基于PLC控制的全自動免熔鉛制粒機

鐘 志 萬

(綿陽職業技術學院 信息工程系, 四川 綿陽 621000)

基于PLC控制的全自動免熔鉛制粒機

鐘 志 萬

(綿陽職業技術學院 信息工程系, 四川 綿陽 621000)

針對國內鉛酸電池生產污染大、能耗高的狀況，提出了一種免熔鉛加工鉛粒的技術方法。免熔制鉛粒機由PLC和人機界面實現整個生產過程的自動控制，主要特點是采用光電信號傳感器采集各相關的參數，并經過PLC集中優化處理，從而實現進料到出料的自動化控制。介紹了控制系統設計所需的硬件和軟件,硬件設計包括PLC的選型、觸摸屏選型等；軟件設計包括控制系統結構原理、電氣控制原理以及PLC控制流程設計。該全自動免熔鉛制粒機已經通過企業使用，操作簡單，節能環保且性能穩定。

制粒機； 鉛粒； 控制系統

0 引 言

在鉛酸企業加工中，鉛粒的制造是必不可少的核心環節之一[1]。由于傳統鉛粒鑄造工藝具有其缺陷性，“高污染、高能耗”是整個生產鉛粉流程的顯著特征，必須開發全自動免熔鉛制粒機，降低能耗，提高生產效率與質量，達到“節能、環保”的目的。

免熔鉛制粒機大致由輸送、切片、滾切制粒 三部分組成。具體來說，機架、進料總成、減速器等都是其組成部分[2]。在運行中，鉛錠會沿著對應的輸送軌道傳輸到切片裝置中，順利完成鉛錠切片，并將其落入到滾切結構中，便可以自動制作成鉛粒。在輸送帶作用下，制作成的鉛粒會被輸送到儲倉中，供鉛粉制作使用。就免熔鉛制整機來說，運行過程中借助光電信號傳感器，準確采集不同控制點的參數，在PLC中，對其進行統一化處理，從進料到出料整個過程都實現了自動化控制。

1 免熔鉛制粒機特點

就傳統鉛粒制造來說，有兩種制造方法[3-4]。它們都需要先給鉛錠加熱，使其徹底融化，在制粒過程中，還需要借助循環冷卻水實現冷卻。整個生產過程消耗的能量特別多，而在加熱熔化之后，鉛液會產生大量的鉛煙，嚴重污染周圍環境，產生大量的氧化渣，大幅度降低了鉛的利用率，而工作環境也比較差，自動化程度不高，大大增加了制造成本。

和傳統鉛粒制造方法相比，免熔鉛制粒機[1,5]更具優勢，不需要對鉛錠進行加熱熔化，簡化了制造工藝流程，提高了生產效率與質量。表1是新舊鉛制工藝對比情況。

表1 新舊工藝對照表

2 PLC控制的全自動免熔鉛制粒機

2.1 控制系統總體設計

控制系統的硬件部分主要由PLC、觸摸屏、伺服電動機、三相異步電動機、電磁閥、換向閥組成[6]。在設計過程中，要充分利用步進伺候電動機的多樣化優勢，比如，運行可靠、便于控制、結構簡單化，利用直線位移取代脈沖信號的位置，位移量與脈沖數、移動速度與脈沖頻率都有著某種必然聯系，但不屬于反比例關系[7-9]。在此基礎上，步進伺服電動機取代進給裝置的位置，提高定位精準率，優化調整進料機的移動速度，確保各生產環節順利進行。

就控制系統來說，要以PLC為核心，全方位準確分析觸摸屏、PLC兩者的特征，多角度順利實現雙向通信。在操作觸摸屏基礎上，根據生產具體情況，優化調整進料速度、步進伺候電動機轉速，借助PLC，動態控制其中的驅動器。在生產過程中，設備維修人員可以在觸摸屏彈出的故障窗口中全方位了解故障發生的真正原因，及時采取可行的措施有效解決故障問題，防止設備故障范圍進一步擴大，確保系統設備處于安全、穩定運行中。在電動機運行過程中，一旦出現故障問題，對應的系統便會第一時間自動產生急停信號，自動切斷動力電源，也可以人為按下控制柜外面的急停按鈕來切斷動力電源。就氣缸活塞來說，在運行過程中，相關人員可以充分利用其中的傳感器，動態化檢測各系統設備運行情況，也就是說其中傳感器會自動檢測信號輸入的PLC系統，而PLC系統也會根據已接收的一系列數據信號，向設備提出合理化的指令，比如，電磁閥、換向閥，全方位動態控制液壓油缸、氣缸。控制系統結構原理如圖1所示。

圖1 控制系統結構原理圖

2.2 電氣控制原理

本設計所用電動機為普通三相交流電動機、步進電動機和伺服電動機，繼電器和接觸器組合控制電動機的啟動和停止[6]。以液壓電動機為例，PLC輸入傳感器得到信號后，PLC輸出繼電器KA2線圈有電，接觸器觸點KA2閉合，接觸器線圈KM2得電，液壓電動機接通交流電，電動機啟動；反之,PLC輸入傳感器失去信號，繼電器線圈失電，導致接觸器線圈失電，使其接觸器的觸電斷開，液壓電動機停止。上料電動機、滾切電動機、翻轉電動機的啟動和停止與上料電動機的啟動原理一致。圖2給出電動機控制原理圖。

圖2 電動機控制原理圖

根據控制系統的I/O信號類型、I/O口的總點數，再綜合考慮考慮各種因素，PLC選取了德國西門子公司的SIMATIC S7-200產品。本設計中，PLC的輸入點分配如表2所示[10]，輸出控制電路如圖3所示。

表2 PLC輸入點分配表

2.3 PLC軟件部分

在PLC編程過程中，編程人員必須全面、客觀分析各方面影響因素，綜合分析對應的流程工藝、PLC指令系統，借助模塊化結構思想，綜合分析主客觀影響因素，逐一分解模塊，確保不同模塊充分發揮其邏輯互鎖功能，順利完成整個PLC系統程序編制。就制粒機控制系統來說，并不是由單一模塊組成，比如，自動運行、報警、手動操作[11]，各自發揮著不同的作用。就信號輸入來說，要以步進到位傳感器等的信號為基點，而輸出數據信號要以PLC控制系統的電磁閥、換向閥等發出的指令為媒介，確保傳輸的數據信號更加準確。

PLC信號的輸入以步進電動機到位傳感器、切刀上下限傳感器接收的信號、翻轉動作接收傳感器、托輥平臺接收傳感器為準，輸出信號為PLC控制系統對換向閥、伺服驅動器、電磁閥等發出命令。其工作流程如圖4所示。

圖3 S7-200 PLC輸出端接線圖

(a)輸送區工作流程圖(b)加工區工作流程圖

圖4 控制流程圖

根據以上分析，各個電動機及相關部件的控制均采用模塊化編程或根據工作流程圖采用步進指令編程[12]，本文采用模塊化編程。上料電動機啟停控制比較簡單，采用常規電動機控制就能滿足控制要求；液壓電動機和滾切電動機的控制程序與翻轉電動機的控制程序類似；氣缸控制與切刀控制程序類似，所以本文輸送區和加工區控制程序主要由系統啟動及指示控制、報警顯示控制、翻轉電動機控制、切刀控制程序段構成，如圖5所示。程序段中的中間繼電器意義描述如下：M0.0表示系統啟動信號；M0.1表示輸送區啟動信號；M0.2表示加工區啟動信號；M1.0表示翻料處傳感器給出的有料信號；M1.1表示翻料處傳感器給出的無料信號；M1.3表示托輥平臺傳感器給出的無料信號，輸入輸出口的意義見圖3。

2.4 觸摸屏設計

觸摸屏作為當下最新的電腦輸入、輸出設備，簡單、方便的人機交互理念是觸摸屏風靡的主要原因。本設計中觸摸屏采用威綸通科技有限公司出品的MT6100i作為和PLC通信的人機界面[13-14]，兩者之間通過異步串口通信。觸摸屏主要顯示主界面、手動運行、自動運行、參數設置和報警設置4個模塊。

(a) 系統啟動及指示控制程序

(b) 翻轉電動機控制程序段

(c) 切刀控制程序段

圖5 控制程序梯形圖

3 結 語

基于PLC控制的全自動免熔鉛制粒機，能夠在一定程度上有效彌補傳統鉛制工藝缺點，優化完善冷態加工鉛粒制造工藝，為生產鉛酸電池提供了一個全新的平臺，“低能耗、低污染”是其顯著特征，生產過程中提高了各方面能源利用率，有利于緩解新時期日益加重的能源危機，在降低鉛粒生產成本的基礎上，實現最大化的經濟效益，對周圍環境的污染也比較少，有利于改善周圍環境。同時，PLC具有較好的自動控制功能，簡化操作流程，提高了人力資源利用率，極大地提高了工作效率與質量，具有較好的“經濟、社會、生態”效益。站在長遠的角度來說，基于PLC的全自動免熔鉛制粒機具有較高的應用價值，有著廣闊的市場前景，有利于鉛酸企業走上健康持續的發展道路，不斷促進社會經濟持續發展。

[1] 孫翔鴻,朱家誠.基于PLC控制的全自動免熔鉛制粒機的研究[J].機械設計與制造,2013(6):152-154.

[2] 牛義生,陳志雪,毛治國,等.免熔鉛制粒機在鉛粉制造中的應用[J].蓄電池,2014(6):275-278.

[3] 黎興國, 吳盛祺, 賴品麗,等. 蓄電池鉛粉生產的方法及設備: CN102935517A[P]. 2013.

[4] 朱秀成. 全自動免熔化鉛錠造粒機輥軸的加工方法: CN103600208A[P]. 2014.

[5] 周明明, 謝鳴生, 杜恩生,等. 一種鉛酸蓄電池的鉛粉生產工藝, CN103785825A[P]. 2014.

[6] 孫翔鴻.全自動免熔鉛制粒機的研制[D].合肥：合肥工業大學,2013.

[7] 劉玉梅.基于PLC技術的電動汽車交流充電系統的研究與實現[D].濟南：山東農業大學,2014.

[8] 薛永風，朱學軍，方贊．基于FX2N一20GM的雙軸步進控制系統設計[J]．組合機床與自動化加工技術，2009(9)：73-77．

[9] 何雪明，吳曉光，常 興．數控技術[M]．武漢：華中科技大學出版社，2006．

[10] 胡孔元, 朱華炳, 曹斌. 基于PLC的港口集裝箱碼頭裝卸模型下位機控制系統設計[J]. 實驗室研究與探索, 2012, 31(4):58-61.

[11] 張 磊.全液壓露天采煤機工作機構設計[D].合肥：安徽理工大學,2014.

[12] 于 穎, 王 玉. 基于S7-300PLC的西門子自動化實驗室[J]. 實驗室研究與探索, 2008, 27(8):264-266.

[13] 安 剛. 淺談宏指令在威倫觸摸屏中的應用[J]. 國內外機電一體化技術, 2008(4):22-24.

[14] 梅幼亞, 姚 毅, 于 洋,等. 基于西門子S7-300與威綸通觸摸屏的換熱站自控系統[J]. 山東工業技術, 2015(13):220-221.

Fully Automatic No-molten Lead Pellet Mill Based on PLC Control

ZHONG Zhiwan

(Deparment of Information Engineering, Mianyang Polytechnic, Mianyang 621000, Sichuan, China)

This article proposes a technology of no-molten manufacture of lead particles aiming at dealing with the high pollution and energy consumption of the domestic lead-acid battery. No-molten lead pellet mill is automatically controlled by PLC and man-machine interface, whose main characters are to collect the parameters from all relevant control points, and centralized optimized dispose through PLC to realize the automatic control from feedstock to discharge. It introduces mainly the design of software and hardware applied in the control system. The software includes the structural principle of the control system, principle of electrical control and the design of PLC control process and the hardware includes the type selection of PLC and model selection of touch screen. Through the practical use of enterprises, it shows that the no-molten lead pellet mill is simple in operation, energy saved, environmental protected and stable in performance.

pellet mill; lead shot; control system

2017-03-07

鐘志萬(1962-)，男，重慶人，碩士，副教授，從事電氣自動化應用教學和研究。

Tel.：18981116688； E-mail：zzw620315@qq.com

TM 911

A

1006-7167(2017)08-0091-04