PLC和變頻器在鋼錠自動(dòng)分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用

雷慧杰，李正斌，張艷偉

LEI Hui-jie1 , LI Zheng-bin1, ZHANG Yan-wei2

（1.安陽工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，安陽 455000；2.安陽鋼鐵集團(tuán)公司，安陽 455000）

0 引言

隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)的要求越來越高，需要對(duì)金屬工件的表面缺陷進(jìn)行嚴(yán)格探傷，同時(shí)把有表面缺陷的次品準(zhǔn)確的檢測(cè)并分揀出來。不銹鋼錠精加工過程中在它的表面會(huì)出現(xiàn)一些表面損傷，比如磨損、劃傷、裂紋和砂眼等，這些是不合格的，需要把這些有表面損傷的不銹鋼錠及時(shí)檢測(cè)并分揀出來。

本文根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)不銹鋼錠的質(zhì)量要求，設(shè)計(jì)了一套以PLC和變頻器為控制核心，同時(shí)綜合利用氣動(dòng)技術(shù)和傳感器技術(shù)等的檢測(cè)與分揀自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能連續(xù)、大批量的對(duì)不繡鋼錠進(jìn)行表面探傷并自動(dòng)分揀，誤差率低，效率高，能顯著提高企業(yè)的生產(chǎn)節(jié)奏和效率。

1 分揀系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)檢測(cè)的不銹鋼錠為正方體規(guī)格，其中正方體不銹鋼錠的邊長(zhǎng)為30cm；皮帶的寬度為35cm，分揀滑道的寬度為80cm。分揀系統(tǒng)（如圖1所示）采用皮帶傳送，由三相異步電動(dòng)機(jī)、氣缸、電磁閥、氣體壓縮機(jī)、氣體過濾器、變頻器、傳感器等部件組成。電渦流傳感器和電感式接近開關(guān)，分別都安裝在皮帶一側(cè)，其中電渦流傳感器在氣缸上游安裝并且緊貼氣缸推板，電感式接近開關(guān)則安裝在氣缸下游，磁力式接近開關(guān)1和磁力式接近開關(guān)2則分別安裝在氣缸的兩個(gè)上下極限位置上。

圖1 分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

分揀系統(tǒng)工作原理如下：

1）設(shè)備上電以后，按下啟動(dòng)按鈕，當(dāng)氣缸縮回到位以后“正常工作”綠燈亮，PLC控制變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，不銹鋼錠在皮帶上向前傳送。

2）當(dāng)不銹鋼錠接近電渦流傳感器SA時(shí)，如果鋼錠的側(cè)面有表面缺陷，電機(jī)延時(shí)3s后停止運(yùn)行，然后控制氣缸動(dòng)作的電磁閥得電，氣缸動(dòng)作將不銹鋼錠推進(jìn)直線式分揀滑道里，待氣缸完全伸出和縮回以后電動(dòng)機(jī)才會(huì)重新運(yùn)行。否則，當(dāng)傳感器SA在鋼錠完全通過時(shí)依然沒有檢測(cè)到表面損傷，氣缸不動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。

3）當(dāng)不銹鋼錠移動(dòng)到傳感器SB的位置時(shí)，傳感器SB會(huì)把響應(yīng)信號(hào)傳給PLC，PLC會(huì)控制電動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)傳感器SB持續(xù)三分鐘沒有檢測(cè)到不銹鋼錠時(shí)，則PLC會(huì)通過內(nèi)部的定時(shí)器自動(dòng)使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

4）無論任何時(shí)候人為按下紅色“停止”按鈕，系統(tǒng)立刻停止運(yùn)行。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1）電機(jī)的選型

本系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)選用型號(hào)為JW7136的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，額定功率0.55kW，額定電壓380V，額定轉(zhuǎn)速910rpm，6極，B級(jí)絕緣，外殼防護(hù)等級(jí)為IP44，其中電動(dòng)機(jī)主動(dòng)軸的直徑d=30mm，則電動(dòng)機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，皮帶上的工件移動(dòng)距離L= 3.14×30=94.2mm。

2）變頻器單元

選用西門子MM420變頻器，以便調(diào)節(jié)三相交流電動(dòng)機(jī)速度，同時(shí)達(dá)到節(jié)能效果。此過程需要對(duì)變頻器MM420進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置[1]，如表1所示。

表1 MM420變頻器參數(shù)設(shè)置

3）PLC的選型及I/O分配

根據(jù)控制要求，輸入端有2個(gè)按鈕信號(hào)，1個(gè)電渦流傳感器信號(hào)和1個(gè)電感式接近開關(guān)信號(hào)，以及2個(gè)汽缸運(yùn)動(dòng)極限位置的磁力式接近開關(guān)信號(hào)，共計(jì)6個(gè)輸入信號(hào)；輸出端包括1個(gè)正常指示燈信號(hào)、1個(gè)控制變頻器運(yùn)行的信號(hào)和1個(gè)控制汽缸動(dòng)作的電磁閥信號(hào)，總共3個(gè)輸出信號(hào)。共需I/O點(diǎn)9個(gè)，其中6個(gè)輸入，3個(gè)輸出。

根據(jù)上述所確定的I/O點(diǎn)數(shù)，選用一般的小型機(jī)即可滿足要求，故選用西門子S7-200系列CPU224XP型[2]。

系統(tǒng)通過PLC程序的執(zhí)行以及變頻器相關(guān)接線端子的選擇和參數(shù)的設(shè)置可以聯(lián)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和停止的控制，如圖2所示。

圖2 PLC與變頻器接線圖

4）傳感器單元

電渦流傳感器[3]：渦流探傷是以交流電磁線圈在金屬構(gòu)件表面感應(yīng)產(chǎn)生渦流的無損探傷技術(shù)。由于渦流探傷，在檢測(cè)時(shí)不要求線圈與構(gòu)件緊密接觸，從而容易實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)自動(dòng)化。它僅適用于導(dǎo)電材料，包括鐵磁性和非鐵磁性金屬材料構(gòu)件表面和近表面的缺陷檢測(cè)。

本系統(tǒng)采用型號(hào)為RP6660的電渦流傳感器，探頭直徑Φ60mm，量程80mm，輸出方式0～10VDC，工作電壓200～240VAC。

當(dāng)電渦流傳感器探頭處沒有不銹鋼錠時(shí)輸出為0；當(dāng)沒有表面損傷的不銹鋼錠接近電渦流的傳感器的探頭，傳感器依然有電壓輸出，為0～3V，可確定為合格品；當(dāng)有表面損傷的不銹鋼錠接近電渦流傳感器時(shí)，傳感器的輸出電壓在3～10V，可確定為次品。

電感式接近開關(guān)：是非接觸型的位置傳感器，用來檢測(cè)有無金屬物體接近，從而控制器件的通或斷[4]，達(dá)到非接觸檢測(cè)的目的。本系統(tǒng)選用M18X1X40電感傳感器。

磁力式接近開關(guān)：是一種非接觸式位置檢測(cè)開關(guān)，用于氣缸活塞的到位檢測(cè)。本系統(tǒng)采用CS1-M磁性開關(guān)，采用共陰極接法，有兩根引出線，一根接PLC輸入端，另一根接公共端。

5）氣動(dòng)控制單元

本系統(tǒng)采用S C Q G B I 系列輕型氣缸，型號(hào)為SC50*100-S-FA。氣源氣壓范圍是：0.5MPa～0.8MPa，當(dāng)氣源接通時(shí)，在氣體壓力的作用下，氣缸中的活塞位于最初極限位置，當(dāng)需要?dú)飧讋?dòng)作時(shí)，PLC給Y信號(hào)使電磁閥得電，氣壓回路改變，氣缸動(dòng)作；氣缸推出到位以后由磁感應(yīng)接近開關(guān)B1檢測(cè)，通過PLC程序的執(zhí)行給Y信號(hào)使電磁閥失電，氣動(dòng)回路再次改變，氣缸縮回，氣壓缸回到最初的狀態(tài)。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)不銹鋼錠自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制要求及工藝流程，分析各個(gè)設(shè)備的功能和操作順序，可畫出程序流程圖，如圖3所示。

圖3 PLC程序流程圖

4 結(jié)束語

本文采用S7-200 PLC和MM420變頻器設(shè)計(jì)了一套不銹鋼錠自動(dòng)分揀系統(tǒng)，結(jié)合電渦流傳感器，在不接觸不銹鋼錠的情況下對(duì)不銹鋼錠的表面實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)并且把不合格的產(chǎn)品分揀出來。該系統(tǒng)已經(jīng)安鋼某鋼錠生產(chǎn)線進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)踐結(jié)果表明，能大批量、連續(xù)地分揀不銹鋼錠，工作穩(wěn)定，分揀精度高，誤差小，大大提高了工作效率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

[1] 陶權(quán),吳尚慶.變頻器應(yīng)用技術(shù)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2007.

[2] 王淑英.S7-200西門子PLC基礎(chǔ)教程[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[3] 尹靜文.FOERSTER渦流探傷儀檢測(cè)能力研究[J].機(jī)電技術(shù),2012(3):154~156.

[4] 宋雪臣,單振清,郭永欣,等.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2011.