基于PLC的卷簧機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 建，胡 翔，何 濤，龔興學(xué)

（1湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068；2湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068；3武漢眾聯(lián)同創(chuàng)機(jī)電制造有限公司，湖北 武漢430064）

我國自主研發(fā)的卷簧機(jī)普遍存在自動(dòng)化水平低、技術(shù)水平落后的問題［1］.卷簧機(jī)只應(yīng)用于生產(chǎn)要求相對(duì)較低的場(chǎng)合，只能以低價(jià)來爭(zhēng)取客戶，而較為高端的市場(chǎng)都被日本、德國等進(jìn)口設(shè)備占領(lǐng).近年來電動(dòng)車、汽車行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)卷簧的需求與日俱增，因而對(duì)卷簧機(jī)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn).卷簧機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合了機(jī)械、傳動(dòng)、氣動(dòng)和電氣控制等多方面的技術(shù).

1 拉索卷簧機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略

卷簧機(jī)系統(tǒng)共有三部分：拉索卷簧機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)單元和控制系統(tǒng)［2］.卷簧機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)是硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.系統(tǒng)動(dòng)力組成共有一臺(tái)伺服電機(jī)、兩臺(tái)三相電動(dòng)機(jī)和一臺(tái)普通怠速電機(jī).其中一臺(tái)三相電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)吊車臂，將繞有鋼絲材料的料盤吊裝到卷簧機(jī)上，另一臺(tái)三相電動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)主軸，伺服電機(jī)通過諧波齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)卷簧機(jī)內(nèi)軸滾輪，通過主軸與卷簧內(nèi)軸滾輪的速度匹配來實(shí)現(xiàn)彈簧的卷制.

由于卷簧機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，在高速運(yùn)行過程中需要快速停車時(shí)，氣動(dòng)剎車無法滿足系統(tǒng)控制要求，因而系統(tǒng)通過氣動(dòng)單元控制油壓系統(tǒng)作為系統(tǒng)的剎車控制.考慮到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的干擾以及設(shè)備運(yùn)行的可靠性等因素，決定采用PLC作為核心控制器，結(jié)合變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器等電氣元件構(gòu)成的硬件基礎(chǔ)，同時(shí)配以觸摸屏軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制.

圖1 卷簧機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

卷簧機(jī)用來卷制不同直徑的彈簧，其工作過程是啟動(dòng)運(yùn)行后超聲波測(cè)距傳感器通過測(cè)量料盤上鋼絲的量來調(diào)整主軸對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速.當(dāng)料盤上鋼絲是滿盤時(shí)，對(duì)應(yīng)設(shè)置主軸最低轉(zhuǎn)速；當(dāng)料盤上鋼絲是空盤時(shí)，對(duì)應(yīng)設(shè)置主軸最高轉(zhuǎn)速.PLC通過RS485通信方式與變頻器進(jìn)行通信，控制變頻器的頻率、啟動(dòng)、停止，從而控制主軸電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài).利用高速測(cè)速傳感器測(cè)量正在運(yùn)行的主軸轉(zhuǎn)速，然后按照速度比輸出給伺服電機(jī)，精確控制伺服電機(jī)送料的長(zhǎng)度.當(dāng)送料出現(xiàn)偏差時(shí)，卷制完成的彈簧會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，利用連接在彈簧上的編碼器測(cè)得彈簧的轉(zhuǎn)動(dòng)量，然后通過反饋方式控制伺服電機(jī)的加減速，使得伺服電機(jī)送料進(jìn)入一種穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，即卷制完成的彈簧旋轉(zhuǎn)量不超過1圈／m，最終卷制滿足用戶要求的固定直徑的彈簧，拉索卷簧機(jī)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 拉索卷簧機(jī)框架結(jié)構(gòu)圖

2 拉索卷簧機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)控制的精確性，系統(tǒng)采用PLC輸出脈沖和方向信號(hào)來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，以達(dá)到控制伺服電機(jī)的精確運(yùn)動(dòng)［3］.在PLC選型時(shí)選擇晶體管類型的PLC，而非帶載能力更大的繼電器輸出型PLC輸出PWM波，因?yàn)槔^電器輸出動(dòng)作延時(shí)較大，不能夠快速輸出滿足系統(tǒng)所需的高頻脈沖信號(hào).系統(tǒng)根據(jù)輸入、輸出的需求選擇了16點(diǎn)輸入和16點(diǎn)輸出的DVP－32EH型的PLC，系統(tǒng)PLC輸入輸出分配如圖3所示.

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要根據(jù)主軸卷盤上鋼絲的厚度對(duì)主軸進(jìn)行相應(yīng)速度的調(diào)整.系統(tǒng)引入YPMHT型超聲波傳感器測(cè)量鋼絲厚度，然后將超聲波傳感器的模擬信號(hào)通過06XA模擬模塊傳輸給PLC，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)轉(zhuǎn)速的調(diào)整.

圖3 PLC輸入輸出分配圖

由于主電機(jī)和吊車電機(jī)供電電壓要求是380 V，因而采用三相五線制供電，主電機(jī)線路連接至變頻器的輸出端，通過控制變頻器的啟動(dòng)、停止以及頻率來實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸電機(jī)的控制，吊車電機(jī)通過兩個(gè)交流接觸器互鎖輸出給吊車電機(jī)供電.伺服電機(jī)供電電壓要求是220V，因而采用單相220V給伺服電機(jī)、PLC和開關(guān)電源進(jìn)行供電，系統(tǒng)主電路供電電路如圖4所示.

圖4 主電路供電電路圖

3 卷簧機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

卷簧機(jī)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)首先檢測(cè)氣壓開關(guān)壓力是否充足，然后檢測(cè)變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器等是否出現(xiàn)異常，隨后進(jìn)入手動(dòng)自動(dòng)檔位的檢測(cè).當(dāng)手動(dòng)擋位有效時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行手動(dòng)處理子程序；當(dāng)自動(dòng)擋位有效時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)處理子程序，其軟件流程如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 手動(dòng)運(yùn)行的設(shè)計(jì)

為了滿足卷簧機(jī)調(diào)試過程的需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)運(yùn)行功能.手動(dòng)運(yùn)行功能具有慢速點(diǎn)動(dòng)和中速連續(xù)運(yùn)行兩個(gè)功能.當(dāng)點(diǎn)動(dòng)按下“手動(dòng)”按鈕，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)軸以給定的恒定低速進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，緩慢卷制彈簧；當(dāng)“手動(dòng)”按鈕按下時(shí)間超過3s時(shí)，系統(tǒng)立即以給定的恒定中速進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行，此時(shí)系統(tǒng)加快卷制速度；再次按壓“手動(dòng)”按鈕時(shí)，系統(tǒng)立即停止運(yùn)行.

用戶在卷制彈簧的開始過程中，需要手動(dòng)緩慢的卷制彈簧，同時(shí)使用數(shù)字式游標(biāo)卡尺測(cè)量卷制的彈簧外徑，及時(shí)調(diào)整好模具的位置，從而得到所需外徑大小的彈簧.當(dāng)卷制的彈簧滿足用戶要求時(shí)，此時(shí)需要能夠手動(dòng)連續(xù)的生成一長(zhǎng)段彈簧，直至彈簧通過編碼器所在的位置，以便切換到自動(dòng)運(yùn)行時(shí)編碼器可以快速的校正系統(tǒng)，因而針對(duì)此需求設(shè)計(jì)出手動(dòng)中速連續(xù)運(yùn)行功能.

3.2 自動(dòng)運(yùn)行的設(shè)計(jì)

當(dāng)手動(dòng)卷簧過程生產(chǎn)的彈簧滿足用戶要求時(shí)，用戶可以選擇切換到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài).按下“啟動(dòng)”按鈕，卷簧機(jī)開始連續(xù)高速運(yùn)行.超聲波傳感器測(cè)得料盤鋼絲的纏繞直徑，調(diào)整主軸對(duì)應(yīng)三相電機(jī)的轉(zhuǎn)速.當(dāng)料盤上鋼絲是滿盤時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)設(shè)置主軸最低轉(zhuǎn)速，當(dāng)料盤上鋼絲是空盤時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)設(shè)置主軸最高轉(zhuǎn)速.PLC通過RS485方式與變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器運(yùn)行頻率、啟動(dòng)和停止的控制，從而控制主軸電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)［4］.測(cè)速傳感器測(cè)定主軸的轉(zhuǎn)速，通過速度比換算輸出給伺服電機(jī).編碼器測(cè)定卷簧機(jī)軟軸輸出的角度變化，反饋給伺服電機(jī)，使其加速或減速運(yùn)行，直至軟軸幾乎無轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出已經(jīng)卷制完成的彈簧.計(jì)長(zhǎng)傳感器測(cè)量彈簧的長(zhǎng)度，圓盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，觸發(fā)5次傳感器，每一次觸發(fā)長(zhǎng)度累加30mm.

3.3 異常運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)計(jì)

當(dāng)卷簧機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)鋼絲斷線，鋼絲接觸機(jī)床外殼，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行緊急制動(dòng)同時(shí)報(bào)警燈閃爍，PLC檢測(cè)到斷線信號(hào)時(shí)，立即輸出變頻器緊急停止信號(hào)，同時(shí)輸出剎車信號(hào)，氣動(dòng)單元立即動(dòng)作，迫使油壓剎車系統(tǒng)進(jìn)行剎車.因?yàn)檎＿\(yùn)行時(shí)主軸在高速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，所以此系統(tǒng)采用油壓剎車系統(tǒng)，可以快速地緊急停車.

當(dāng)塑料棒未進(jìn)料時(shí)，計(jì)長(zhǎng)傳感器開關(guān)在初始設(shè)定值內(nèi)未觸發(fā)，此時(shí)系統(tǒng)將此情況作為異常，立即進(jìn)行緊急制動(dòng)同時(shí)報(bào)警燈閃爍，提示用戶系統(tǒng)異常.排除系統(tǒng)異常故障后，按下“停止”按鈕，解除報(bào)警信號(hào)，再次按下“啟動(dòng)”按鈕重新運(yùn)行［5］.

3.4 觸摸屏界面的設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)操作的靈活性和適應(yīng)性，采用了維綸TK6070i型觸摸屏作為上位機(jī)，用戶可以通過選擇不同外徑的彈簧參數(shù)生產(chǎn)各種外徑的彈簧.觸摸屏和PLC通過PPI協(xié)議進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，采用EB8000軟件對(duì)觸摸屏進(jìn)行人機(jī)界面的編制［6］.系統(tǒng)人機(jī)界面分為5個(gè)部分：輸入輸出監(jiān)控、手動(dòng)加減速、報(bào)警畫面、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行畫面.系統(tǒng)開機(jī)界面如圖6所示.

運(yùn)行畫面中包括主軸、伺服轉(zhuǎn)速參數(shù)、彈簧外徑、氣壓報(bào)警燈、變頻器報(bào)警燈、伺服報(bào)警燈.當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，相應(yīng)的報(bào)警燈閃爍，可通過報(bào)警界面查看報(bào)警記錄.

圖6 觸摸屏開機(jī)界面

4 結(jié)束語

PLC作為工業(yè)控制中占主導(dǎo)地位的核心控制器，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)、被控對(duì)象的控制以及上位監(jiān)控等功能.卷簧機(jī)系統(tǒng)采用PLC作為控制器，觸摸屏作為上位機(jī)，該系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的可靠性、靈活性和故障緊急處理能力，并在工業(yè)生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證.

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