智能化金剛石選型機控制系統的研制

梅懷帥++蘇建勇+++張帥++張西茂++周帥華

摘 要：本文闡述了一款在第一代人造金剛石選型機的基礎上進行智能數字化改造并升級金剛石選型機，詳細說明了設備控制系統的特點，工作原理和生產使用效果。

關鍵詞：人造金剛石；分選智能化選型機；控制；原理

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A

0.引言

中國經濟的高速發(fā)展帶動了金剛石制造業(yè)蓬勃發(fā)展，為中國的經濟建設做出巨大貢獻的同時，也存在不少問題，產品質量低，品牌產品少，高檔產品以進口為主。企業(yè)勞動密集，耗費較多的人工。尤其是因為技術的原因造成的企業(yè)勞動密集的問題，在中國的人口紅利漸漸遠去的今天和未來，顯得尤為突出。

近年來，工業(yè)4.0的提出得到了很大的重視。在金剛石選型工藝段，需要大量的選型設備，由于原來的設備操作不便，需要大量的技術性工人來調試選型機，由于人工的干預造成了產品質量不可控，由此我們研發(fā)一款智能化人造金剛石選型機。

1.選型機的工作原理

工作原理是：利用振動和摩擦的作用以及二者的相互作用和影響，通過調整具有一定表面粗糙度的三角形分選盤面的縱向和橫向傾角及振動頻率和振幅，來達到分選的目的。但對于單個顆粒金剛石來說，它在盤面上的運動又是很復雜的隨機運動，因此，各個金剛石顆粒在不同的選型機上從出料口出料的位置并不相對固定，只是從概率論的層面上來講，集中在出料端的某一位置區(qū)域。那么，外形略好于以及略差于某類的另外兩類物料在出料端的位置區(qū)域則應位于該類物料的下方或者上方，但分布不會有明顯的界限，而是相互疊加的，故對應于出料端上某一料斗，會有多種外形相近的金剛石落入其中，只是某一種分布區(qū)域中心正對著該料斗的物料落入其中的幾率最大。這就使得在振動選型的過程中，選完幾遍之后，往往中間有些料斗收集的物料有一部分是上一等級的，又有一部分是下一等級的，即有不同等級的料還是混在一起，需要進一步分選。但這種分選只是一個漸近過程，永遠也難以將不同等級的顆粒決然分別開來。

2.選型機的結構和參數要求

2.1選型機的設備結構

該設備作為一種小型振動設備，分別有兩個工作的動力源：分選振動器和給料振動器。分選振動器給振動盤的微震提供動力，保證分選過程正常有序；給料振動器使大容量給料裝置為設備工作提供源源不斷的原料，且通過調整振動器的電壓可以精準控制下料的速度。

2.2根據客戶提出的要求，分析設備的具體參數如下：

（1）四路脈沖，控制4個步進電機。

（2）四路模擬量輸入。

①2路電壓調節(jié)，精度是0.5V，②2路角度調節(jié)，精度是0.2度。

（3）通信：以太網通信。

（4）下位機能實現參數存儲，10組配方。

3.系統硬件配置

如圖1所示：

由于設備的要求是4路脈沖，一般小型的PLC只能帶3路，所以控制器選擇西門子的1200系列CPU1214C PLC；觸摸屏選用的西門子的TP700；步進電機和步進驅動器選用的是明志的迷你型的，步進電機型號AM17HDB410-01N，驅動器型號：SR3-mini。

3.1 PLC簡介

西門子PLC S7-1200系列是一款中小型西門子PLC，可以在各種自動化項目中進行應用。S7-1200系列設計較為緊湊，經濟性較好，而且指令功能較為強大，因此在各種自動化控制解決方案中有較廣泛的應用。作為西門子PLC S7-200系列的升級版，西門子PLC S7-1200具有很多集成在CPU上的功能，與此同時，它的組態(tài)軟件博圖V14具有運動控制塊，可以很方便實現運動控制的組態(tài)。

3.2步進電機簡介

由于電壓調節(jié)和角度調節(jié)的精度太高，一般的直流電機不可行，伺服系統成本過高，不可行，所以只能選步進系統。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機，是現代數字程序控制系統中的主要執(zhí)行元件，應用極為廣泛。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電動機具有快速起停、精確步進和定位等特點，所以常用作工業(yè)過程控制及儀器儀表，使用PLC可編程控制器實現步進電動機驅動，可使步進電動機的抗干擾能力強，可靠性高，既可實現精確定位控制，又能降低控制成本，還有便于維護。

4.系統控制原理

4.2 電壓調節(jié)

4.2.1 電壓調節(jié)的原理

如圖3所示，PLC控制器發(fā)出脈沖信號控制步進電機驅動器，步進電機旋轉一定的角度，控制調壓器的輸出，來調節(jié)振動線圈的電壓，來改變給料和選料振幅的大小，改變物料在分選板上的運行軌跡。

4.2.2 調壓器的結構改造

原裝調壓器是手動調節(jié)的，市場上沒有類似數字調壓器，需要專門為這個設計一個結構，改造成數字可調的，結構圖如圖4所示。

4.2.3 電壓調節(jié)的控制方法

電壓調節(jié)最終目的是滿足客戶的需求，所以電壓調節(jié)的精度滿足客戶要求的前提下，采取更加優(yōu)化的方法，因為一天24小時之內，每個時間階段的電壓不一樣，會有波動，白天上午和下午的電壓不一樣，晚上和白天的電壓也不一樣，因此為了更好地控制調壓器輸出的電壓，我們采用閉環(huán)跟隨控制方法，根據設定值和實際供電電壓的高低實時控制調壓器的輸出，當供電電壓高于設定值時，調壓器輸出減小，當供電電壓小于設定值時，調壓器輸出增大；來解決客戶提出電壓波動的問題，同時分選板的振幅更加穩(wěn)定，選型的效果符合客戶的要求。

4.3 角度調節(jié)

4.3.1 角度調節(jié)的原理

如圖5所示，PLC控制器發(fā)出脈沖信號控制步進電機驅動器，步進電機旋轉一定的角度，通過推桿的變換，角度控制轉換為直線控制，來調節(jié)振動平臺的升降，來改變分選板的前后角，改變振動平臺傾斜角度，物料在分選板上的運行軌跡會根據角度的變化而變化。

4.3.2 角度調節(jié)的結構改造

調節(jié)振動平臺的推桿，市場上小功率的都直流電動推桿，步進電動推桿都是蝸輪蝸桿的大扭矩，體型比較大，選型機的內部改造空間比較小，所以沒有合適的推桿，需要從新定做，推力是1200N*M，推桿伸縮距離是200mm，精度是0.1mm。

4.3.3 角度調節(jié)的控制方法

角度調節(jié)最終目的是滿足客戶的需求，所以角度調節(jié)的精度滿足客戶要求的前提下，采取更加優(yōu)化的方法，我們采用閉環(huán)控制，角度設定值和角度傳感器測回的實際角度作比較實時控制分選振動平臺的升降，當實際值高于設定值時，分選板控制平臺降低，當實際值小于設定值時，分選板控制平臺升高。

5.設備安裝調試

5.1設備組裝

設備現場安裝要求地面比較平整，設備擺放到位后，四角必須調平固定，不能出現晃動現象，否則設備就無法調試到需要的狀態(tài)，因為每一個細節(jié)的變化，比如四角不穩(wěn)，減震不一樣，分選板粗糙度不一樣，角度變化精度不一樣等等都會改變設備的運行狀態(tài)，所以盡量避免一些可以避免的多變量的變化。

5.2設備通電調試

設備上電后，給料電壓，選料電壓，左面角度和后面角度4個參數設定后，一建啟動，就可以了，設備自動運行到需要的參數，如果參數不合理，重新設定參數，在次啟動設備觸摸屏的啟動按鈕就好了。參數符合要求后，保存為自己名字的配方，下次使用直接調用對應配方的名字，可以保存10組不同的配方，也就是說設備可以對不同的人造金剛石進行分選，僅僅需要點下按鈕，操作非常簡單。

由以上曲線（圖6）可知，導致每臺設備的參數不一樣原因，設備元器件的加工精度，電氣元器件的參數誤差（線圈），設備焊接時的要求精度等都會造成設備的參數不一樣，但是選出的人造金剛石的結果是一樣的。

結論

從實際運行情況分析，智能化金剛石選型機控制系統的研制，降低了人工的勞動強度，提高了產品的穩(wěn)定性，同時為整個車間的數據采集，網絡化提供基礎。

參考文獻

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