步進電機在石油管件噴漆設備中應用

靳哲，肖軍

（天津冶金職業(yè)技術學院 電氣工程系，天津 300400）

步進電機在石油管件噴漆設備中應用

靳哲，肖軍

（天津冶金職業(yè)技術學院 電氣工程系，天津 300400）

在原石油管件噴漆設備中，對管件進行噴漆前要根據管件的不同規(guī)格需人工調整噴漆槍上限位檢測位置，才能完成噴漆工藝，該設備存在著自動化程度不高等技術問題。闡述了利用步進電機和S7-200PLC對原設備電氣控制部分進行改造的設計方案、工藝過程等，改造后噴漆設備不僅能夠自動識別管件的不同規(guī)格、自動調整噴漆槍升降位移和速度，而且具有安裝調試簡單、布線少、易于維修等特點。

步進電機；噴漆槍；可編程控制器

在生產石油管件的制造企業(yè)中，生產的石油管件有著不同規(guī)格，對管件噴漆是最后一道工序。

圖1為原噴漆設備電氣控制框圖，由噴漆槍位置前側、噴漆槍升降控制及管件旋轉控制3部分組成。位置檢測分別由上限位開關、上接近傳感器和下限位開關、下接近傳感器構成?？刂茋娖針屔惦姍C選用交流調速電機，噴漆槍在上、下接近傳感器位置內移動。待加工的管件放置在托盤上由托盤旋轉電機控制管件的旋轉。

圖1　原噴漆設備電氣控制系統框圖Fig.1　The electrical control system of original painting equipment

噴漆工藝過程：若為管件甲噴漆首先需人工調整位置檢測中的上限位開關和上接近傳感器的位置，此位置應與管件甲高度一致，使噴漆槍能夠在管件甲高度范圍內上下移動。然后啟動噴漆設備，托盤旋轉電機帶動管件甲旋轉，同時噴漆槍升降電機帶動噴漆槍上下移動為管件甲噴漆。若為管件乙噴漆也需人工調整位置檢測中的上限位開關和上接近傳感器的位置，此位置應與管件乙高度一致，使噴漆槍能夠在管件乙高度范圍內上下移動。

噴漆設備存在自動化程度不高，對不同規(guī)格的管件噴漆時，需人工調整噴漆槍檢測位置等問題。

1　設計方案

按照要求，改造后的石油管件噴漆設備具有能夠自動檢測管件的規(guī)格，自動調整噴漆槍升降位移和速度的功能。

采用可編程控制器和步進電機及驅動器作為主要控制的技術方案，設置多個檢測不同規(guī)格管件的傳感器，按照不同規(guī)格管件的高度折算出步進電機所執(zhí)行的步數，作為編寫程序的參數依據。可編程控制器輸出一定數量和頻率脈沖信號以及方向信號給步進電機驅動器，由驅動器控制步進電機的旋轉距離、轉速和方向。這樣可以根據檢測傳感器的檢測信號，靈活控制噴漆槍的升降位移和速度，克服了原有設備的諸多缺陷。

1.1步進電機及驅動器

1.1.1步進電機

步進電機是一種把脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蛑本€位移的控制微電機，每輸入1個脈沖信號，步進電機的轉子就前進1步，轉過一定的角度。若連續(xù)改變電脈沖頻率，便可對步進電機進行連續(xù)調速。步進電機還具有快速啟動、制動、反轉和自鎖功能。步進電機更適用于數字控制系統，它易于實現與計算機或其他數字裝置的接口，通常只需應用開環(huán)控制便可獲得很高的控制精度。

改造后的設備中噴漆槍的拖動電機選用步科3S57Q-04056步進電機，接線圖如圖2所示，3個相繞組的6根引出線，必須按頭尾相連的原則連接成三角形。改變繞組的通電順序就能改變步進電機的旋轉方向。

圖2　3S57Q-04056接線圖Fig.2　The wiring diagram of 3S57Q-04056

1.1.2驅動器

步進電機需用專門的驅動器供電，與步進電機3S57Q-04056配套的是步科3M458型驅動器。圖3為接線圖。可見，驅動器采用直流24～40 V電源供電。步進電機驅動器的功能是接收來自可編程控制器的一定數量和頻率脈沖信號以及電機旋轉方向的信號，經過內部邏輯運算輸出來控制步進電機運轉。3M458驅動器采用了電機靜態(tài)鎖緊狀態(tài)下的自動半流功能，可大大降低電機的發(fā)熱。為了調試方便，驅動器還有一對脫機信號輸入線FREE+和FREE-，當這一信號為ON時，驅動器將斷開輸入到步進電機的電源回路，大大改善了步進電機運行性能。

圖3　3M458驅動器接線圖Fig.3　The wiring diagram of 3M458 driver

1.1.3驅動器參數設置

在3M458驅動器的側面連接端子中間有1個紅色的8位DIP功能設定開關，可以用來設定驅動器的工作方式和工作參數，包括細分設置、靜態(tài)電流設置和運行電流設置。

3S57Q-04056步進電機傳動組件的基本技術數據如下：步進電機步距角為1.8°，即在無細分的條件下200個脈沖電機轉1圈，通過驅動器設置細分精度最高可以達到10 000個脈沖電機轉1圈。直線運動組件的同步輪齒距為5 mm，共12個齒，旋轉1周直線位移60 mm。如果管件高度為400 mm，細分精度采用10 000步/r，經計算即每步直線位移0.006 mm；需要66 666個脈沖才能使步進電機運行的直線距離為400 mm。電機驅動電流設為5.2A；靜態(tài)鎖定方式為靜態(tài)半流。

1.2S7-200PLC

西門子公司S7-200 PLC是緊湊型的小型PLC，具有結構緊湊、指令功能強大、成本低、可靠性高、易于擴展等優(yōu)點，可靈活、方便地滿足各種設備的自動化控制需求。

輸入單元用于連接現場的輸入信號（檢測不同規(guī)格管件的接近傳感器、噴槍升降極限保護開關、急停按鈕）轉換為CPU所能接收和處理的電平信號。在接線方面，將上述這些開關、按鈕的一端全部連接在一起再與外接DC 24 V電源的正極連在一起，這些開關、按鈕的另一端分別連接到可編程控制器對應的輸入端子上。

輸出單元則是連接將CPU輸出的電平信號轉換為外部設備所能接收的電平信號，以驅動負載的通斷；或者當其定義為高速脈沖輸出后，其他操作均失效只能作為高速脈沖輸出端使用，以驅動負載實現精確控制。在接線方面，將步進電機驅動器的脈沖端和方向控制端分別與可編程控制器規(guī)定的脈沖輸出端和輸出端相連，控制步進電機的旋轉距離和方向。輸送電機、托盤旋轉電機連接到變頻器，由可編程控制器輸出端控制。圖4為S7-200CPU224接線圖，其中R為限流電阻，R=2kΩ。

圖4　S7-200 CPU224接線圖Fig.4　The wiring diagram of S7-200 CPU224

2　系統構成

自動噴漆設備主要由管件輸送系統、噴漆系統和烘干系統構成，控制部分由電氣和氣動控制組成，實現對石油專用管件外表面的噴漆工藝。

2.1管件輸送系統

管件輸送系統主要是通過輸送鏈完成管件的運輸工作，首先將管件放置在與輸送鏈連接的托盤上，通過輸送鏈將其運輸到工作區(qū)域進行噴漆，然后送至烘干系統對噴漆后的管件進行烘干，最后將管件成品搬離工作區(qū)域。其運行性能要求輸送系統低速、啟制動平穩(wěn)，在電氣控制上由變頻器控制輸送電機，其轉速的大小根據現場實際對變頻器參數進行設置，由于噴漆系統能夠同時對3個管件噴漆，所以在管件輸送系統中設置了檢測管件個數的傳感器和急停按鈕。

2.2噴漆系統

噴漆系統是完成對輸送到位的管件進行噴漆工作。圖5為噴漆系統的示意圖。圖5中，1，2為限位開關，用于噴漆槍極限位置保護，噴漆槍5連接在與步進電機3的輸出軸相連螺紋絲杠4上，管件6放在由旋轉電機8拖動的托盤7上，管件規(guī)格檢測傳感器9，10，11用于檢測不同規(guī)格的管件，從而決定噴漆槍的升降范圍。噴漆槍的噴漆由氣動系統控制，為防止噴漆槍壓力過高造成噴漆飛濺污染環(huán)境，噴漆過程在噴房中進行，噴房有3個工位，各對應1個噴漆槍，將3個噴漆槍共同固定在同一個支架上，1個噴漆過程同時完成3個管件的噴漆作業(yè)。在噴漆過程中放置在托盤上的管件，要求低速、勻速旋轉才能保證噴漆質量，故旋轉電機采用由變頻器控制。管件規(guī)格檢測傳感器采用接近傳感器，根據管件規(guī)格不同可以設置多個，若管件規(guī)格檢測傳感器9檢測到管件后，輸出信號去控制步進電機拖動的噴漆槍，其升降的范圍就是該管件的高度，其速度大小可通過調節(jié)步進電機參數實現。

圖5　噴漆系統示意圖Fig.5 Paint system schematic diagram

2.3控制柜

該自動噴漆設備控制部分由電氣控制柜、操作控制箱、氣動控制箱組成。電氣控制柜安裝主要設備有：變頻器、S7-200PLC以及與PLC輸出對應的繼電器、接觸器等。在控制柜面板安裝有：風機、水泵的啟停按鈕及指示燈、輸送電機的啟動、停止按鈕等。操作控制箱主要有：指示燈、自動/手動旋轉開關、噴臺前進/后退按鈕、噴漆槍升/降按鈕、手動噴漆槍。氣動控制箱內安裝有帶壓力表氣源過濾器、二位5通氣動電磁閥，面板裝有壓力表、手動調壓閥。

2.4自動噴漆工藝過程

系統啟動后輸送鏈運送管件到噴漆房后→停止輸送鏈→檢測管件不同規(guī)格傳感器發(fā)出信號送至PLC→經過PLC運算產生輸出→氣缸帶動噴臺前移→托盤旋轉電機帶動管件旋轉→同時步進電機驅動器得到信號→步進電機帶動噴漆槍在管件高度范圍內升、降1次，完成1個噴漆周期后→啟動輸送鏈將噴好的管件送至烘干系統，同時運送未加工管件至噴漆房，依此循環(huán)。在噴漆槍升、降位置設置了限位開關用于極限保護。圖6為改造后噴漆設備電氣控制系統框圖。

圖6　改造后噴漆設備電氣控制系統框圖Fig.6　The adjusted electrical control system of painting equipment

3　系統編程

S7-200系列PLC設有高速脈沖輸出指令，輸出頻率可達20 kHz，用來驅動負載實現精確控制，在運動控制中具有廣泛的應用。使用該指令時，PLC主機應選用晶體管輸出型，以滿足高速輸出的頻率要求。

3.1高速脈沖輸出的方式

高速脈沖輸出有PTO（輸出1個頻率可調、占空比為50%的脈沖）和PWM（輸出1個周期一定、占空比可調的脈沖）2種。

3.2輸出端的確定

S7-200PLC每一種CPU只有2個高速脈沖輸出端。輸出端是由系統指定的輸出點Q0.0，Q0.1，Q0.0輸出脈沖作為步進驅動器的位置指令，脈沖的數量決定步進電動機的旋轉位移，即噴漆槍上下距離。Q0.1輸出脈沖作為步進驅動器的方向指令，脈沖的頻率決定了步進電動機的旋轉速度，即噴漆槍的運動速度。當其定義為高速脈沖輸出后，其他操作均失效，只有高速脈沖輸出不用時，才可用作普通數字量輸出點。通常在啟動PTO/PWM之前用復位指令將Q0.0，Q0.1清零。

3.3程序編寫

由圖4可知，在PLC的輸入端有3個檢測管件傳感器，可以對3種不同高度的管件實現自動檢測，這種管件的高度分別是400 mm，500 mm，600 mm。按照上面的計算，若細分精度采用10 000步/r，則由每步直線位移0.006 mm的結論可知：400 mm對應的步數是66 666個、500 mm對應的步數是83 333個、600 mm對應的步數是100 000個，編程過程中用到的關鍵指令是脈沖輸出指令PLS，當用Q0.0作為脈沖發(fā)生器時，則SMB67是控制字、SMD72是脈沖計數值和1個周期及脈寬值SMW68。在具體編程時，還要考慮步進電機在1次噴漆的過程中是往返1次，則在1次噴漆中的實際步數是這3個步數的2倍，這些都是在編程時應該考慮的問題，主要程序及注解如圖7所示。

圖7　主要控制程序與注釋Fig.7　The main control program and annotation

4　結論

由于采用了可編程控制器（PLC）和步進電機及驅動器作為主要控制的技術方案，將不同規(guī)格的管件的高度距離轉換為不同數量和頻率的脈沖編寫至控制程序中，可以靈活根據檢測傳感器的檢測信號，來決定噴漆槍的升降位移和速度。因而克服了原有設備的諸多缺陷，提供了一種制造簡單、性能穩(wěn)定、易于維修、生產率及自動化程度高的用于石油管件噴漆全自動電氣控制裝置。

［1］ 靳哲，牟明朗，肖軍.可編程序控制器原理及應用［M］.北京：北京師范大學出版社，2014.

［2］ 西門子（中國）有限公司自動化驅動集團.深入淺出西門子S7-200PLC［M］.第3版.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［3］（日）坂本正文.步進電機應用技術［M］.王自強，譯.北京：科學出版社，2010.

［4］ 陳隆昌，閻治安，劉新正.控制電機［M］.第4版.陜西：西安電子科技大學出版社，2013.

Stepper Motor Applications in the Oil Pipe Paint Spraying Equipment

JIN Zhe，XIAO Jun
（Electrical Engineering Department，Tianjin Metallurgical Vocation-technology Institute，Tianjin 300400，China）

In the application of paint spraying equipment for crude oil pipe，the adjustment of the printing spray gun cap detection position for the pipe should be taken according to the different specifications artificially.Only if the adjustment has be taken，can the painting technology be finished.It has the problem that there is no higher automation technology procedure.Expounded the use of stepper motor and S7-200 PLC to improve the electrical control part of the primary design scheme，technological process.After the adjustment of paint spraying equipment，it not only can automatically identify pipe fittings of different specifications，automatically adjust the spray gun lift displacement and speed，but also has the advantages of simple installation，low wiring，easy maintenance，etc.

stepper motor；spray gun；programmable controller

TP278

A

2015-06-03

修改稿日期：2016-01-19

靳哲（1967-），男，本科，副教授，Email：jinjinzhe210@sina.com