基于GE PLC的剪切機自動控制系統(tǒng)設(shè)計

王丹丹

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

液壓剪切機是一種對廢舊鋼材進行處理的重要機器，整機由剪切機部分、液壓傳動系統(tǒng)和控制臺3部分組成。用液壓傳動系統(tǒng)作為能源來剪切大型廢舊鋼材，相對于機械傳動來說不僅能夠傳遞更大的動力而且磨損較小。剪切機日常使用時是以操作臺手動控制為主，為避免剪切能力不足、油壓過極限等意外情況的發(fā)生，操作人員必須隨時密切注視現(xiàn)場的機器操作，通常需要熟練的操作人員才能勝任，無法提高工作效率。為此本文設(shè)計了一套基于PLC和觸摸屏的剪切機自動控制系統(tǒng)，用觸摸屏來顯示整個系統(tǒng)的操作，以GE公司PLC作為控制器，并備有報警提示以提醒操作員設(shè)備當(dāng)前的運行狀況，從而減少機器的磨損和損壞，提高工作效率。

1 廢舊鋼材液壓剪切機自動控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)使用的剪切機能力為4×104N～105N，剪切寬度10 000 mm，剪切速度4.3次／min，操作控制采用邏輯控制。剪切機的主要動作為送料、橫推、前推、頂部翻蓋閉合、壓緊、切斷并重復(fù)循環(huán)動作。

具體工作過程［1］如下：首先將原料送入機器中間的槽床中，先橫推壓緊，再頂部翻蓋閉合，然后前推至接近剪刃，接著剪刃前的重錘落下將原料壓緊，重錘拉起，再前推一個單位量（大約為重錘一次能壓緊的原料的長度），剪刃剪切，之后重復(fù)各項操作直至前推至接近壓緊錘可以準備開始下一次剪切。

一臺金屬液壓剪切機要完成一次完整的剪切動作需要8臺主電機分別帶動2臺液壓泵以促進油路循環(huán)產(chǎn)生強大液壓來推動。手動操作方式中，控制人員在操作臺利用控制按鈕對系統(tǒng)中的液壓泵進行啟?？刂?，由液壓泵運行向油管中注入或者抽出油液，利用液壓產(chǎn)生的壓力變化轉(zhuǎn)化為動能來推動剪切機的主要部件完成指定動作。

剪切機自動工作方式即在PLC和觸摸屏的監(jiān)控下，在滿足相應(yīng)啟動條件時按順序啟動電機和液壓泵以及電磁閥，向油管中注入（抽出）液壓油帶動油路循環(huán)產(chǎn)生液壓力，再以此為動力推動剪切機完成規(guī)定動作。液壓剪切機的控制系統(tǒng)包括各設(shè)備故障報警及復(fù)位、手動與自動方式切換、循環(huán)泵控制、加熱器控制、冷卻風(fēng)機控制、8臺主電機啟動控制、16臺電磁閥和液壓泵控制、2臺油循環(huán)電機和2臺冷卻用電機控制、剪切各動作極限控制、液壓油和潤滑油溫度和油面位置、壓力參數(shù)的檢測和調(diào)節(jié)等等。

2 控制方案的設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)框架

硬件系統(tǒng)設(shè)計基于PLC的監(jiān)控系統(tǒng)，在保持操作臺原控制方式的基礎(chǔ)上，增加一套觸摸屏HMI監(jiān)控系統(tǒng)，與原模式互備操作。設(shè)計的硬件系統(tǒng)框架如圖1所示，由上位機和下位機兩層框架組成。下位機以GE Fanuc 90－30系列PLC為核心，其位于PLC柜中，配有2臺循環(huán)泵、2臺冷卻泵和加熱器控制柜以及8臺主電機控制柜；上位機選用觸摸屏，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)測和控制。觸摸屏和PLC采用工業(yè)以太網(wǎng)連接，PLC和操作臺之間采用GENIUS總線（即遠程I／O模塊）連接。

2.2 硬件結(jié)構(gòu)組成

上位機是帶控制功能的觸摸屏（簡稱Quick Panel Control），它將控制和可視化集成在一個平臺，提高了生產(chǎn)效率并降低了成本。本系統(tǒng)利用GE Fanuc系列90－30 I／O接口卡和PLC相連。

下位機由CPU模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊、遠程通訊模塊和遠程I／O 模塊組成。CPU 型號為IC693CPU374；GENIUS BUS模塊IC693BEM331和遠程通訊接口模塊IC200GBI001構(gòu)建GENIUS網(wǎng)絡(luò)；把VERSAMAX I／O模塊組作為遠程I／O模塊，其中包括電源模塊、1個32點數(shù)字量輸入模塊和1個32點數(shù)字量輸出模塊以及1個8點模擬量輸入模塊。遠程I／O模塊作為GENIUS網(wǎng)絡(luò)中的一個站點，能實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制和管理。

執(zhí)行器包括系統(tǒng)中的動作元件，如電機、油泵、電磁閥、循環(huán)泵、冷卻泵和加熱器等。

傳感器包括液壓油和潤滑油的溫度、壓力、油面參數(shù)測量裝置，以及剪切機動作極限測量裝置。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于系統(tǒng)硬件的選型，使用了通用公司的組態(tài)軟件Proficy，完美地實現(xiàn)了PLC與觸摸屏的互連，它提供了Proficy view（即QuickPanel觸摸屏編程軟件）和Logic Developer－PLC（即PLC編程軟件）集成的開發(fā)環(huán)境。

3.1 下位機軟件設(shè)計

下位機采用梯形圖對PLC進行編程，實現(xiàn)對液壓剪切機模擬量和極限參數(shù)的采集以及執(zhí)行器的自動／手動控制，并且實現(xiàn)和上位機的正常通訊與連接，以達到監(jiān)控剪切機正常工作的目的。

本系統(tǒng)是一個多工步的順序控制系統(tǒng)，剪切機工作程序主體部分由送料、壓緊、橫推、半蓋、切斷5個功能模塊構(gòu)成，由對應(yīng)的程序模塊控制，可運用模塊化程序結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

3.2 上位機監(jiān)控軟件設(shè)計

上位機人機界面功能包括控制操作、顯示、數(shù)據(jù)管理、報警、日志管理和管理權(quán)限。本系統(tǒng)中上位機軟件設(shè)計部分［2－6］采用 GE Fanuc的 Proficy TM Machine Edition 5.5。

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要包括以下功能模塊：

（1）人機對話：實現(xiàn)監(jiān)測剪切機的運行狀態(tài)、人機對話功能并提供友好實用的用戶操作界面。

（2）圖形界面：包括運行狀態(tài)動態(tài)仿真主畫面、故障報警畫面、工藝畫面和液壓系統(tǒng)畫面等。

剪切機監(jiān)控系統(tǒng)工藝畫面如圖2所示。圖2中，剪切機各動作指令的發(fā)出和極限控制均有指示燈顯示，指示燈的開啟和關(guān)閉狀態(tài)由軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)庫對應(yīng)數(shù)據(jù)變量的值來決定。當(dāng)PLC和觸摸屏實現(xiàn)正常通訊連接時，組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫的變量會和PLC的輸入輸出接口或寄存器連接并相互對應(yīng)。以送料為例，有“送前進、送后退、送前進限、送后退限”4個指示燈，送前進的信號來自于PLC軟件程序驅(qū)動。如果PLC的送前進信號輸出為ON時，組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫的對應(yīng)數(shù)據(jù)變量值也成為ON，工藝畫面中的指示燈會顯示亮。

圖2 剪切機監(jiān)控系統(tǒng)工藝畫面

剪切機液壓系統(tǒng)如圖3所示。中間容器為液壓槽，用以存放液壓油。液壓傳動系統(tǒng)是剪切機的動力機構(gòu)，包括8臺帶動液壓泵的主電機（M1～M8）和16個控制油路出入的電磁閥（No.1～No.16）。1臺主電機的啟停和相應(yīng)電磁閥的動作可以完成剪切過程中的一個動作執(zhí)行功能。當(dāng)電磁閥動作時對應(yīng)的指示燈的狀態(tài)也發(fā)生改變。

圖3 剪切機液壓系統(tǒng)

4 結(jié)論

采用觸摸屏和GE PLC構(gòu)建了廢鋼剪切機的自動監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了剪切機在現(xiàn)場和上位機上的自動控制，從而避免了剪切機的誤操作，提高了剪切效率。該系統(tǒng)已經(jīng)在某金屬資源公司廢舊鋼材剪切機工程改造中得到了應(yīng)用，其操作簡單、靈活、直觀、可靠，可以很好地滿足液壓剪切過程的自控要求。

［1］ 王玉英.微型剪切機動作原理及應(yīng)用［J］.吉林工學(xué)院學(xué)報，1990，11（1）：81－83.

［2］ 萬波，王新鵬，張明.工控組態(tài)軟件CIMPLICITY及應(yīng)用［J］.電力自動化設(shè)備，2002，22（8）：19－21.

［3］ 韓志超，桑斌修.PLC與觸摸屏的實現(xiàn)和運用［J］.國內(nèi)外機電一體化技術(shù)，2006，9（3）：53－55.

［4］ 馬國華.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［5］ 鄒進，甘永梅，肖煦媛，等.觸摸屏控制系統(tǒng)組態(tài)軟件設(shè)計與實現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計算機，2005，18（1）：38－41.

［6］ 丁時鋒，李清香.基于PLC的板料液壓剪切機系統(tǒng)設(shè)計改造［J］.液壓與氣動，2007，7（7）：70－72.