PLC Control

ZHONG Zhiwan

(Deparment of Information Engineering, Mianyang Polytechnic, Mianyang 621000, Sichuan, China)

This article proposes a technology of no-molten manufacture of lead particles aiming at dealing with the high pollution and energy consumption of the domestic lead-acid battery. No-molten lead pellet mill is automatically controlled by PLC and man-machine interface, whose main characters are to collect the parameters from all relevant control points, and centralized optimized dispose through PLC to realize the automatic control from feedstock to discharge. It introduces mainly the design of software and hardware applied in the control system. The software includes the structural principle of the control system, principle of electrical control and the design of PLC control process and the hardware includes the type selection of PLC and model selection of touch screen. Through the practical use of enterprises, it shows that the no-molten lead pellet mill is simple in operation, energy saved, environmental protected and stable in performance.

pellet mill; lead shot; control system

2017-03-07

鐘志萬(wàn)(1962-)，男，重慶人，碩士，副教授，從事電氣自動(dòng)化應(yīng)用教學(xué)和研究。

Tel.：18981116688； E-mail：zzw620315@qq.com

TM 911

A

1006-7167(2017)08-0091-04