壓鑄機的PLC冗余控制

趙樹忠 李寶慧

摘 要：本文采用PLC的冗余方式來控制壓鑄工藝流程，設(shè)計了PLC的冗余硬件和冗余軟件，通過PLC編程實現(xiàn)控制權(quán)的決定和傳輸，并控制兩個CPU互相監(jiān)視對方工作狀態(tài)，并且保持通信正常，出現(xiàn)故障時及時掌握主控權(quán)以保證壓鑄機繼續(xù)工作，不僅降低突發(fā)故障及故障程度，而且經(jīng)濟實用。

關(guān)鍵詞：PLC；冗余控制；壓鑄；工作狀態(tài)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.126

1 引言

壓鑄占據(jù)著國民經(jīng)濟發(fā)展過程當中的緊要地位[1]。當設(shè)備出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)致整個流程出現(xiàn)故障，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失，甚至人身安全[2-3]，因此實現(xiàn)對其工作的控制很重要。PLC由于可靠性高、抗干擾能力強而廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域[4]。采用PLC控制壓鑄機的工作狀態(tài)，在很大程度上提高了壓鑄機的自動化水平，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

本文在PLC控制系統(tǒng)中引入雙CPU冗余控制模式，以提高壓鑄機在工作過程中的可靠性。冗余控制是利用一定量的設(shè)備或部件構(gòu)成控制系統(tǒng)的控制方法。當設(shè)備或部件損壞時，它可以以硬件的、軟件的或人工的方法，替換被故障損壞的設(shè)備或部件，并保證系統(tǒng)可以繼續(xù)正常工作。使用冗余系統(tǒng)的控制方式，可以減少系統(tǒng)停機率，使系統(tǒng)基本上實現(xiàn)不間斷工作、提高生產(chǎn)效率。

2 壓鑄控制流程

壓鑄機在工作過程中速度，壓力等主要參數(shù)直接影響壓鑄件的生產(chǎn)要求，因此，對壓鑄機工作狀態(tài)的控制和監(jiān)測是最方便的方法。將傳感器連接在壓鑄機的待監(jiān)測部位感受壓鑄機工作狀態(tài)中的工藝參數(shù)，然后將采集到的信息送入到PLC中進行邏輯運算形成相應(yīng)的開關(guān)量輸出，通過控制壓鑄機上的閥門開關(guān)，同時將信息送到PC中，控制設(shè)備的工作狀態(tài)。壓鑄控制流程如圖1所示。

3 壓鑄機冗余控制原理

3.1 PLC的選擇

在對壓鑄機的速度，壓力等主要參數(shù)進行控制時，為了實現(xiàn)冗余控制，PLC的選擇很重要。三菱推出經(jīng)濟型QUTESET三菱PLC，結(jié)構(gòu)靈活，易于學習，傳輸效果好，完全支持GX開發(fā)軟件，具有優(yōu)良的性價比。經(jīng)濟型QUTESET三菱PLC如圖2所示。

3.2 硬件冗余控制方案設(shè)計

當PLC出現(xiàn)故障時，整個系統(tǒng)將會崩潰，會造成原料浪費、設(shè)備損壞，還可能影響生產(chǎn)安全，甚至人身安全。提高PLC自身硬件的可靠性是比較難實現(xiàn)的，因此，采用雙CPU的PLC冗余系統(tǒng)是既安全又經(jīng)濟的途徑[5]。

PLC硬件冗余就是準備CPU模塊、機架、電源、網(wǎng)絡(luò)模塊、I/O模塊各兩個和一條熱備電纜，組成兩套系統(tǒng)。一套系統(tǒng)進行控制，另一套系統(tǒng)作為備份使用，不進行運算，但是要實時監(jiān)視控制系統(tǒng)，一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，備用系統(tǒng)便由待機狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)，并發(fā)出警報，確保壓鑄系統(tǒng)穩(wěn)定運行。硬件冗余控制方案如圖3所示。

3.3 雙CPU軟件冗余系統(tǒng)的實現(xiàn)

軟件冗余不同于硬件冗余。簡單地增加CPU模塊可以實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的冗余，在機架上安裝兩個CPU，并通過PLC編程來控制決定和傳輸，以及兩個CPU模塊的相互監(jiān)視與控制，因此，編寫PLC冗余程序至關(guān)重要。其中控制決定與傳輸以及CPU模塊之間的相互監(jiān)測與監(jiān)控是關(guān)鍵問題。

3.3.1 控制權(quán)的決定和傳輸

兩個CPU模塊并行工作，使用同一個用戶程序，一個工作，另一個作為備用，兩個CPU模塊接受壓鑄過程的工作參數(shù)并保持通信連接，但是備用CPU模塊不輸出，兩個CPU模塊互相監(jiān)測對方的工作狀態(tài)，一旦備用CPU模塊發(fā)現(xiàn)正在進行工作的CPU模塊出現(xiàn)故障，就取代工作CPU模塊的主控權(quán)[6-7]，控制壓鑄機進行工作，保證生產(chǎn)順利進行。雙CPU模塊控制流程圖如圖4所示。

3.3.2 兩個CPU模塊的同步控制

兩個CPU同時工作，其中一個工作，另一個備用，但是兩者互相監(jiān)視對方工作狀態(tài)和通信狀況，備用CPU和工作CPU保持通信連接，但限制備用CPU的輸出功能，當工作CPU出現(xiàn)故障時，備用CPU取代工作CPU的主控權(quán)進行控制[8]。它們的相互控制流程圖如圖5所示。

3.4 冗余系統(tǒng)的啟動

在安裝完冗余模塊后，CPU模塊的運行/停止開關(guān)被置于停止位置；各CPU模塊的復(fù)位/復(fù)位解除開關(guān)被置于復(fù)位解除位置；將遠程I/O網(wǎng)絡(luò)模塊的開關(guān)設(shè)置好。然后連接兩組系統(tǒng)電源，使“POWER”LED亮綠燈，確保工作和備用系統(tǒng)沒問題。將程序?qū)懭雰蓚€系統(tǒng)的CPU模塊，啟動系統(tǒng)，通過安裝了GX Developer的PC監(jiān)測系統(tǒng)運行情況。

4 結(jié)束語

本文將PLC引入到壓鑄工藝流程的控制當中，并且為了提高PLC的可靠性，提出用雙CPU的PLC冗余控制系統(tǒng)控制壓鑄過程，減少系統(tǒng)由于故障被迫停機的可能性，有利于提高壓鑄件的質(zhì)量，降低廢品率，減小設(shè)備運行及維修成本，提高生產(chǎn)安全。

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作者簡介：趙樹忠（1963-），男，河北唐山人，博士，教授，主要從事測試計量技術(shù)與儀器方面的教學與科研工作。