基于PLC網(wǎng)絡(luò)的苯板插絲機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

胡俊宏，陳 偉，張?zhí)爝t，李珊珊，席春芳，李大軍

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870；2.沈陽嘉和節(jié)能保溫科技有限公司，沈陽 110101）

0 引言

裝配式建筑是近年來興起的新型建筑模式，先將預(yù)配構(gòu)件在工廠中制作完成，然后將其運(yùn)送至施工現(xiàn)場實(shí)施現(xiàn)場裝配[1-2]。鋼絲網(wǎng)插絲苯板是現(xiàn)階段裝配式建筑預(yù)制外墻保溫系統(tǒng)中的重要組成部分，與預(yù)制面層共同組成預(yù)制保溫板，在工廠中完成預(yù)制，在施工現(xiàn)場進(jìn)行安裝[3]。鋼絲網(wǎng)板主要由鋼絲網(wǎng)、插絲和苯板組成。傳統(tǒng)的鋼絲網(wǎng)插絲苯板生產(chǎn)主要通過人工完成的，通過人工將插絲插透苯板，將苯板兩側(cè)鋼絲網(wǎng)與苯板通過插絲焊接在一起，完成苯板的生產(chǎn)[4]。通常情況下，每塊苯板面積較大，需要的插絲較多，故人工焊接時間較長，在需求量較大時，會影響工期。近年來，一些規(guī)模較大的鋼絲網(wǎng)插絲苯板制作工廠為提高企業(yè)生產(chǎn)效率，開始投入資金研制自動化生產(chǎn)設(shè)備。因此，市場上出現(xiàn)了較多的鋼絲網(wǎng)插絲苯板制作設(shè)備。但通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該類設(shè)備自動化程度較差，且插絲成功率較低，生產(chǎn)質(zhì)量不夠理想。

為有效提高設(shè)備自動化程度和插絲成功率，提高鋼絲網(wǎng)插絲苯板生產(chǎn)質(zhì)量，本文通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計，提高設(shè)備精度，保證插絲成功率，并采用PLC 網(wǎng)絡(luò)控制，有效提高插絲機(jī)自動化程度。實(shí)現(xiàn)鋼絲網(wǎng)插絲苯板的安全、穩(wěn)定、高效的自動化生產(chǎn)。

1 苯板插絲機(jī)

苯板插絲機(jī)主要用于建筑外墻保溫材料的制作，主要將2片鋼絲網(wǎng)通過與苯板完成插絲焊接的方式進(jìn)行固定。總體分為送料機(jī)構(gòu)、插絲機(jī)構(gòu)、焊接機(jī)構(gòu)、出料機(jī)構(gòu)以及自動控制系統(tǒng)。送料機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)機(jī)構(gòu)1、步進(jìn)機(jī)構(gòu)4和送板裝置組成。插絲機(jī)構(gòu)主要由插絲機(jī)1和插絲機(jī)2組成。焊機(jī)機(jī)構(gòu)主要由焊機(jī)1、焊機(jī)2、焊機(jī)3、焊機(jī)4組成。出料機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)機(jī)構(gòu)1 與步進(jìn)機(jī)構(gòu)3 和步進(jìn)機(jī)構(gòu)2 與步進(jìn)機(jī)構(gòu)4 兩兩同步并行組成，三維設(shè)計圖如圖1所示。

工藝過程：將2 片鋼絲網(wǎng)分別掛至兩側(cè)夾網(wǎng)支撐架上，將苯板放于苯板導(dǎo)軌上，通過步進(jìn)機(jī)構(gòu)1、步進(jìn)機(jī)構(gòu)4和送板裝置同步將鋼絲網(wǎng)和苯板送至插絲焊接區(qū)；插絲機(jī)進(jìn)行插管、插絲工作，將插絲插透苯板，并使插絲與兩側(cè)網(wǎng)格接觸，準(zhǔn)備焊接；由焊接機(jī)構(gòu)通過焊夾將插絲與鋼絲網(wǎng)夾緊，并進(jìn)行焊接，使鋼絲網(wǎng)與苯板固定；完成一次焊接后，送料機(jī)構(gòu)繼續(xù)將網(wǎng)和苯板同步進(jìn)給一次，繼續(xù)進(jìn)行插絲和焊接的工作；反復(fù)循環(huán)以上步驟，直至網(wǎng)與苯板完成全部固定。最后由出料機(jī)構(gòu)通過2 個鉤網(wǎng)裝置將加工完成的苯板鉤出。工藝過程如圖2所示。

圖1 插絲機(jī)三維設(shè)計圖

圖2 插絲機(jī)工藝過程

2 插絲機(jī)控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)需要完成9臺伺服電機(jī)、2臺步進(jìn)電機(jī)、52組氣缸和4 組焊機(jī)的控制工作。PLC 選擇歐姆龍CP1H，該類型PLC可控制4臺伺服電機(jī)，因此需要3臺PLC連接成網(wǎng)絡(luò)對插絲機(jī)的控制，該系列PLC 可滿足本設(shè)備的控制要求，功能較強(qiáng)且性價比較高。因需要3臺PLC之間完成相關(guān)數(shù)據(jù)共享，所以選擇PC Link協(xié)議完成3臺PLC的網(wǎng)絡(luò)通信。另外采用觸摸屏與PLC 主站通過以太網(wǎng)連接，由此實(shí)現(xiàn)觸摸屏對整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制，如圖3所示。

3 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

3.1 PLC系統(tǒng)設(shè)定

為實(shí)現(xiàn)各PLC 間的數(shù)據(jù)共享，需要對主站和各從站的CPU單元完成相應(yīng)的PLC設(shè)定。

主站設(shè)定：通過CX-Programmer 軟件對PLC 設(shè)定中的串口1中的各項(xiàng)進(jìn)行設(shè)定，將通信設(shè)置設(shè)定為“定制”，波特率選擇“19200”，格式選擇“7，2，E”；在模式選項(xiàng)中選擇“PC Link（主站）”；PC 鏈接模式選擇“全體”，即全站鏈接方式；NT/PC鏈接最大設(shè)定為1。

圖3 控制系統(tǒng)組成

在從站設(shè)定中，通信設(shè)置設(shè)定方式、波特率及格式需要與主站相同，模式選擇“PC Link（從站）”；PC 鏈接單元設(shè)定為從站號，從站0設(shè)定為0，從站1設(shè)定為1[5-6]。

3.2 控制網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及鏈接方式的選擇

通信網(wǎng)絡(luò)類型選擇PC Link 網(wǎng)，可對多臺PLC建立數(shù)據(jù)鏈接，實(shí)現(xiàn)多臺PLC 的數(shù)據(jù)共享功能，但數(shù)據(jù)容量較小。PLC的數(shù)據(jù)鏈接方式選擇RS-422A/485 選件板，使用通信線纜進(jìn)行連接。數(shù)據(jù)的更新方式選擇全站鏈接方式，無論是主站還是從站，均可反應(yīng)所有站的數(shù)據(jù)[7-8]。

3.3 程序設(shè)計

3.3.1 多臺伺服電機(jī)同步程序設(shè)計

在控制系統(tǒng)程序設(shè)計中，送料機(jī)構(gòu)、出料機(jī)構(gòu)和插絲機(jī)構(gòu)均需要實(shí)現(xiàn)2 臺伺服電機(jī)同步動作。在程序試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主站向2 個從站發(fā)出同步動作指令后，2 臺伺服電機(jī)無法達(dá)到同步運(yùn)動。為保證同步運(yùn)行，將主站同步指令持續(xù)20 ms，經(jīng)過延時處理后，2臺伺服電機(jī)可實(shí)現(xiàn)同步動作。

3.3.2 伺服電機(jī)啟動、停止程序設(shè)計

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為防止由于電機(jī)急啟急停對機(jī)構(gòu)造成較大沖擊，影響設(shè)備使用壽命。因此，在伺服電機(jī)運(yùn)動程序的設(shè)計中，需對電機(jī)的啟動和停止進(jìn)行設(shè)計，利用PLS2指令使電機(jī)勻速啟動和停止，由此減小對設(shè)備的沖擊，普通3 m板生產(chǎn)時間為165.2 s。各伺服電機(jī)運(yùn)動過程中脈沖頻率變化如圖4 所示，各伺服電機(jī)PLS2 指令參數(shù)設(shè)計如表1所示。

圖4 伺服電機(jī)脈沖頻率設(shè)計

表1 各電機(jī)控制程序參數(shù)

根據(jù)苯板插絲機(jī)的工作流程進(jìn)行程序的設(shè)計與編寫，系統(tǒng)程序總體上分為兩個部分，分別為手動程序和自動程序。苯板插絲機(jī)程序設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 苯板插絲機(jī)程序設(shè)計流程圖

手動程序主要用于設(shè)備的調(diào)試和設(shè)備故障情況下的單步動作。在設(shè)備的前期調(diào)試過程中，由于對設(shè)備運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)仍為確定，需要通過手動程序進(jìn)行單步運(yùn)動，通過單步運(yùn)動效果來確定設(shè)備自動運(yùn)行所需的參數(shù)。另外，在設(shè)備的自動運(yùn)行過程中，可能會由于某些因素的影響而導(dǎo)致設(shè)備的被迫停止，在故障排除后，需要通過手動程序?qū)⒛承C(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位，使設(shè)備恢復(fù)正常的工作。

自動程序主要用于苯板插絲機(jī)的正常運(yùn)行。在前期調(diào)試結(jié)束后，系統(tǒng)運(yùn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)確定后，設(shè)備可通過自動程序進(jìn)行苯板插絲工作。

4 結(jié)束語

在苯板插絲機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計中，根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、動作及精度等方面的要求，綜合考慮選擇了RS-422A/485 選件板，并通過PC Link 通信模式完成苯板插絲機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制。在1 100 次自動生產(chǎn)試驗(yàn)中，插絲機(jī)正常運(yùn)行率為91.09%，不停機(jī)故障率為7.64%，停機(jī)故障率為1.27%，綜合得出如下結(jié)論。

（1）通過20 ms 網(wǎng)絡(luò)延時同步設(shè)計，使插絲機(jī)鉤網(wǎng)電機(jī)、送板電機(jī)達(dá)到同步的目的，實(shí)現(xiàn)了兩側(cè)鋼絲網(wǎng)和苯板的同步進(jìn)給。

（2）在伺服電機(jī)工作中，通過電機(jī)啟動、停止速度的控制，減少了電機(jī)急啟、急停對設(shè)備造成的沖擊，有效延長設(shè)備使用壽命。

（3）通過科學(xué)合理的程序設(shè)計，優(yōu)化了設(shè)備的插絲工藝過程，有效縮短苯板加工時間，使苯板插絲機(jī)的工作效率得到有效提升。

（4）通過對伺服電機(jī)工作曲線的控制，平緩了插絲的運(yùn)行過程，保證了插絲機(jī)的插絲成功率，使插絲機(jī)故障停機(jī)率得到有效控制。