張繼紅，吳振奎，李含善

（1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，包頭 014010）

0 引言

產(chǎn)品加工過程的自動化是實現(xiàn)產(chǎn)品高質(zhì)量、生產(chǎn)高效率的重要措施，也是減輕工人勞動強度、降低工人技術(shù)等級要求的有效方法[1]。然而，工業(yè)現(xiàn)場類似鋼錠模型加工的中小企業(yè)，大多數(shù)的加工過程仍是一種半自動化或純手動的控制方式。對高質(zhì)量產(chǎn)品的加工主要依靠具有多年操作經(jīng)驗的熟練工人或高級技工來完成。盡管如此，還有個別產(chǎn)品零部件的加工不能滿足設(shè)計指標要求。從而造成物質(zhì)上的損失和經(jīng)濟上的浪費。相反，經(jīng)數(shù)字化處理的控制系統(tǒng)，可以充分利用計算機的快速檢測，精確計算等優(yōu)點，很容易實現(xiàn)對整個加工過程的檢測與控制。由于采用計算機智能控制技術(shù)，因而使鋼錠模型的定位、切割、稱重、焊接、成品檢測等均在程序中預(yù)先精確設(shè)定，從而實現(xiàn)了高效率、高精度的自動化生產(chǎn)模式。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1 工作原理

鋼錠模型的生產(chǎn)流程由送鋼、定位、切割、稱重、焊接及成品檢測六部分組成。送鋼是由送料小車前后移動來實現(xiàn)，當鋼錠移動到合適位置時，限位開關(guān)動作，這樣，送鋼得以實現(xiàn)。定位功能是通過傳送帶的移動、配合光電傳感器實現(xiàn)定位，主要為下一步的剪切工作作好準備。剪切部分是通過超聲波傳感器測定長度，當通過剪切臺移動使鋼錠達到預(yù)先設(shè)定長度時，剪切小車動作，將鋼錠剪切成指定的長度，然后旋轉(zhuǎn)剪切臺，再剪切寬度。焊接部分是將四個夾口分別焊在鋼錠的四周，以滿足工藝要求。因為該產(chǎn)品主要用于軍工裝備配套部件，所以本設(shè)計中還采用紅外探傷技術(shù)來檢測焊接處及鋼質(zhì)是否有缺陷；稱重是再一次校驗產(chǎn)品的合格性手段，是紅外線探傷的一種補充。檢驗過程中如果不滿足設(shè)計要求則報警提示，并將檢測的正常數(shù)據(jù)或報警信息上傳到集控室供設(shè)計者分析、處理。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)中央處理單元選用OMRON公司CPM2AH-20CDR-A型 PLC，它是一種結(jié)構(gòu)緊湊、高速存取信息的可編程控制器。在一較小單元內(nèi)綜合有各種功能：包括模擬量/數(shù)字量輸入、輸出、同步脈沖控制、中斷輸入、時鐘以及通信功能等。本機含有12點+24V輸入和8點繼電器輸出端，同時帶有一個 RS232C物理接口和一個外圍接口，使用這兩個接口都可以與上位工控機或帶DB9/RS232串行口設(shè)備相連，實現(xiàn)通信功能。

集控室上位機選用臺灣研華生產(chǎn)工控機，該機性能良好，抗干擾能力較強。顯示軟件選用北京亞控公司組態(tài)王6.52，它的特點是選擇與之配套設(shè)備類型豐富，接口兼容性好。這樣，對于鋼錠模型的加工控制除了現(xiàn)場手動操作外還可以實現(xiàn)自動控制。一般情況下均工作在自動控制狀態(tài)下，手動操作僅作為備用或在作特殊調(diào)試功能處使用。

圖2 控制系統(tǒng)工藝軟件流程圖

此外，本系統(tǒng)還擴展了數(shù)字量輸入模塊1塊。主要功能為實現(xiàn)系統(tǒng)正常啟動、正常停車、復(fù)位以及緊急停車、送料到位、定位以及成品是否合格等信號的輸入。模擬量輸出模塊2塊，功能為實現(xiàn)剪切時的長度計量和稱重功能。系統(tǒng)具體硬件設(shè)計如圖1所示，圖1中CPM2AH為中央處理單元， CON1為編程與通信電纜，20EDR-1、AD041-1、AD41-2分別為數(shù)字量輸入與模擬量輸入擴展模塊。A/H為自動與手動切換信號。CSI、WSD、FSD分別為系統(tǒng)控制信號輸入、工作狀態(tài)顯示和故障狀態(tài)顯示。DSI1、ASI1、ASI2分別為其它數(shù)字信號輸入、模擬信號輸入1和模擬信號輸入2。

3 軟件設(shè)計

3.1 初始化及主程序

系統(tǒng)上電后，PLC在第一個掃描周期內(nèi)分別對工作參數(shù)、時鐘中斷、計數(shù)器、定時器以及對于通信端口進行初始化。主程序的功能為循環(huán)掃描數(shù)字量輸入信號、模擬量輸入信號以及調(diào)用子程序等。設(shè)備啟動后，首先選擇控制方式為自動/手動，如果選擇自動，則PLC根據(jù)預(yù)先設(shè)定模型尺寸移動鋼錠位置，然后進行剪切操作，最后檢驗產(chǎn)品是否合格，若檢驗產(chǎn)品不合格則要報警顯示。相反，如果選擇手動操作，則PLC將接受現(xiàn)場工人的操作指令，按照操作指令對鋼錠進行處理以滿足設(shè)計要求。一般情況下，手動控制僅僅是對鋼錠的簡單處理、精度要求不是很高的場合，主要依靠熟練的或具有多年工作經(jīng)驗的操作工完成，顯然這種控制模式運行效率不會很高。鋼錠模型工藝控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖2所示。

3.2 故障檢測程序

工程實踐表明，可編程邏輯控制器的外部輸入、輸出元件（如限位開關(guān)、接觸器）的故障率遠遠高于可編程邏輯控制器本身的故障率，而這些元件故障后，控制器一般不能覺察，也不會自動停機，這樣可能使故障范圍擴大，直到強電保護裝置動作后停機，有時甚至可能引起設(shè)備損壞或人身傷害。為及時發(fā)現(xiàn)和查找故障，提高維修效率，特別地在軟件中設(shè)置故障檢測程序。

1）超時檢測：控制系統(tǒng)在各自工步的動作所需時間幾乎是不變的，以此時間值為參考，在控制器發(fā)出信號后計時，若在此工步的時間允許范圍內(nèi)沒有收到結(jié)束信號，則控制器停止正常的循環(huán)程序，啟動報警和故障顯示程序，使工作人員和維修人員能夠快速判別故障種類并及時采取解決措施。

2）邏輯錯誤檢測：系統(tǒng)正常運行時，控制器的輸入、輸出信號和內(nèi)部信號之間存在著確定的關(guān)系，若出現(xiàn)異常的邏輯信號，則說明出現(xiàn)了故障。例如在切割與焊接的啟動過程中有一定順序邏輯，不可能同時為高電平。因此，在程序的設(shè)計時充分考慮了系統(tǒng)的邏輯關(guān)系與錯誤檢測，盡可能地保證系統(tǒng)工作的有序性與合理性。

4 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

硬件方面：對PLC及擴展模塊進行了電源凈化處理、通信線纜采用雙絞屏蔽線，同時還對系統(tǒng)的接地進行了相應(yīng)的處理。

軟件方面：

1）延時確認功能：一般情況下，對于數(shù)字量輸入信號，可采用軟件延時25ms，同一信號作兩次讀入才認為是有效的。

2）屏蔽干擾功能：對于系統(tǒng)中預(yù)知的控制電機和電磁鐵動作，往往伴有干擾信號產(chǎn)生，可能使控制器誤動作，在此期間可采用延長2s的辦法，躲過干擾易發(fā)期，從而達到屏蔽的效果。

3）濾波處理功能：控制器對模擬量的采集信號進行了相應(yīng)的濾波處理。例如，對鋼錠尺寸定位、稱重等數(shù)據(jù)的采集進行了“求平均”、“去極值”等處理措施，從而有效保證了數(shù)據(jù)的可靠性與真實性。

5 結(jié)論

鋼錠模型控制系統(tǒng)已于2010年初調(diào)試完備并成功應(yīng)用于內(nèi)蒙古某機加工車間，經(jīng)數(shù)月試運行得出如下結(jié)論：

采用性價比較高的OMRON公司PLC作為中央處理單元，并設(shè)計了控制器硬件和軟件兩方面的抗干擾措施，因而數(shù)據(jù)采集準確可靠，系統(tǒng)運行性能優(yōu)良；該設(shè)備兼有手動操作和自動控制兩種方式，大大提高了系統(tǒng)的可操控性與靈活性；系統(tǒng)的失誤操作或運行故障均設(shè)置提示用語和報警信息，有效縮短了查找和排除故障時間，提高了效率；設(shè)計中采用的紅外探傷與稱重校驗，是對鋼錠質(zhì)量的再一次全面檢測，從而更進一步保證了該系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量；試運行的結(jié)果證實了方案的正確性、合理性與可行性，具有推廣應(yīng)用價值。

[1] 張繼紅,張江紅.8031單片機在C616車床改造中的應(yīng)用[J].機械工程與自動化,2006(5):94-95.

[2] OMRON COMPANY.CPM1/CPM1A/CPM2A/CPM2AH/CPM2C/SRM1(-V2) PLC.MANUAL,2003,12.

[3] SIEMENS SIMATIC S7-200 PLC MANUAL.2010.

[4] 殷洪義.可編程序控制器選擇設(shè)計與維護[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[5] 宮淑貞,王冬青,徐世許.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2002.