基于PLC的真空斷路器生產線控制系統

原通文，曹慧云，蘭軒花

YUAN Tong-wen, CAO Hui-yun, LAN Xuan-hua

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 引言

隨著國民經濟的發展以及人民物質文化生活水平的不斷提高，人們對電力的需求量愈來愈大，促使電力事業迅速發展，電網不斷擴大。

戶內高壓真空斷路器作為電網設備，工礦企業動力設備的保護盒控制單元；尤其適應于要求額定工作電流下的頻繁操作或多次開斷短路電流的場所。其主要優勢有：操作機構與斷路器本體一體化設計，緊湊，精簡，牢靠，體積小；真空滅弧室采用陶瓷絕緣外殼，銅鉻合金觸頭，杯狀縱向磁場結構，具有斷流容量大，絕緣水平高，滅弧能力強，壽命長等特點；無故障運行，少維護或免維護，無爆炸危險，無污染，運行噪音低。

真空斷路器結構復雜、沉重，制造、裝配工藝要求高，因此國外廠家已經開始采用生產流水線方式裝配和檢測斷路器。目前，我國生產真空斷路器的廠家較多，品種也比較繁雜，但許多廠家仍舊采用人工將斷路器運到特定地點，然后手工接線進行檢測，這種方式存在著效率低、勞動強度大、高壓危險等缺點。這就要求國內企業也要提升自身生產效率，確保產品質量。

本文主要介紹了基于PLC控制的戶內高壓真空斷路器裝配和檢測生產線的自動控制系統。

1 工藝流程介紹

工藝簡介：框架上線→ 布線 →安裝相柱→ 磨合試驗→ 機械特性測試→ 底盤車安裝→ 觸臂裝配→面板、標記條等裝配→ 耐壓測試→ 配柜終檢→產品下線 。

生產線主體為兩條直線型倍速鏈輸送線，斷路器由工裝板承載在輸送線上移動，各工位設置限位器，當工裝板到達裝配或檢測工位時，限位器對工裝板進行限位，使其在工位暫停，而后由頂升平移裝置將工裝板連同斷路器移動到線外工作臺上便于操作人員完成裝配或檢測工作。

磨合試驗是產品在額定電壓下進行用戶指定次數的合分閘操作。

機械特性測試工位完成斷路器產品的合分閘速度、反彈、彈跳及超行程測試。測試過程啟動后設備自動完成機械特性的測試，測試數據經控制系統處理后存儲在上位計算機產品檢測數據庫中。

耐壓測試對斷路器的主回路進行工頻42KV耐壓測試，時間為1分鐘。二次回路對地做2KV耐壓測試，時間為1分鐘。

終檢工位檢測臺上通過連接不同的檢測電源還可實現分合閘控制測試、二次回路接線正確性測試等檢驗項目。

2 控制系統

2.1 總體設計

系統采用分布式的控制方式，分為現場控制和集中控制兩級。系統總線采用工業以太網，在CP1H系列PLC上直接裝Ethernet單元CIF41模塊，然后通過上位機對其設置IP地址和FINS地址。

FINS（factory interface network service）通訊協議是歐姆龍公司開發的用于產業自動化控制網絡的指令／響應系統。使用FINS指令可實現各種網絡間的無縫通訊，包括用于信息網絡的Etherne（以太網），用于控制網絡的CONtroller Link和SYSMAC LINK。通過編程發送FINS指令，上位機或PLC就能夠讀寫另一個PLC數據區的內容，還可以控制其運行狀態，從而簡化了用戶程序。FINS協議支持工業以太網，這就為OMRON PLC與上位機以太網通訊的實現提供了可能。如圖1所示。

圖1 系統總體示意圖

現場級是由在現場都安裝的控制柜(采用OMRON公司的CP1H系列PLC)組成，共5臺。其功能是實現在現場對相應工位的控制，對運行狀態和錯誤信息的現場采集與監視，并且完成與集中控制級的實時通信，包括：接收控制信息，完成控制動作，發送用于遠程監控的運行狀態、錯誤信息到主站。

集中控制級是由設置控制室的監控計算機通過監控軟件接收并顯示、狀態等信息，對錯誤信息進行報警，并且可以發出指令，控制生產線的運行，同時生成報表。UPS電源用來在停電時為監控計算機系統供電，在保證監控計算機保存生產記錄后安全退出。

2.2 PLC分部控制

本控制系統采用日本OMRON公司的CP1H，是一款性價比高、功能完備的通用控制器。其特點是結構緊湊，自帶24點輸入、16點輸出和4路模擬量輸入。集成了開關量控制、模擬量控制、高速計數、4軸高速脈沖輸出、串行通信等功能于一身，CP1H指令豐富，采用任務編程方式，并支持功能塊編程方法使編程更加清楚、簡便。CP1H取消了手持編程器配置，沒有通常的外設接口，取而代之的是USB端口。支持hostlink、 nt link、compobus/s、 devicenet、 profibus-dp、controllerlink、ethernet、 協議宏、modbus-rtu等多種通訊方式及串行plc連接功能；支持cpm和cj1系列plc的擴展單元。

系統的控制方式為每個工位都具有手動、自動兩種控制方式。其中手動方式，可以通過觸摸屏手動按鈕對各執行機構（氣缸、電機、變頻器等）進行單獨控制，以適用于調整、維修和緊急情況。通常使用自動方式，操作面板上的自動按鈕選擇自動擋，設備由PLC自動控制，按照每個工位特定的工作流程進行檢測。PLC控制系統邏輯圖如圖2所示：

圖2 PLC控制系統邏輯圖

2.3 HMI人機界面

觸摸屏是觸摸式工業圖形顯示器的簡稱，用于參數設置和數據顯示，并以曲線、動畫等形式描繪自動化控制過程，并可簡化PLC的控制程序。觸摸屏的主要作用是：監視和控制。監視：以數據，曲線，圖形，動畫等各種形式來反映PLC內部位狀態和存儲器數值，從而直觀反映工業控制系統的流程。控制主要是通過觸摸屏操作改變PLC內部位狀態，存儲器數值，從而參與過程控制。

本系統采用WEINVIEW的MT8070iH型號觸摸屏，該型號為7”寬屏、400MHzCPU、128M超大容量Flash，而且能快速響應系統指令。

控制系統的人機界面要求操作簡單，易于理解。為此，設計了下面6個層面 。

2.3.1 用戶登錄

用戶輸入密碼后，按“主頁”鍵確認。如果密碼錯誤，系統會給出提示，并請用戶重新輸入；如果密碼正確，將直接進入運行狀態界面。

2.3.2 運行狀態

運行狀態界面用來實現對進行相關的工作狀態實時監控。

2.3.3 參數設置

參數設置界面用來實現對相關參數的設置。

圖3 主程序流程圖

2.3.4 手動控制

手動界面主要是當設備在檢修狀態下，對電磁閥、電機、變頻器、指示燈等設備的開/關狀態控制。

2.3.5 報警提示

當出現故障或者故障排除時，相應的報警指示燈會變紅，同時報警界面的故障顯示區會顯示當前故障信息，以便于操作人員快速、準確的發現故障原因。

2.3.6 數據錄入

該界面主要實現對產品生產信息的進行輸入，以便于上位機讀取這些信息。

2.4 程序設計思路

本控制系統采用順序控制設計方法，根據上述的工作流程，細分為執行單一功能的子模塊，按照檢測的時間順序和相互邏輯關系，主程序將依次調用子模塊。下面以耐壓測試系統為例，程序流程圖如圖3所示：

3 結束語

該生產線自投入生產以來，已取得了良好的社會效益和經濟效益，體現在以下幾個方面：

1）提高了產品的生產效率，保證了產品質量，減輕了操作人員的勞動強度，達到減員增效保質的目的。

2）增加了可靠性和安全性。本系統實現了主控設備的聯鎖控制和異常報警和及時關停。各個工位站設立授權以對有關參數進行修改，避免了人為誤操作等可能造成的設備損壞。

3）可視化的人機界面非常便于操做人員掌握，操作人員不僅可以隨時查詢，監視到當前系統運行狀態、故障等信息，而且快速簡單地更換產品型號參數。

[1]CP1H 操作手冊(中文)(W450-CN5-02).

[2]CP1H 編程手冊(中文)(W451-CN5-01).