基于PLC 的智能粉末成型電動壓機控制系統的設計

韓 余

（南京理工大學， 江蘇 南京 210094）

引言

粉末壓機根據控制系統的不同可以劃分為機械式和液壓式，機械式適合應用于大噸位的粉末成型。我國機械式大噸位壓機已經實現國產化二十多年。但是在自動化液壓式粉末成形電動壓機方面還處于空白狀態(tài)，液壓式壓機可以對大型化、高精度、高密度的粉末冶金制品進行加工。本文通過采用PLC 設計了一體化電感粉末成型壓機控制系統，該設備及其控制系統的研制成功打破了國外在該領域的技術壟斷，對促進我國一體化電感粉末成型壓機技術的發(fā)展具有非常重要的作用。

1 總體結構設計方案

一體化電感粉末成型壓機電控系統的硬件設計，包括主回路和控制回路。伺服電機驅動是整個粉末成型壓機電控系統的核心，其電氣原理圖如圖1所示。其中主電路由3 臺Y 軸伺服電機、KM1 和KM2 兩個中間繼電器，以及L1、L2、L3、N 四根電源現組成，其中L2 和N 兩根電源線為整個伺服電機驅動系統提供電源，KM2 是3 臺Y 軸伺服電機驅動器開關，KM1 是控制系統開關[1]。

在控制電路中，在總線上按有隔離開關QS2、急停按鈕SB1，開關SA1 閉合KM1 線圈得電，就完成了數控系統的上電；按鈕開關SB2 按下，KM2 線圈得電，KM2 常開輔助觸點通電，形成自鎖，SB3 為常閉按鈕開關，為伺服電機電路的斷電開關；瞬間接觸開關KA1 閉合，電磁閥得電。

2 粉末成形電動壓機控制系統硬件設計

設計的粉末壓機采用的是液壓系統，整個粉末成形電動壓機是由電氣設備、控制系統、機械結構組成，其中控制系統是實現液壓成型功能的關鍵，本文設計的粉末壓機采用PLC 來實現各個模塊之間的信息交互。

圖1 伺服電機驅動電氣原理圖

2.1 伺服驅動電路設計

伺服控制電路主要是實現驅動器啟/停、設備運動狀態(tài)監(jiān)控、回零等方面的控制，本設計采用PC 機來實現控制器收集和下達相關的操作指令。由于受到篇幅限制，本文中僅對設備運動狀態(tài)監(jiān)控、回零等功能實現進行分析，伺服驅動電路如下頁圖2 所示。

當設備需要對某一確定位置進行液壓成型時，操作人員根據工藝條件對位置、運行速度的變化等參數進行設置，然后計算機服務器將設置的參數下達到伺服系統控制器中，然后控制器根據設定的參數控制伺服電機移動到指定位置。

設備運動狀態(tài)監(jiān)控主要對伺服電機的工作狀態(tài)進行全面監(jiān)測，從而使控制器能夠實時獲取伺服電機當前位置、是否處于故障狀態(tài)等信息。

2.2 PLC 選型設計

PLC 是控制系統與各個功能模塊實現信息交互的基礎，無論是現場采集信號輸入，還是控制系統的信號的輸出都需要通過PLC 進行數據交換。本文設計的粉末成形電動壓機PLC 連接電路圖如下頁圖3 所示。

圖2 伺服控制電路圖

圖3 粉末成形電動壓機PLC 連接電路圖

在設計過程中，不僅需要考慮到功能需求，同時成本也是重要考慮因素。在滿足設計功能的情況下，為了降低成本投入， 最早選擇了型號為DVP10MC11T 的PLC，該型號PLC 是由臺達公司生產。DVP10MC11T 的輸入/輸出點數可以根據需求進行擴展，最高可達512 個，而且其容量可達16 kSteps，完全滿足設計需求[2]。

2.3 電源電路設計

電源電路是為整個系統中的電子元器件提供電能模塊，由于各個電路所需要的工作電壓會存在一定的差異，在粉末成形電動壓機控制系統中，各個模塊電路工作電壓分為5 V、3.3 V 兩種。為了使整個控制系統能夠穩(wěn)定工作，設計采用24 V 直流電源開關為系統提供電源，因此，設計的電源電路只需要將24 V 分別轉換成5 V、3.3 V，根據需求最終選擇LM2575 芯片來實現，電源玷辱如圖4 所示。

圖4 5 V 電源電路圖

在電源電路中，C1 和C2 組成了濾波裝置，可以有效地對低頻和高頻噪聲進行濾除，提升電路供電穩(wěn)定性。

3 粉末成形電動壓機控制系統軟件設計

3.1 伺服運動控制軟件的設計

根據設計粉末成形電動壓機的壓入裝配作業(yè)的模具的實際工作流程：零點→立柱上升→到起始點→夾緊工件→裝配點→工件松→裝配→下一循環(huán)。PLC 軟件的編寫思路是各個功能以子程序的形式編制，然后通過主程序調用實現各個功能，這樣編寫的程序結構清晰，軟件調試方便，并目很大程度節(jié)約了掃描時間，提高了PLC 的動態(tài)響應性。

粉末成形電動壓機送料靴軟件流程如圖5所示。壓制過程各模沖控制流程如下頁圖6 所示。

圖5 壓機送料靴軟件流程圖

3.2 人機交互界面設計

人機交互界面是操作人員輸入參數，以及獲取設備運動狀態(tài)信息的窗口，設計時應盡量保持簡潔、操作簡單。本文設計的人機交互界面如下頁圖7 所示，為了確保系統控制系統在出現故障時也能夠實現對設備的操作，設置有自動模式和手動模式兩種。設備進入手動模式時，操作人員可以通過對SB1～SB4 控制開關進行斷開或閉合來實現對伺服電機的控制。點擊自動模式，在界面中設置相關的參數后，系統將會自動地對伺服電機進行控制。

圖6 各模沖控制流程圖

圖7 系統運行界面

選用配套的組態(tài)軟件Delta_CANopen Builder V2.05 作為組態(tài)軟件使用。通過使用Delta_CANopen Builder V2.05，使臺達HMI 設備具有實際的功能，將軟件與設備共同構成人機交互的控制系統，實現參數數設置、報警等功能。通過實現從位置控制到壓力控制的轉換，將液壓缸的位置從30 mm 設置為70 mm，然后進行同步控制，通過上位機的監(jiān)控軟件取得實時測試值從表1 中數據可以看出，位置控制指令比實際值一般大2 mm 左右，同步誤差比較小，兩個液壓油缸的實際位移的偏差值為0.05 mm 左右，滿足設計要求[3]。

表1 位移與壓力的關系測試數據

4 結語

本設計采用臺達DVP10MC11T 型PLC 作為控制器，執(zhí)行機構選用伺服電機以提高系統的控制精度及穩(wěn)定性。完成了壓機各個電氣元件的選型，完成了電路原理圖的設計、PLC 輸入/輸出原理圖設計；進行了壓機部分PLC 軟件框圖的開發(fā)與設計，軟件設計采用了模塊化的編程思路，使控制系統穩(wěn)定可靠且便于操作。