PLC和變頻器在鋼錠自動分揀系統中的應用

雷慧杰，李正斌，張艷偉

LEI Hui-jie1 , LI Zheng-bin1, ZHANG Yan-wei2

（1.安陽工學院 電子信息與電氣工程學院，安陽 455000；2.安陽鋼鐵集團公司，安陽 455000）

0 引言

隨著制造業的迅速發展，對產品質量檢驗的要求越來越高，需要對金屬工件的表面缺陷進行嚴格探傷，同時把有表面缺陷的次品準確的檢測并分揀出來。不銹鋼錠精加工過程中在它的表面會出現一些表面損傷，比如磨損、劃傷、裂紋和砂眼等，這些是不合格的，需要把這些有表面損傷的不銹鋼錠及時檢測并分揀出來。

本文根據生產企業對不銹鋼錠的質量要求，設計了一套以PLC和變頻器為控制核心，同時綜合利用氣動技術和傳感器技術等的檢測與分揀自動控制系統。該系統能連續、大批量的對不繡鋼錠進行表面探傷并自動分揀，誤差率低，效率高，能顯著提高企業的生產節奏和效率。

1 分揀系統工作原理

本系統檢測的不銹鋼錠為正方體規格，其中正方體不銹鋼錠的邊長為30cm；皮帶的寬度為35cm，分揀滑道的寬度為80cm。分揀系統（如圖1所示）采用皮帶傳送，由三相異步電動機、氣缸、電磁閥、氣體壓縮機、氣體過濾器、變頻器、傳感器等部件組成。電渦流傳感器和電感式接近開關，分別都安裝在皮帶一側，其中電渦流傳感器在氣缸上游安裝并且緊貼氣缸推板，電感式接近開關則安裝在氣缸下游，磁力式接近開關1和磁力式接近開關2則分別安裝在氣缸的兩個上下極限位置上。

圖1 分揀系統結構示意圖

分揀系統工作原理如下：

1）設備上電以后，按下啟動按鈕，當氣缸縮回到位以后“正常工作”綠燈亮，PLC控制變頻器驅動電動機運行，不銹鋼錠在皮帶上向前傳送。

2）當不銹鋼錠接近電渦流傳感器SA時，如果鋼錠的側面有表面缺陷，電機延時3s后停止運行，然后控制氣缸動作的電磁閥得電，氣缸動作將不銹鋼錠推進直線式分揀滑道里，待氣缸完全伸出和縮回以后電動機才會重新運行。否則，當傳感器SA在鋼錠完全通過時依然沒有檢測到表面損傷，氣缸不動作，電動機繼續運行。

3）當不銹鋼錠移動到傳感器SB的位置時，傳感器SB會把響應信號傳給PLC，PLC會控制電動機繼續運行，當傳感器SB持續三分鐘沒有檢測到不銹鋼錠時，則PLC會通過內部的定時器自動使電動機停止運行。

4）無論任何時候人為按下紅色“停止”按鈕，系統立刻停止運行。

2 控制系統的硬件設計

1）電機的選型

本系統電動機選用型號為JW7136的三相交流異步電動機，額定功率0.55kW，額定電壓380V，額定轉速910rpm，6極，B級絕緣，外殼防護等級為IP44，其中電動機主動軸的直徑d=30mm，則電動機每旋轉一周，皮帶上的工件移動距離L= 3.14×30=94.2mm。

2）變頻器單元

選用西門子MM420變頻器，以便調節三相交流電動機速度，同時達到節能效果。此過程需要對變頻器MM420進行相關參數的設置[1]，如表1所示。

表1 MM420變頻器參數設置

3）PLC的選型及I/O分配

根據控制要求，輸入端有2個按鈕信號，1個電渦流傳感器信號和1個電感式接近開關信號，以及2個汽缸運動極限位置的磁力式接近開關信號，共計6個輸入信號；輸出端包括1個正常指示燈信號、1個控制變頻器運行的信號和1個控制汽缸動作的電磁閥信號，總共3個輸出信號。共需I/O點9個，其中6個輸入，3個輸出。

根據上述所確定的I/O點數，選用一般的小型機即可滿足要求，故選用西門子S7-200系列CPU224XP型[2]。

系統通過PLC程序的執行以及變頻器相關接線端子的選擇和參數的設置可以聯機實現對電動機啟動、調速和停止的控制，如圖2所示。

圖2 PLC與變頻器接線圖

4）傳感器單元

電渦流傳感器[3]：渦流探傷是以交流電磁線圈在金屬構件表面感應產生渦流的無損探傷技術。由于渦流探傷，在檢測時不要求線圈與構件緊密接觸，從而容易實現檢驗自動化。它僅適用于導電材料，包括鐵磁性和非鐵磁性金屬材料構件表面和近表面的缺陷檢測。

本系統采用型號為RP6660的電渦流傳感器，探頭直徑Φ60mm，量程80mm，輸出方式0～10VDC，工作電壓200～240VAC。

當電渦流傳感器探頭處沒有不銹鋼錠時輸出為0；當沒有表面損傷的不銹鋼錠接近電渦流的傳感器的探頭，傳感器依然有電壓輸出，為0～3V，可確定為合格品；當有表面損傷的不銹鋼錠接近電渦流傳感器時，傳感器的輸出電壓在3～10V，可確定為次品。

電感式接近開關：是非接觸型的位置傳感器，用來檢測有無金屬物體接近，從而控制器件的通或斷[4]，達到非接觸檢測的目的。本系統選用M18X1X40電感傳感器。

磁力式接近開關：是一種非接觸式位置檢測開關，用于氣缸活塞的到位檢測。本系統采用CS1-M磁性開關，采用共陰極接法，有兩根引出線，一根接PLC輸入端，另一根接公共端。

5）氣動控制單元

本系統采用S C Q G B I 系列輕型氣缸，型號為SC50*100-S-FA。氣源氣壓范圍是：0.5MPa～0.8MPa，當氣源接通時，在氣體壓力的作用下，氣缸中的活塞位于最初極限位置，當需要氣缸動作時，PLC給Y信號使電磁閥得電，氣壓回路改變，氣缸動作；氣缸推出到位以后由磁感應接近開關B1檢測，通過PLC程序的執行給Y信號使電磁閥失電，氣動回路再次改變，氣缸縮回，氣壓缸回到最初的狀態。

3 控制系統的軟件設計

根據不銹鋼錠自動控制系統的控制要求及工藝流程，分析各個設備的功能和操作順序，可畫出程序流程圖，如圖3所示。

圖3 PLC程序流程圖

4 結束語

本文采用S7-200 PLC和MM420變頻器設計了一套不銹鋼錠自動分揀系統，結合電渦流傳感器，在不接觸不銹鋼錠的情況下對不銹鋼錠的表面實現無損檢測并且把不合格的產品分揀出來。該系統已經安鋼某鋼錠生產線進行了測試，實踐結果表明，能大批量、連續地分揀不銹鋼錠，工作穩定，分揀精度高，誤差小，大大提高了工作效率，降低工人的勞動強度，具有很強的實用價值和應用前景。

[1] 陶權,吳尚慶.變頻器應用技術[M].廣州:華南理工大學出版社,2007.

[2] 王淑英.S7-200西門子PLC基礎教程[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[3] 尹靜文.FOERSTER渦流探傷儀檢測能力研究[J].機電技術,2012(3):154~156.

[4] 宋雪臣,單振清,郭永欣,等.傳感器與檢測技術[M].北京:人民郵電出版社,2011.