高壓氣瓶熱處理生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)*

周永強(qiáng)，劉曉超

（1.洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽 471000；2.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，河南焦作 454000）

0 引言

氣瓶熱處理生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)控制的自動(dòng)化水平直接影響到氣瓶熱處理的質(zhì)量和效率，進(jìn)而影響氣瓶的使用安全。研究氣瓶熱處理生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，使氣瓶毛坯從來到正火生產(chǎn)線到離開正火生產(chǎn)線的運(yùn)動(dòng)過程實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，包括對(duì)進(jìn)料輥道、出料輥道、進(jìn)料爐門、出料爐門、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、氣瓶對(duì)中定位、步進(jìn)梁、液壓油泵、助燃風(fēng)機(jī)以及正火床等的控制及故障報(bào)警，能有效降低操作失誤導(dǎo)致的廢品率，大大提高氣瓶的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

1 硬件組成

氣瓶熱處理生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)借助可編程控制器來實(shí)現(xiàn)工藝過程的控制，PLC通過執(zhí)行梯形圖程序控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。在生產(chǎn)工段上，各個(gè)被控設(shè)備應(yīng)嚴(yán)格按照工藝要求的順序啟動(dòng)和停止[2]。PLC是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，PLC的控制盡量滿足工藝上的各種聯(lián)鎖要求，同時(shí)對(duì)于全部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備還要求具備2種控制模式，即自動(dòng)與手動(dòng)。正常生產(chǎn)時(shí)，多采用自動(dòng)模式；調(diào)試和單體工作站試車時(shí)，一般用手動(dòng)模式，此時(shí)設(shè)備可以單體動(dòng)作[3]。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)依據(jù)控制功能和對(duì)象的差異，兼顧強(qiáng)電和弱電分開的原則，由電源柜P1、PLC柜P2、電腦柜P3、就地操作臺(tái)AX1、AX2以及其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成。上位機(jī)采用研華工控機(jī)，放置于電腦柜中，同PLC和智能儀表之間進(jìn)行RS-485通訊，在組態(tài)軟件中設(shè)計(jì)人機(jī)界面，采集現(xiàn)場(chǎng)信息、監(jiān)控生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2個(gè)就地控制臺(tái)分別設(shè)在進(jìn)料爐門旁和正火床旁。當(dāng)PLC運(yùn)行紊亂或通信出現(xiàn)故障，需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，可以直接通過就地操作臺(tái)手動(dòng)操作[4]。進(jìn)料爐門旁的就地操作臺(tái)AX1能實(shí)現(xiàn)油泵電機(jī)啟停、進(jìn)料輥道電機(jī)啟停、翻料氣缸升降、定位氣缸進(jìn)退、進(jìn)/出料爐門開關(guān)、步進(jìn)梁的升—進(jìn)—降—退等控制和相應(yīng)狀態(tài)的指示，設(shè)置急停按鈕、自動(dòng)啟動(dòng)停止按鈕和自動(dòng)手動(dòng)切換旋鈕。正火床旁的操作臺(tái)AX2實(shí)現(xiàn)正火床翻料氣缸動(dòng)作，冷卻輥道和斜輥道啟動(dòng)停止以及冷卻風(fēng)機(jī)啟停等的手動(dòng)自動(dòng)控制。

根據(jù)I/O點(diǎn)分析，共需要數(shù)字量輸入68點(diǎn)，輸出45點(diǎn)，考慮到余量，選用西門子PLC，1塊CPU226模塊24入16出(訂貨號(hào)6ES7 216-2AD23-0XB0），3塊EM223模塊 16入16出（訂貨號(hào)6ES7223-1BL22-0XA0）[5]。

2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主流程圖如圖1所示。

2.1 進(jìn)料控制

圖1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主流程圖

進(jìn)料控制主要包括：聯(lián)絡(luò)上游生產(chǎn)線信號(hào)、控制來料翻料氣缸、進(jìn)料翻料氣缸和進(jìn)料爐門的動(dòng)作以及入爐前氣瓶的定位控制。從上游生產(chǎn)線下來的氣瓶坯料，被傳送帶運(yùn)送至正火生產(chǎn)線。為了避免事故和混亂發(fā)生，只有在加熱爐做好接收氣瓶的準(zhǔn)備后，才允許通過輥道向爐子輸送冷的瓶坯。允許進(jìn)瓶條件為：系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)；節(jié)拍時(shí)間到；步進(jìn)梁處于初始位置，即降到位退到位；系統(tǒng)無故障報(bào)警。以上條件同時(shí)滿足方可進(jìn)瓶。信號(hào)聯(lián)絡(luò)是通過上游生產(chǎn)線發(fā)出的進(jìn)瓶請(qǐng)求DI信號(hào)和正火生產(chǎn)線反饋的允許進(jìn)瓶DO信號(hào)實(shí)現(xiàn)的[6]。

系統(tǒng)在來料輥道上適當(dāng)位置安裝行程開關(guān)，用于檢測(cè)上道工序的生產(chǎn)線上是否過來的有料，如果有瓶坯過來行程開關(guān)就會(huì)被壓合，來料翻料氣缸在此后延時(shí)動(dòng)作，將瓶坯翻到進(jìn)料輥道上。進(jìn)料輥道垂直于來料輥道，由電機(jī)拖動(dòng)，其上安裝行程開關(guān)用來對(duì)氣瓶計(jì)數(shù)，完成產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，之后經(jīng)過延時(shí)后進(jìn)料翻料氣缸動(dòng)作，將氣瓶坯料翻到入爐輥道上。

為了避免瓶坯在加熱爐內(nèi)移動(dòng)過程中刮擦爐壁、甚至掉瓶，氣瓶進(jìn)入加熱爐時(shí)，必須定位準(zhǔn)確，即要求瓶坯的長(zhǎng)度中心垂直平分加熱爐中心軸線，且誤差在工藝要求的范圍內(nèi)[7]。因此，氣瓶坯料經(jīng)進(jìn)料輥道后，在進(jìn)料爐門前方，通過時(shí)序控制定位氣缸準(zhǔn)確動(dòng)作，把氣瓶坯料對(duì)中定位。

進(jìn)料爐門由液壓驅(qū)動(dòng)，其上安裝有開到位、關(guān)到位2個(gè)限位開關(guān)，分為手動(dòng)和自動(dòng)2種控制模式。自動(dòng)模式下，若步進(jìn)梁已經(jīng)在原位（步進(jìn)梁退到位降到位），氣瓶坯料在進(jìn)料爐門前對(duì)中定位后，進(jìn)料爐門方能打開直至開到位，延時(shí)后，瓶坯進(jìn)入爐內(nèi)，停放在固定梁上，爐門開始關(guān)閉直至關(guān)到位[8]。

2.2 步進(jìn)梁運(yùn)動(dòng)控制

步進(jìn)梁的升—進(jìn)—降—退是由液壓驅(qū)動(dòng)的，主要包括液壓泵站和比例閥的調(diào)節(jié)和控制，步進(jìn)梁有單體運(yùn)動(dòng)和循環(huán)運(yùn)動(dòng)2種方式。

該生產(chǎn)線配備1個(gè)液壓泵站，由油泵電機(jī)M1驅(qū)動(dòng)。由于負(fù)載所需動(dòng)力較大，電機(jī)M1功率為30 kW，需采用星三角降壓?jiǎn)?dòng)。液壓站的控制分為就地和遠(yuǎn)程2種控制方式，就地控制是在液壓站控制臺(tái)AX1上的面板通過按鈕手動(dòng)操作;遠(yuǎn)程控制是在操作室由PLC自動(dòng)控制。自動(dòng)方式下，進(jìn)料爐門開，步進(jìn)梁依次完成升—進(jìn)—降—退的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，與固定梁協(xié)作把氣瓶坯料循序漸進(jìn)地從進(jìn)料端移向出料端，這是運(yùn)動(dòng)控制的主要工作。進(jìn)/出料爐門和步進(jìn)梁的升降進(jìn)退均由液壓驅(qū)動(dòng)。為了滿足不同的出瓶節(jié)奏要求，步進(jìn)周期的長(zhǎng)短(即出瓶節(jié)拍)可以在上位機(jī)進(jìn)行人工手動(dòng)調(diào)節(jié)[9]。步進(jìn)梁正循環(huán)控制流程如圖2所示。

圖2 步進(jìn)梁正循環(huán)控制流程圖

2.3 出料控制

加熱爐下游為正火床冷卻系統(tǒng)，氣瓶經(jīng)過加熱爐加熱，從加熱爐進(jìn)口借助步進(jìn)梁運(yùn)動(dòng)到出口后，經(jīng)由出料懸臂輥道送至出料輥道上，再被運(yùn)送至正火床，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化冷卻作業(yè)，因而需要聯(lián)絡(luò)好下游正火床冷卻系統(tǒng)的信號(hào)，我們采用應(yīng)答方式聯(lián)絡(luò)信號(hào)。下游正火床冷卻系統(tǒng)首先向系統(tǒng)PLC發(fā)出請(qǐng)求要瓶信號(hào)，PLC依據(jù)聯(lián)鎖條件判斷上游加熱爐端是否滿足出瓶條件，若滿足就向下游正火床發(fā)出允許出瓶信號(hào)，讓下游正火床做好啟動(dòng)準(zhǔn)備。允許出瓶條件為：步進(jìn)梁處于初始位置，即降到位退到位；系統(tǒng)設(shè)定的節(jié)拍時(shí)間到；瓶坯被加熱達(dá)到設(shè)定的溫度范圍。以上條件同時(shí)滿足方可出瓶。

出料爐門控制與進(jìn)料爐門基本一樣。自動(dòng)模式下，當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)PLC向下游正火床發(fā)出允許出瓶信號(hào)后，出料爐門自動(dòng)打開直至開到位，當(dāng)出料輥道把氣瓶向正火床運(yùn)送時(shí)，爐門開始自動(dòng)關(guān)閉直至關(guān)到位。出料控制流程如圖3所示。

圖3 出料控制流程圖

2.4 正火床冷卻控制

氣瓶從加熱爐出來后，被送上正火冷卻輥道，通過正火床斜輥道到達(dá)鏈?zhǔn)秸鸫采?，鏈?zhǔn)秸鸫彩菍?shí)現(xiàn)氣瓶冷卻和輸送的重要載體，氣瓶被置于撥爪與鏈條形成的槽形空間內(nèi)進(jìn)行冷卻，共5個(gè)槽形空間，每個(gè)槽形空間只允許存放1只氣瓶。每個(gè)撥爪由1個(gè)翻料氣缸驅(qū)動(dòng)，為了冷卻均勻，在鏈條和鏈輪的配合下，每個(gè)槽形空間上的氣瓶均繞中心軸線作圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，延時(shí)一定時(shí)間后，翻料撥爪動(dòng)作將其送往下一個(gè)槽形空間，最終經(jīng)過5個(gè)槽形空間后，氣瓶冷卻至合適溫度，被送往下道生產(chǎn)線進(jìn)行其他工序的處理。在某些情況下，需要?dú)馄扛斓乩鋮s，可以啟動(dòng)正火床上方的4組冷卻風(fēng)機(jī)。正火床冷卻控制流程如圖4所示。

圖4 正火床冷卻控制流程圖

3 結(jié)束語

本文在西門子PLC編程軟件Step7-micro/win中按照上述控制流程編寫梯形圖程序，通過機(jī)電聯(lián)調(diào)，試運(yùn)行表明：應(yīng)用高壓氣瓶熱處理生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，不僅能提高氣瓶熱處理工藝質(zhì)量，減少由于操作人員失誤造成的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷和故障，還可以提高氣瓶生產(chǎn)效率，極大地改善現(xiàn)場(chǎng)工人的勞動(dòng)條件；同時(shí)也能降低能耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，從而提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，使企業(yè)獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。