電氣自動(dòng)化在油泵性能試驗(yàn)臺(tái)上的應(yīng)用

李永鑫

摘 要：2015年富奧汽車零部件股份有限公司泵業(yè)分公司為大眾公司配套節(jié)油性能更穩(wěn)定、性價(jià)比更高的EA211油泵產(chǎn)品。為了保障產(chǎn)品的性能指標(biāo)達(dá)到大眾主機(jī)廠的審核驗(yàn)收要求，急需自制油泵總成性能試驗(yàn)臺(tái)。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研及性價(jià)比對(duì)照，主要部件選用操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、在工業(yè)中應(yīng)用廣泛的松下PLC、觸摸屏、伺服控制器及伺服電機(jī)，經(jīng)過(guò)軟件編輯組態(tài)程序，配盤反復(fù)調(diào)試后，成功完成這臺(tái)油泵總成性能試驗(yàn)臺(tái)的自制工作，并取得良好的效果。

關(guān)鍵詞：可編程控制器 觸摸屏 伺服系統(tǒng) 自制試驗(yàn)臺(tái)

中圖分類號(hào)：TK407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）01（a）-0002-03

近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，在國(guó)家“雙創(chuàng)”戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，電氣設(shè)備制造行業(yè)迅速?gòu)?fù)蘇，擁有強(qiáng)大的電氣自動(dòng)化技術(shù)對(duì)企業(yè)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，在現(xiàn)代化的企業(yè)中運(yùn)用自身所學(xué)的理論知識(shí)，設(shè)計(jì)自制或改造設(shè)備已經(jīng)屢見不鮮。在了解產(chǎn)品基本性能的前提下，怎樣才能投資少見效快，這才是技術(shù)人員要解決的實(shí)際問(wèn)題。近年來(lái)，隨著PLC觸摸屏數(shù)字伺服應(yīng)用逐漸成熟，這方面的非標(biāo)設(shè)備占有率逐年加大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性逐年提高，而且價(jià)格持續(xù)下降，最終我們選用了松下產(chǎn)品。

1 自制方案設(shè)計(jì)

首先要了解EA211 1.4T油泵產(chǎn)品的工作原理，針對(duì)產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)作原理，該次自制試驗(yàn)臺(tái)共完成兩項(xiàng)指標(biāo)，即檢測(cè)油泵軸負(fù)載扭矩和油泵的吸油能力。先檢測(cè)扭矩，完成后再檢測(cè)吸油能力，由于是干式試驗(yàn)臺(tái)，油泵不與機(jī)油直接接觸，應(yīng)用真空原理，驅(qū)動(dòng)油泵達(dá)到一定轉(zhuǎn)速，將機(jī)油吸到一定高度。

試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)作原理確定后，設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)的框架及動(dòng)作流程，運(yùn)用觸摸屏作為PLC的上位機(jī)，PLC進(jìn)行外部信息收集并進(jìn)行內(nèi)部處理，控制氣缸動(dòng)作及伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，觸摸屏既能與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，又能對(duì)各種傳感器信號(hào)加以顯示，并可以手動(dòng)設(shè)定產(chǎn)品的試驗(yàn)工藝參數(shù)，經(jīng)過(guò)論證后最終確定這是一種有效的電氣設(shè)計(jì)方法。

具體工作如下：制造試驗(yàn)臺(tái)框架及油箱，制作伺服電機(jī)連接法蘭，將伺服電機(jī)與工裝連接好。氣缸閥體固定好，設(shè)計(jì)電氣原理圖，硬件配盤，編輯PLC和觸摸屏組態(tài)軟件程序，修改驅(qū)動(dòng)器的控制參數(shù)，設(shè)置RFID卡傳輸數(shù)據(jù)，連接好各個(gè)電氣部件，配盤反復(fù)調(diào)試程序，最后使動(dòng)作符合產(chǎn)品工藝要求。

2 主要電氣部件簡(jiǎn)介

2.1 松下可編程控制器（PLC）

可編程控制器于1986年在美國(guó)首次登場(chǎng)，是用于自動(dòng)控制的控制器。與當(dāng)時(shí)作為控制領(lǐng)域的主流繼電器自控方式相比，具有高可靠性、長(zhǎng)壽命、易于編寫和可修改程序等特點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器更加小型化、高性能化、低價(jià)格化?，F(xiàn)在早已經(jīng)應(yīng)用到電氣自動(dòng)化工控的各個(gè)領(lǐng)域?？删幊炭刂破鞯墓ぷ髟硎菍?lái)自輸入設(shè)備的信號(hào)，按照給定的條件進(jìn)行處理、運(yùn)算、判斷，并將結(jié)果輸出到外部設(shè)備。

2.2 松下觸摸屏

工業(yè)用觸摸屏出現(xiàn)在中國(guó)企業(yè)大約十幾年時(shí)間，盡管時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展很快，尤其是近幾年普及性逐年提高。日本松下觸摸屏又稱為可編程終端，它已經(jīng)成為系列化產(chǎn)品，屏幕尺寸規(guī)格齊全，有單色液晶和彩色液晶的區(qū)別，工作電壓均為直流24 V，觸摸開關(guān)壽命100萬(wàn)次以上。觸摸屏的通訊方式有RS232C和RS485兩種，GT32配備USB接口，可以和各大公司不同品牌的PLC連接。松下觸摸屏具備獨(dú)有的穿越功能，即計(jì)算機(jī)與觸摸屏用USB口相連，觸摸屏再與PLC用串口相連，安裝在計(jì)算機(jī)的組態(tài)工具GTWIN和PLC編程軟件FPWIN可以分別與觸摸屏和PLC通訊。

2.3 伺服驅(qū)動(dòng)與電機(jī)

我們選用的是松下MCDKT3520CA1驅(qū)動(dòng)器，主回路電源200 V系列單相三相供電均可，有控制信號(hào)、模擬/數(shù)字信號(hào)、脈沖信號(hào)輸入輸出功能，通訊功能有USB、RS232、RS4853種形式，控制功能有位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制及全閉環(huán)控制4種方式。與之相配套的是松下MHMD082G1U高慣量伺服電機(jī)，功率0.75 kW，最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min。具有響應(yīng)速度快、定位時(shí)間短、動(dòng)作平滑振動(dòng)低、速度穩(wěn)定性好、電機(jī)小型化、指令分辨率高等特點(diǎn)。

3 設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)連接原理框

設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)連接原理框如圖1。

4 試驗(yàn)臺(tái)的調(diào)試工作

4.1 硬件配盤

設(shè)計(jì)電氣原理圖，根據(jù)電氣原理圖進(jìn)行硬件配盤。各電氣部件按照功能進(jìn)行合理布局，按照原理圖進(jìn)行線號(hào)打印。布線整齊，易于維修。弱電信號(hào)使用屏蔽線，強(qiáng)電線束與弱電線束盡量分開，減少干擾。

4.2 PLC的調(diào)試

PLC的調(diào)試是該次自制試驗(yàn)臺(tái)成功與否的關(guān)鍵一步，松下PLC編程命令豐富，基本命令20條，特殊命令380條，這些命令足以滿足自制試驗(yàn)臺(tái)的需要。該次應(yīng)用使用的特殊指令有數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)寫入、數(shù)據(jù)傳輸、寄存器計(jì)數(shù)、模擬量采集計(jì)算、數(shù)據(jù)比較等。

現(xiàn)在舉例說(shuō)明幾步關(guān)鍵工作的處理。

4.2.1 PLC與巴魯夫RFID卡的通信

巴魯夫RFID卡是能夠讀和寫的存儲(chǔ)部件，將RFID讀卡器接上DC24V電源，通過(guò)RS232C與PLC相連，用自帶軟件將波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)等數(shù)據(jù)與PLC端設(shè)定一致，否則無(wú)法正常與PLC通信。讀卡器固定，當(dāng)RFID卡通過(guò)時(shí)，讀卡器將數(shù)據(jù)讀到PLC的存儲(chǔ)寄存器（D區(qū)），通過(guò)PLC再上傳到觸摸屏，在觸摸屏上顯示年月日和流水號(hào)，收到上到序合格信號(hào)會(huì)自動(dòng)落下夾緊，開始檢測(cè)。完成后將扭矩值和吸油時(shí)間及合格信號(hào)寫到RFID卡內(nèi)，最終上傳到服務(wù)器（見圖2）。

4.2.2 扭矩信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的處理

（1）扭矩信號(hào)處理。

電機(jī)、扭矩傳感器及工件安裝在同一高度水平線上，垂直固定擺放，調(diào)整好各部件位置，使空載時(shí)扭矩信號(hào)趨近于零。正常工作時(shí)扭矩傳感器發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA的電流，再通過(guò)A/D模塊，進(jìn)入PLC的WX11通道，通過(guò)公式計(jì)算，將實(shí)際處理的結(jié)果實(shí)時(shí)上傳到觸摸屏。

（2）電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)處理。

按照工藝要求，這個(gè)試驗(yàn)設(shè)備需要3種速度，分別是50 r/min、600 r/min、100 r/min，設(shè)備先以50 r的轉(zhuǎn)速進(jìn)行扭矩檢測(cè)，測(cè)完扭矩后，速度自動(dòng)轉(zhuǎn)換到600 r進(jìn)行吸油性能檢測(cè)，兩項(xiàng)試驗(yàn)均測(cè)試完成，以100 r/min轉(zhuǎn)一圈，每次都停在同一位置，為操作人員上下工件提供方便。驅(qū)動(dòng)器設(shè)定為轉(zhuǎn)速模式，用PLC的開關(guān)量控制驅(qū)動(dòng)器地址，修改地址內(nèi)的參數(shù)來(lái)確定速度，達(dá)到開關(guān)量接通信號(hào)不同轉(zhuǎn)速不同。驅(qū)動(dòng)器輸出0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)速度信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D模塊，進(jìn)入PLC WX10通道，再經(jīng)過(guò)計(jì)算上傳到觸摸屏，進(jìn)行轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)顯示。

5 驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)調(diào)整

5.1 松下A5驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)定說(shuō)明

P0.01=1 速度模式

P3.00=3 8速度調(diào)速模式

P3.04=0 速度1 零速

P3.05=50 速度2 扭矩轉(zhuǎn)速

P3.06=600 速度3 吸油轉(zhuǎn)速

P3.08=100 速度5 準(zhǔn)停轉(zhuǎn)速

4.17=160 1 V輸出對(duì)應(yīng)160轉(zhuǎn)速，5 V對(duì)應(yīng)800轉(zhuǎn)。

5.2 松下A5驅(qū)動(dòng)器接口I/O端子說(shuō)明（X4）

端子號(hào) 含義

7 +DC24V

41 -DC24V

29 伺服使能信號(hào)輸入

33 速度選擇輸入1

30 速度選擇輸入2

28 速度選擇輸入3

35 伺服準(zhǔn)備好輸出

43 模擬量速度輸出+

17 模擬量速度輸出-

6 觸摸屏調(diào)試及說(shuō)明

觸摸屏作為PLC的上位機(jī)，起到控制、設(shè)定、顯示PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)的作用。該次觸摸屏共做6個(gè)畫面，分別為掃描畫面、運(yùn)行畫面、手動(dòng)畫面、參數(shù)畫面、密碼畫面、上序不合格確認(rèn)畫面。

掃描畫面功能：讀卡器讀取射頻卡內(nèi)的數(shù)據(jù)并上傳，最終顯示在畫面上方，便于操作人員查看。在該畫面下按設(shè)置鍵直接進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定畫面，按密碼鍵直接進(jìn)入密碼設(shè)定畫面，按手動(dòng)鍵直接進(jìn)入手動(dòng)操作畫面。

運(yùn)行畫面功能：檢測(cè)到前序?yàn)楹细窦?，畫面?huì)自動(dòng)切換到該畫面，工裝會(huì)自動(dòng)落下，扭矩傳感器傳動(dòng)缸會(huì)向下動(dòng)作與工件連接進(jìn)行試驗(yàn)。如果試驗(yàn)合格，夾具會(huì)自動(dòng)松開。如果不合格，夾具不會(huì)松開，必須按該畫面的不合格確認(rèn)鍵，夾具才會(huì)松開，阻擋氣缸落下，工件滑出。按返回鍵回到掃描畫面。

手動(dòng)畫面功能：此功能為手動(dòng)運(yùn)行各種動(dòng)作，比如氣缸的動(dòng)作、高低速的改變，此功能主要用于手動(dòng)調(diào)整工裝及維護(hù)工作。

參數(shù)設(shè)定畫面功能：設(shè)定扭矩檢測(cè)時(shí)間、合格扭矩范圍、吸油檢測(cè)時(shí)間3個(gè)參數(shù)，如果工藝參數(shù)有調(diào)整，可以直接修改參數(shù)，PLC程序不用改動(dòng)。

密碼設(shè)定畫面功能：這個(gè)功能主要是防止其他人員調(diào)整工藝參數(shù)，造成不必要損失。只有工藝技術(shù)員輸入正確密碼才能進(jìn)行修改，保證試驗(yàn)臺(tái)正常使用。

上序不合格確認(rèn)畫面：讀卡器讀取卡內(nèi)信息時(shí)，在PLC中有一個(gè)判斷，如果收到上到序不合格信號(hào)，立即彈出該畫面，試驗(yàn)臺(tái)不會(huì)對(duì)此工件檢測(cè)，操作人員按畫面上的確認(rèn)鍵，阻擋氣缸會(huì)落下，人員將不合格件直接滑出工作區(qū)。

圖3為掃描畫面和運(yùn)行畫面。

7 整機(jī)調(diào)試時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題

（1）給驅(qū)動(dòng)器發(fā)出運(yùn)作指令后，驅(qū)動(dòng)器顯示ERR-380報(bào)警。

驅(qū)動(dòng)器“380”號(hào)報(bào)警為電機(jī)過(guò)載，經(jīng)查找，原因是驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)電樞線相序不正確，重新調(diào)相后，再次啟動(dòng)工作正常。

（2）測(cè)試油泵時(shí)設(shè)備扭矩過(guò)大報(bào)警。

原因：機(jī)械連接摩擦力過(guò)大。

解決：經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦力大，加裝平面軸承后，問(wèn)題解決。

射頻卡與可編程控制器無(wú)法通訊。

設(shè)備聯(lián)機(jī)后無(wú)法上傳前到序測(cè)試結(jié)果，本序不知上序檢測(cè)是否合格。經(jīng)過(guò)反復(fù)查找，原因是兩測(cè)通訊參數(shù)設(shè)置不一致，射頻卡測(cè)奇偶校驗(yàn)設(shè)置為無(wú)，可編程控制器測(cè)設(shè)置為奇，都設(shè)置成一致后通訊正常。

8 結(jié)語(yǔ)

整個(gè)工程項(xiàng)目構(gòu)思論證設(shè)計(jì)安裝調(diào)試歷時(shí)40天，經(jīng)過(guò)一年的驗(yàn)證。穩(wěn)定性能達(dá)到了同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的順利完成得到公司領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，還使得技術(shù)人員更好地理論聯(lián)系實(shí)際，本崗位技能更上一個(gè)臺(tái)階。在經(jīng)濟(jì)效益方面，這個(gè)試驗(yàn)臺(tái)節(jié)約外委加工費(fèi)用45萬(wàn)元。同時(shí)也證實(shí)一點(diǎn)，工程技術(shù)人員只要在本崗上發(fā)揮好聰明才智，合理運(yùn)用電控部件，自制適合產(chǎn)品使用的設(shè)備是可行的，我們有能力為公司創(chuàng)造價(jià)值和節(jié)約費(fèi)用，使得我們自制的設(shè)備為公司在產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量攻關(guān)、“兩改善”等方面發(fā)揮積極作用，通過(guò)這個(gè)試驗(yàn)設(shè)備的完成，筆者有信心帶動(dòng)周邊有關(guān)人員積極參與，爭(zhēng)取為公司上產(chǎn)品、上質(zhì)量、上效益和發(fā)展進(jìn)步，做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 松下PLC編程手冊(cè)[Z].

[2] 松下觸摸屏編程手冊(cè)[Z].

[3] 巴魯夫射頻卡使用說(shuō)明書[Z].

[4] 昆侖通態(tài)軟件使用說(shuō)明書[Z].