基于PLC的精沖機電氣控制系統研究

向六昭，王成瓊

（內江職業技術學院，四川 內江 641100）

0 引 言

精沖機是完成精沖工藝和精沖復合工藝的專用設備。精沖工藝過程是塑性變形的過程，它是與彎曲、拉伸、翻邊、鐓擠、壓沉孔、半沖孔和擠壓等工藝結合而成的精沖復合工藝，一次精沖即可獲得表面光潔度為Ra 2.5μm至0.63μm的零件，一次沖裁可取代大量的切削加工工序，極大地提高了生產效率[1]。

精沖機設有調整、步進、單次、連續共4種不同的工作狀態，具有自動潤滑、自動送料、疊料保護、廢料自動剪切與拋出、工件頂出與吹出等功能。其工作壓力、壓制行程及速度可根據工藝需要在規定范圍內進行調節。

精沖機主要由機械系統、液壓系統、電氣系統3大部分組成，其電氣系統包括驅動、檢測、控制等部分，是精沖機協調而可靠工作的根本保證。本文所述精沖機電氣控制系統可有效地解決目前精沖機電氣控制系統與液壓系統的協調配合及控制系統的抗干擾能力和可靠性較差的問題。

1 精沖機的電氣控制系統設計

1.1 控制方案的確定

精沖機的動作規范較多，可靠性、安全性要求高，工作時需要機械、液壓、電氣的緊密配合，各種動作協調。如果使用傳統的繼電器-接觸器控制方式，整個控制電路必然十分繁瑣，安裝、調試、維護都很困難，同時繼電器控制系統響應速度慢，不能處理模擬量信號，所以繼電器控制系統難以滿足精沖機的控制要求。計算機控制系統功能強大，但編程困難，使用維護不便，對使用環境要求也很高。PLC控制系統線路簡潔直觀，安裝接線方便，編程簡單，易學易懂，當需要改變控制要求時，在硬件上的改動很小，所以本系統采用基于PLC的控制系統。另外，因為精沖機的動作規范多，如果使用物理的按鈕控制、指示燈顯示其各種工作狀態和信息的方式，那么按鈕和指示燈的數量將達到數十個。這樣，一方面增加了安裝、布局、接線的難度，同時也增加了故障率、降低了可靠性，所以，本系統采用人機界面（觸摸屏）來完成精沖機的主要操作和信息顯示。

控制方案確定后，設計出精沖機電氣控制系統的硬件結構如圖1所示。

圖1 控制系統硬件結構圖

1.2 主電路設計

本機主電路主要由主油泵馬達電路、冷卻泵馬達電路、抽油馬達電路組成，各馬達均使用三相交流電源供電，轉速固定，所以采用傳統的接觸器控制方式。

主油泵馬達功率較大，采用星形——三角形減壓啟動，以使其平穩啟動；冷卻泵馬達、抽油馬達功率小，采用直接啟動方式。

1.3 控制電路設計

本控制系統采用PLC控制，各種控制、檢測信號都作為PLC的輸入信號，再由PLC控制相應的執行器件。

1.3.1 PLC輸入、輸出設備的確定

本控制系統的輸入、輸出信號數量較多，當機床自動運行時，輸入設備是設置在精沖機上的各種檢測和控制元件，即精沖機主液壓缸（主柱塞）的上下運動，機械手的送料、接料、剪料、拋料運動，主柱塞的快速進給、慢速沖剪、快速退回運動，各種限位動作等由PLC自動控制，所以，這些檢測和控制元件必須作為PLC的輸入設備。同時，精沖機工作時，要求實時檢測主柱塞的位置，在進行封閉高度調整時，要求實時顯示封閉高度值，所以主柱塞的位置信號和封閉高度的檢測信號也必須作為PLC的輸入量。

當精沖機處于調整狀態時，各種操作在人機界面上進行，主令元件通過對人機界面的組態實現，在編制梯形圖時僅使用PLC的內部輔助繼電器，所以這些主令元件不占用PLC的輸入接口資源，從而節省了PLC輸入接口的數量[2]。

控制各馬達的交流接觸器KM、液壓系統的各個電磁閥YV由PLC控制，它們均作為PLC的輸出設備。

1.3.2 選擇PLC和人機界面

PLC的選擇包括機型選擇和輸入輸出接口類型選擇。在設計PLC控制系統時，根據使用要求選擇相應PLC。

人機界面的選擇要注意和PLC的匹配問題。

根據前述要求，本控制系統共有數字量輸入設備31個，模擬量輸入設備2個，輸出設備30個，考慮到設備的擴充能力，在選擇PLC輸入輸出接口時應留有約15%的裕量，同時注意以下3點[3-6]：

（1）注意負載的容量。輸出接口須遵守允許最大電流限制的原則，以保證PLC輸出接口的發熱量被限制在允許范圍內。要特別注意，PLC輸出繼電器的使用壽命和其負載容量直接相關，當負載容量增加時，輸出觸點的壽命將大大降低。

（2）注意負載的性質。感性負載在通斷瞬間會產生瞬時高壓，因此當PLC驅動感性負載時應在負載兩端并聯吸收保護電路，以保護PLC的輸出觸點。

（3）注意負載的動作頻率。不同的輸出接口類型適合不同的負載動作頻率。

本控制系統中PLC輸出接口驅動的負載是小型電磁線圈，消耗功率較小，精沖機工作時，要求其響應速度越快越好，如果選用繼電器輸出型接口，其響應時間一般在10～20ms之間，而晶體管輸出型接口的響應時間一般在0.2～0.5ms之間，所以本系統選擇晶體管輸出型接口。

目前國內市場PLC的種類較多，結合精沖機的控制要求和設計經驗，本控制系統選擇西門子S7-300系列PLC，具體配置是：S7-315CPU，SM321數字量輸入模塊，SM331模擬量輸入模塊，SM322數字量輸出模塊；相應地，選用西門子MP377 12〃人機界面（觸摸屏），控制系統硬件組態圖見圖2。

圖2 控制系統硬件組態圖

1.3.3 PLC輸入、輸出設備分配

根據控制要求和所選定的PLC，列出PLC輸入、輸出設備分配表，見表1[7-10]。

表1 PLC輸入、輸出設備分配表

1.3.4 設計電氣原理圖

根據控制要求及所選擇的PLC，設計出滿足要求的電氣原理圖。在設計電氣原理圖時，考慮到控制系統因外部干擾而導致的可靠性問題（本控制系統的干擾源主要有電源干擾、信號線引入的干擾、來自接地系統的干擾，另外還有硬件工作時的不穩定性帶來的系統的不可靠性），本系統采取的主要措施如下：

（1）在PLC的電源進線端加裝了隔離變壓器（見圖3）及低通濾波器。

圖3 PLC電源隔離圖

（2）PLC的輸入輸出通道之間本身已經具有電氣隔離功能，不需要再單獨設立電氣隔離電路。

（3）在PLC輸出負載兩端并聯了吸收保護電路，并使用自動空氣開關作為過載和短路保護設備。

（4）在不能同時工作而又有可能出現誤動作的硬件之間設置了硬件互鎖，即利用輔助繼電器觸頭或交流接觸器的輔助觸頭實現硬件互鎖功能。

（5）信號線使用屏蔽電纜。

（6）保證接地線的線徑以減小接地阻抗。

（7）在編輯PLC控制程序時設計軟件互鎖。

（8）選擇知名品牌的電氣元件。

通過上述設計，從硬件和軟件方面都使控制系統的可靠性得到了極大地提高。

1.3.5 選擇主要電氣元器件

在電氣元器件的選擇上，考慮到機床工作的可靠性和安全性，降低故障率，液壓系統各電磁閥均使用DC24V電源供電，各檢測和控制元件盡可能使用接近開關，使用直線位移傳感器作為主柱塞和封閉高度的位移檢測設備，其輸出信號為4～20mA的電流信號。

2 安裝與布線工藝設計

在進行PLC控制系統的安裝與布線工藝設計時，注意到以下3點：

（1）安裝位置。PLC不能與高壓電器安裝在同一個配電柜內。

（2）信號傳輸。為防止信號干擾，布線時將動力線和信號線分開布置，并分別裝入不同的金屬軟管和行線槽內，所以本系統的接近開關和直線位移傳感器的信號線使用屏蔽電纜，同時將屏蔽層兩端可靠接地。

（3）發熱與散熱。在電氣柜內布置電氣元器件時，充分考慮了電氣元器件的發熱與散熱問題，把發熱量大的元器件安裝在電氣柜的上部，PLC安裝在電氣柜的下部，同時在電氣柜側面設置了強制換熱風扇。

3 PLC編程與人機界面組態

使用西門子STEP7 V5.4編制PLC的控制程序，用西門子WinCC Flexible 2007對人機界面組態。在編寫控制程序時需要設置互鎖功能，使軟件互鎖和硬件互鎖相互配合，在軟件中設計了故障檢測和報警程序，從而盡可能地提高系統的可靠性。

3.1 PLC編程

在對西門子S7-300系列PLC進行編程前需要對PLC系統進行硬件組態，組態完成后才能進行應用程序的編寫。

3.2 觸摸屏組態

本控制系統的主要操作均在觸摸屏上完成，所以觸摸屏的組態十分關鍵，使用西門子WinCC Flexible 2007組態軟件對觸摸屏進行組態。組態畫面主要有主電機控制畫面、寸動及封高調整畫面、液壓系統監控畫面、輔助設備控制畫面、液壓參數設置畫面、行程參數設置畫面等[11]。

3.2.1 創建組態項目

進入WinCC flexible 2007項目向導創建一個新項目，設備類型為小型設備，連接方式為IF1B。

3.2.2 變量的生成與組態

變量分為外部變量和內部變量，每個變量都有一個符號名和數據類型。外部變量是操作單元（人機界面HMI）與PLC進行數據交換的橋梁，是PLC中定義的存儲單元的映像，其值隨PLC程序的執行而改變。外部變量可以在HMI設備和PLC中訪問；內部變量存儲在HMI設備的存儲器中，與PLC沒有連接關系，只有HMI設備能訪問內部變量。

打開變量編輯器，在變量表或所選變量的屬性視圖中設置好各變量的屬性。

3.2.3 畫面的生成與組態

人機界面（觸摸屏）用畫面中的可視化的畫面元件來反映實際的工業生產過程，在本系統的畫面中可以修改精沖機工作過程的設定值，如液壓系統的參數設置等。

精沖機控制系統的主畫面見圖4，寸動和封高調整畫面見圖5。

4 結束語

本文所述的精沖機電氣控制系統已成功投入使用，實際應用表明，通過PLC和觸摸屏實現對精沖機的控制，保證了精沖機各種動作協調、可靠地運行，從而提高了精沖機的整體性能。

圖4 主電機控制畫面

圖5 寸動和封高調整畫面

[1]周開華.精沖技術的發展與應用[J].模具制造，2008（3）：1-7.

[2]車暢，胡丹，白晗東.PLC輸入輸出接口測試系統設計[J].中國測試，2011，37（3）：53-56.

[3]許繆，王淑英.電氣控制與PLC應用[M].3版.北京：機械工業出版社，2009.

[4]程周.電氣控制與PLC原理及應用（歐姆龍機型）[M].3版.北京：電子工業出版社，2009.

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[6]唐愛民.關于PLC輸出類型的選擇及使用中的注意事項[J].紡織機械，2008（6）：25-26.

[7]西門子公司.S7-300PLC硬件和安裝手冊[Z].2004.

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[9]西門子公司.STEP7 V5.4軟件安裝及新功能介紹[Z].2006.

[10]西門子公司.STEP7 V5.4編程使用手冊[S].2006.

[11]刑麗娟，楊世忠.觸摸屏的性能及應用[J].今日電子，2006（7）：71-73.