基于微型折彎?rùn)C(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林光啟，侯俊哲，陳 浩，何銘林，黃凌森

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東 廣州510800）

0 前言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的日益增長(zhǎng)，控制一體化已成為一種趨勢(shì)，其重要性越來(lái)越明顯。產(chǎn)業(yè)升級(jí)推動(dòng)市場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，工業(yè)控制中從手動(dòng)到自動(dòng)的演變是其中一個(gè)體現(xiàn)。PLC是目前相當(dāng)成熟的技術(shù)，在系統(tǒng)穩(wěn)定性、可移植性、安全性等方面都比較可靠[1]。在現(xiàn)基礎(chǔ)上，基于PLC對(duì)微型折彎?rùn)C(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)具有良好的可行性，順應(yīng)了現(xiàn)在的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，有著開(kāi)闊的市場(chǎng)價(jià)值。

1 基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作流程圖

通過(guò)以PLC為控制中心來(lái)實(shí)現(xiàn)折彎?rùn)C(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)功能，需要將控制和檢測(cè)信號(hào)通過(guò)按鈕和傳感器輸入到PLC，再通過(guò)PLC內(nèi)部程序的運(yùn)算和判斷，從PLC輸出信號(hào)到變頻器，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)對(duì)于折彎?rùn)C(jī)工作的控制。折彎?rùn)C(jī)的啟動(dòng)、復(fù)位和急停，都可以通過(guò)控制盒上的按鈕來(lái)進(jìn)行操作，輸出則可以通過(guò)接觸器、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成?；谖⑿驼蹚?rùn)C(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

1.2 I/O分配

PLC的I/O地址分配涉及到對(duì)PLC輸入和輸出的情況，表1是對(duì)相關(guān)元器件符號(hào)、功能、輸入和輸出的闡述。

表1 PLC的I/O分配說(shuō)明

1.3 可編程控制器（PLC）

在本次設(shè)計(jì)中，采用了PLC作為系統(tǒng)的控制單元，因?yàn)镻LC具有許多優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。其中具有較強(qiáng)的邏輯判斷和控制能力，在硬件方面有隔離和濾波的功能，能有效地消除干擾。還具有擴(kuò)展容易，通信功能強(qiáng)大，方便移植等特點(diǎn)[2-6]。因此，使用PLC作為控制系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。由于所需要的I/O并不是很多，就直接采用了實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的型號(hào)為FX2S-20MR/MT的PLC.FX2S-20MR/MT的PLC具有的I/O口眾多，屬于中型的PLC，其功能完善，足以滿足系統(tǒng)的使用要求。

1.4 接近開(kāi)關(guān)

根據(jù)系統(tǒng)定位精度的需要，采用M12接近開(kāi)關(guān)LJ12A3-4-Z/BX.其接線方式是三線NPN接法，在電流為直流12 V下工作。工作時(shí)能快速發(fā)出檢測(cè)信號(hào)，靈敏地檢測(cè)物體[7]。

接近開(kāi)關(guān)的安裝有兩處，一處是安裝在折彎?rùn)C(jī)的頂端，另一處是安裝在凸模具的夾具上，如圖2所示。夾具的位置可以上下調(diào)節(jié)，在調(diào)試過(guò)程中方便調(diào)節(jié)接近開(kāi)關(guān)的最佳位置。這兩處的接近開(kāi)關(guān)在凸模具的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起到定位的作用，能準(zhǔn)確地為系統(tǒng)設(shè)置上下限位，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行和儀器的安全。

圖2 接觸開(kāi)關(guān)安裝圖

1.5 系統(tǒng)的I/O接線圖和控制電路圖

在系統(tǒng)的控制對(duì)象和PLC型號(hào)確定之后，根據(jù)控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能對(duì)線路進(jìn)行設(shè)計(jì)。線路設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)布線、電路連接和元器件組合三個(gè)方面。PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，每個(gè)輸入輸出點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的功能，它將輸入型元器件的信號(hào)經(jīng)過(guò)有序處理之后輸出給執(zhí)行元器件。其I/O接線圖如圖3所示。

圖3 I/O接線圖

局部的控制電路圖分為三個(gè)部分，分別是變頻器部分、接觸器部分和繼電器部分。變頻器部是主要的控制部分，也是PLC對(duì)電機(jī)控制的中介。該變頻器具有220 V輸入三相輸出的功能，外接三相電機(jī)[8-10]。表面設(shè)有多個(gè)端口，有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的端口、高中低速端口等。PLC上相應(yīng)的I/O與變頻器上的端口連接，通過(guò)輸出相應(yīng)信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而控制折彎?rùn)C(jī)的工作。系統(tǒng)的控制電路圖如圖4所示。

圖4 控制電路圖

1.6 自動(dòng)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)的性能完善穩(wěn)定，控制性高，根據(jù)不同的加工工藝要求，相應(yīng)地修改程序即可實(shí)現(xiàn)。微型折彎?rùn)C(jī)控制系統(tǒng)沒(méi)有特殊的加工工藝，因此只需要針對(duì)每個(gè)按鈕在PLC內(nèi)部設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序，令其完成相應(yīng)的操作即可。在本文中，介紹的是用梯形圖的形式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程?？刂葡到y(tǒng)的部分梯形圖如圖5所示。

圖5 基于微型折彎?rùn)C(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)部分梯形圖

1.7 安全部分

除了要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能之外，也需要考慮系統(tǒng)的安全性問(wèn)題。其中，設(shè)計(jì)“互鎖”功能，以確保電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)信號(hào)不在同一時(shí)間接通。另外，在系統(tǒng)中還設(shè)置了“開(kāi)關(guān)互鎖”，目的是為了避免Y0和Y1同時(shí)接通，以確保系統(tǒng)的安全。除此，還有熱繼電器。當(dāng)三項(xiàng)電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載工作，電路溫度過(guò)高時(shí)，熱繼電器就會(huì)開(kāi)始工作，其常閉觸點(diǎn)將會(huì)斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)隨之閉合。因?yàn)槌ｉ]觸點(diǎn)與接觸器線圈相連，所以當(dāng)過(guò)載接觸器線圈斷開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)停止工作，避免事故的發(fā)生。

使用M8000作為監(jiān)控常開(kāi)觸點(diǎn)，定義輔助繼電器M101、M102、M103分別為變頻器、電機(jī)和傳感器的出錯(cuò)報(bào)警觸點(diǎn)。當(dāng)變頻器、電機(jī)和傳感器運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)反饋報(bào)警。

2 改造前后的比較

改造前的微型折彎?rùn)C(jī)三維圖如圖6所示，在操作的過(guò)程中，需要使用配置的搖桿旋轉(zhuǎn)主軸，由于搖桿的重量比較重，給一部分使用者帶來(lái)了麻煩。并且，操作過(guò)程中需要兩個(gè)人同時(shí)進(jìn)行，其中一個(gè)負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)主軸，而另一個(gè)要負(fù)責(zé)板料的送給。完成一個(gè)工序需要花費(fèi)大量的人力以及時(shí)間，工作的效率明顯不高。

圖6 改造前折彎?rùn)C(jī)三維圖

改造后的微型折彎?rùn)C(jī)三維圖如圖7所示，硬件部分新增了三項(xiàng)電機(jī)、同步帶輪·輪、接觸開(kāi)關(guān)、控制盒和控制電箱。三項(xiàng)電機(jī)負(fù)責(zé)傳動(dòng)，這是折彎?rùn)C(jī)運(yùn)作的關(guān)鍵部分，也是改造的重要方面之一，正因?yàn)樾略隽穗姍C(jī)，從而替代了人工的操作。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)模具運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸開(kāi)關(guān)在起到定位的作用，限制了模具運(yùn)動(dòng)的范圍，從而保障工作的運(yùn)行和保護(hù)儀器。在外部設(shè)有控制盒，上面具有啟動(dòng)、復(fù)位和急停按鈕，控制系統(tǒng)的運(yùn)行和停止。最后是控制電箱，內(nèi)部主要由空氣開(kāi)關(guān)、接觸器、繼電器、變頻器和外部接線端子構(gòu)成。

圖7 改造后折彎?rùn)C(jī)三維圖

采用了PLC控制系統(tǒng)之后，只需操控外部設(shè)置的開(kāi)關(guān)按鈕即可控制折彎?rùn)C(jī)工作，簡(jiǎn)化了繁瑣的人力操作，大大增強(qiáng)了折彎?rùn)C(jī)的便利性和實(shí)用性。

3 結(jié)束語(yǔ)

該微型折彎?rùn)C(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了折彎?rùn)C(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和接近開(kāi)關(guān)確保模塊運(yùn)動(dòng)的范圍，不但操作輕便、工作效率高，而且實(shí)用性強(qiáng)、安全有保障。這個(gè)研究只是大時(shí)代一個(gè)縮影，在未來(lái)的機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)中，半自動(dòng)化和自動(dòng)化將會(huì)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工。在進(jìn)入一個(gè)新的工業(yè)革命之前，要做好相關(guān)的準(zhǔn)備，在下次機(jī)遇來(lái)臨之時(shí)即可揚(yáng)帆，乘風(fēng)破浪，大力發(fā)展我國(guó)工業(yè)，提高市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)。