基于PLC的電鍍專用行車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭高安，方貴盛，胡云催

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

電鍍專用行車是電鍍工廠專門用于提高工效、保證工藝精度和提高生產(chǎn)自動(dòng)化的一種專用起吊設(shè)備.傳統(tǒng)的電鍍專用行車主要采用繼電器來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，硬件線路繁雜，控制系統(tǒng)體積大，控制方式呆板[1-4].若涉及功能或工藝流程更改，則需重新鋪設(shè)電路.為此，當(dāng)前有部分工程師利用現(xiàn)有主流的工業(yè)自運(yùn)化控制器PLC對(duì)傳統(tǒng)的電鍍車間專用行車控制系統(tǒng)進(jìn)行改造.天津工業(yè)大學(xué)馮盛隆，南通職業(yè)大學(xué)王偉以及南京師范大學(xué)的吳薛紅[5-6]等人利用三菱公司的FX2N-80MR及F-40M型PLC對(duì)傳統(tǒng)的電鍍行車控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，使系統(tǒng)線路簡(jiǎn)化，抗干擾能力增強(qiáng)，可靠性得到提高.中國礦業(yè)大學(xué)劉永拓，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院滿海波[7-8]等人在采用西門子PLC技術(shù)的基礎(chǔ)上將變頻器和Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相結(jié)合，對(duì)傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，使系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率都得到了大幅提高.前兩者的改造成功，主要?dú)w功于可編程邏輯控制器PLC的使用.但，當(dāng)前的改造主要還是針對(duì)控制系統(tǒng)的執(zhí)行上，關(guān)于控制系統(tǒng)的智能化和柔性化改造還有待進(jìn)一步發(fā)掘.另外，電鍍專用行車控制系統(tǒng)主要涉及PLC、繼電器、變頻器和現(xiàn)場(chǎng)總線等機(jī)電類相關(guān)專業(yè)知識(shí)，是用PLC改造繼電器電路的一個(gè)典型案例，已被國內(nèi)部分教材所引用[9-10].

本文針對(duì)電鍍專用行車控制系統(tǒng)的智能化和柔性化等方面開展研究，將西門子S7-200PLC、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器和觸摸屏技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化程度高，可控性強(qiáng)，柔性度大的新型電鍍專用行車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).該系統(tǒng)不僅為開發(fā)智能化電鍍專用行車提供研究平臺(tái)，還可作為高等院校自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備.

1 電鍍專用行車簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)電鍍車間主要根據(jù)現(xiàn)有電鍍工藝和使用率按電鍍生產(chǎn)線設(shè)置電度槽位，行車生產(chǎn)工藝(見圖1).行車架設(shè)在電鍍槽位上方，并橫跨單條生產(chǎn)線所有槽位.行車的運(yùn)動(dòng)方式主要分為上下升降吊籃運(yùn)動(dòng)和沿生產(chǎn)線前進(jìn)后退走工藝運(yùn)動(dòng).一般電鍍專用行車工作流程為：工件裝載，行車提籃，行車走工藝，加工完成，工件卸載，回原點(diǎn).其中，行車走工藝即為行車根據(jù)預(yù)先設(shè)定的工藝要求，在每一個(gè)需要加工的槽位上停留并降下吊籃，使工件處于對(duì)應(yīng)槽位的電鍍液中，過規(guī)定工藝時(shí)間后提籃再到下一槽位，直至工藝要求的所有槽位加工完成.

圖1 電鍍車間專用行車生產(chǎn)工藝示意圖

現(xiàn)有電鍍專用行車控制系統(tǒng)主要采用繼電器和PLC兩種控制方式.繼電器控制線路繁雜，更改難度大，PLC控制雖能彌補(bǔ)繼電器控制上的不足，但缺乏人機(jī)交互界面，遠(yuǎn)程監(jiān)控較為困難，系統(tǒng)柔性化和可控性程度不高.在傳動(dòng)方式上，電鍍專用行車以變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)為主.這種傳動(dòng)方式雖較為成熟，但在精準(zhǔn)控制上卻較難實(shí)現(xiàn).考慮到工業(yè)水平的不斷提升，零件工藝要求不斷提高，智能化和柔性化的電鍍生產(chǎn)線將是未來的發(fā)展趨勢(shì).為此，面向智能化和柔性化開發(fā)電鍍專用行車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)顯得十分必要.

2 電鍍專用行車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)

電鍍專用行車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以開發(fā)智能化和柔性化的電鍍生產(chǎn)線為目的.在系統(tǒng)的搭建上主要采用西門子S7-200PLC、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器和觸摸屏等自動(dòng)化程度高，可控性強(qiáng)的設(shè)備.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局(見圖2).觸摸屏作為上位機(jī)與計(jì)算機(jī)一起被置于主控區(qū)內(nèi).它通過串口與S7-200PLC連接，并向PLC發(fā)送命令，同時(shí)接收PLC信號(hào)，進(jìn)而監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的工作情況，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，提升系統(tǒng)的可控性.S7-200PLC作為下位機(jī)被置于控制箱內(nèi)，其與步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器、行程開關(guān)以及各種直接參與控制的輸入輸出設(shè)備相連接，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行控制.步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，被配套安裝在行車上，用于驅(qū)動(dòng)行車和實(shí)現(xiàn)行車的上下升降運(yùn)動(dòng).選擇步進(jìn)電機(jī)作為傳動(dòng)方式出于本系統(tǒng)屬于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以探索智能化和精準(zhǔn)化控制而考慮.利用步進(jìn)電機(jī)，PLC可根據(jù)工藝要求向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖指令，以實(shí)現(xiàn)行車精準(zhǔn)定位.

圖2 電鍍專用行車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 電鍍專用行車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的PLC控制設(shè)計(jì)

根據(jù)電鍍專用行車的控制要求及電鍍生產(chǎn)工藝，系統(tǒng)控制程序需要設(shè)置兩種模式，分別是手動(dòng)和自動(dòng)控制，相關(guān)的PLC程序控制流程(見圖3).手動(dòng)控制模式下，可進(jìn)行功能預(yù)選，如行車速度，行車加速方式等.預(yù)選完成后再由操作者根據(jù)工藝流程進(jìn)行電鍍行車的前進(jìn)與后退，上升與下降來完成電鍍工藝.在此模式下，觸摸屏無法對(duì)行車進(jìn)行監(jiān)控，只提供系統(tǒng)操作等功能.自動(dòng)控制模式下，首先要回參考點(diǎn)，以便PLC能準(zhǔn)確執(zhí)行預(yù)設(shè)的工藝流程，回參考點(diǎn)后，進(jìn)行工藝預(yù)選，即選擇需要加工的電鍍工藝，然后PLC根據(jù)選擇的工藝執(zhí)行相應(yīng)的流程.在自動(dòng)控制模式下，觸摸屏對(duì)電鍍行車在整個(gè)工藝流程上進(jìn)行監(jiān)控.

此外，程序設(shè)計(jì)過程中考慮到觸摸屏的運(yùn)用，故需在PLC程序的輸入輸出點(diǎn)上增加變量，并與觸摸屏界面設(shè)定的變量匹配，以便觸摸屏與PLC進(jìn)行通信.

圖3 PLC程序控制流程圖

2.2 電鍍專用行車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要部件及選型

電鍍專用行車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要部件包括控制器，人機(jī)交互設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等三大部分，零部件的選型以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化和柔性化為中心，具體選型如下：

系統(tǒng)控制器選用可編程邏輯控制器PLC.電鍍專用行車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在功能上與現(xiàn)場(chǎng)相類似，但以滿足實(shí)驗(yàn)要求為主，故使用規(guī)模不大，選用西門子S7-200系列PLC，CPU為226CN，24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出，即可滿足要求.此外，S7-200PLC可擴(kuò)展性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，開放式通信，與觸摸屏匹配有效的提升了系統(tǒng)的柔性化程度.

人機(jī)交互設(shè)備選用西門子Smart700 IE觸摸屏.該設(shè)備具有高分辨率，64K真彩寬屏顯示，7寸大小，1個(gè)以太網(wǎng)接口可同時(shí)連接3臺(tái)控制器，1個(gè)串口可連接西門子S7-200PLC，具有良好的擴(kuò)展性與兼容性.

執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)加驅(qū)動(dòng)器.步進(jìn)電機(jī)選用三相混合式57BYGH350C步進(jìn)電機(jī)，電流5.8A，輸出扭矩1.5 N.M，體積適中，帶負(fù)載能力滿足實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需求.驅(qū)動(dòng)器選用與步進(jìn)電機(jī)配套的型號(hào)，如雷賽3ND583系列，脈沖響應(yīng)頻率達(dá)400kHz，8種細(xì)分，完全滿足實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)行車速度與停留精準(zhǔn)度的控制.

2.3 系統(tǒng)接線

2.3.1 PLC接線

電鍍專用行車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的PLC接線(見圖4).Q0.0～Q0.3為PLC輸出部分，與驅(qū)動(dòng)器上的相應(yīng)端子連接，控制步進(jìn)電機(jī).I0.0～I(xiàn)0.7為PLC的輸入部分，與開關(guān)、限位傳感器等相連，為行車控制提供信號(hào).西門子226PLC支持兩路PTO脈沖輸出，分別是Q0.0和Q0.1.PTO是輸出占空比為50%的脈沖串，通過控制脈沖的周期和個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)行車左右與上下動(dòng)作的精準(zhǔn)控制.PLC上的COM0和COM1為兩個(gè)串行通信口，分別與計(jì)算機(jī)和觸摸屏進(jìn)行通信.

圖4 PLC接線圖(部分)

2.3.2 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器接線

系統(tǒng)中兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)均可以按照驅(qū)動(dòng)器殼上的標(biāo)示文字接線，行車左右運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路接線情況(見圖5)，上下升降電機(jī)的驅(qū)動(dòng)線路與之相似.

“DIR+”和“PLS+”端與PLC輸出端相連，“PLS-”、“DIR-”和“GND”端接24V負(fù)極，“V+”接24V正極，驅(qū)動(dòng)器上的“X”、“Y”、“Z”與步進(jìn)電機(jī)上的“U”、“V”、“W”端相連接.需要注意的是，一般驅(qū)動(dòng)器“PLS+”和“DIR+”端的額定輸入電流為6～20mA，電源為5V，與PLC輸出為24V不匹配，故在這兩個(gè)端口需要接降壓電阻，以免損壞驅(qū)動(dòng)器.

圖5 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器接線圖

3 結(jié) 語

基于PLC的電鍍專用行車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅整合了PLC在控制上的優(yōu)勢(shì)，還因觸摸屏與步進(jìn)電機(jī)的聯(lián)合運(yùn)用，使其在自動(dòng)化程度和生產(chǎn)線柔性度上得到了很大的提高.具體如下：

(1)采用PLC控制，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)繼電器控制電路，提高了系統(tǒng)的可靠性，也為系統(tǒng)提高自動(dòng)化和柔性化奠定基礎(chǔ).

(2)觸摸屏技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，為人機(jī)交流提供了有效的途徑.

(3)步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了電鍍專用行車的精準(zhǔn)控制，為電鍍專用行車的智能化控制提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

另外，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所涉及的知識(shí)均是當(dāng)前高等院校自動(dòng)化專業(yè)所學(xué)內(nèi)容，因此本系統(tǒng)可作為相關(guān)專業(yè)練習(xí)PLC編程，硬件接線和生產(chǎn)線調(diào)試，提升實(shí)踐能力的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備.

實(shí)踐證明，基于PLC的電鍍專用行車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅為開發(fā)智能化電鍍專用行車提供研究平臺(tái)，還是一臺(tái)良好的自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備.

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