張航，徐明剛，羅學(xué)科

（北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

隨著能源問題的日益嚴(yán)峻，現(xiàn)在城鄉(xiāng)建筑對(duì)節(jié)能玻璃的應(yīng)用量與日俱增。中空玻璃是在兩塊或多塊玻璃之間加上充滿分子篩作為干燥劑的鋁隔條，經(jīng)壓合、涂膠密封而成的一種節(jié)能玻璃。

合片機(jī)是將兩塊或者多塊玻璃和中間裝有干燥劑分子篩的鋁隔條壓合在一起，并在中間填充氮?dú)饣蛘咂渌栊詺怏w，形成單腔或者多腔中空玻璃的設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)中空玻璃合片機(jī)還處于起步階段，較先進(jìn)的即為自動(dòng)壓合手動(dòng)充氣的合片機(jī)，在中空玻璃合片工藝中不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。在國(guó)外，李塞克、百超等少數(shù)幾家公司的中空玻璃合片機(jī)已經(jīng)達(dá)到工藝過程全自動(dòng)的生產(chǎn)水平。但價(jià)格昂貴，給中空玻璃的生產(chǎn)帶來了較大的成本壓力。

全自動(dòng)中空玻璃合片機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，控制點(diǎn)的數(shù)目眾多并且分散，給控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、施工等增加困難。Profibus通信模式采用數(shù)字化通訊，是可以在控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)雙向、多點(diǎn)多站以及多變量的開放式的通信模式。Profibus-DP在保證控制信號(hào)準(zhǔn)確信的同時(shí)，減少了大量的設(shè)計(jì)和施工的工作［1］。本系統(tǒng)在各站點(diǎn)之間采用Profibus通信模式，實(shí)現(xiàn)了主站與從站之間的雙向通訊，解決了控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、施工復(fù)雜的困難。

1 合片機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)備的功能分析

中空玻璃合片機(jī)的功能，可以從它的三個(gè)主要部分進(jìn)行分析:玻璃輸入段、壓合段和玻璃輸出段。

玻璃輸入段，主要實(shí)現(xiàn)玻璃的輸入，并且在其輸入過程中，完成鋁隔條上框、玻璃幾何尺寸檢測(cè)以及兩塊或者多塊玻璃輸入的邏輯控制。

玻璃壓合段，實(shí)現(xiàn)中空玻璃壓合過程中各種大小玻璃的壓力控制、惰性氣體的填充控制、惰性氣體濃度的檢測(cè)、根據(jù)玻璃的不同尺寸對(duì)吸盤動(dòng)作的控制、板壓過程結(jié)束以后將玻璃平穩(wěn)輸出板壓段。玻璃壓合段是中空玻璃合片機(jī)的重要部分。

玻璃輸出段，主要是將板壓結(jié)束的玻璃輸出，并傳送給涂膠工序。這過程要求玻璃輸出平穩(wěn)，并且根據(jù)傳感器信號(hào)判斷玻璃的輸出及停止過程。合理設(shè)計(jì)玻璃輸出段，既可以提高玻璃傳輸?shù)姆€(wěn)定性，也能提高涂膠工序的效益和質(zhì)量。

1.2 合片機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

根據(jù)玻璃合片機(jī)的功能，機(jī)械結(jié)構(gòu)也主要分為輸入段、板壓段以及輸出段三個(gè)部分，如圖1所示:

圖1 合片機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)位置示意圖

玻璃合片機(jī)機(jī)械部分，其特點(diǎn)可以歸結(jié)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，對(duì)其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制有一定難度。圖2即為合片機(jī)的整個(gè)機(jī)械部分的實(shí)物圖:

圖2 中空玻璃合片機(jī)實(shí)物圖

2 典型板壓工藝分析

根據(jù)玻璃腔數(shù)的不同和腔內(nèi)填充氣體的不同，各種中空玻璃和片工藝過程各異。單腔惰性氣體中空玻璃的合片工藝是最具代表意義的典型中空玻璃合片工藝。其工藝過程如圖3所示:

圖3 合片流程圖

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件平臺(tái)

具有充氣功能的中空玻璃合片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用上位機(jī)和下位機(jī)結(jié)合的方式。工控機(jī)為上位機(jī)，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的操作和程序的載入、調(diào)試?；赑rofibus-DP總線模式的西門子S-300系列PLC為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的各種功能。

在控制系統(tǒng)中，硬件部分分為一個(gè)主站系統(tǒng)和三個(gè)從站子系統(tǒng)，各站之間通過Profibus-DP總線實(shí)現(xiàn)通訊。其中主站完成板壓機(jī)后片的板壓工作、控制玻璃在板壓過程中的定位工作;輸入段從站邏輯控制玻璃的輸入輸出，完成玻璃幾何尺寸的檢測(cè);前片控制從站完成惰性氣體充氣及板壓輔助工作;供氣系統(tǒng)控制從站完成惰性氣體氣體輸入的控制工作。

其硬件方案框圖如圖4所示。

圖4 硬件控制方案框圖

3.2 控制系統(tǒng)的主站

具有充氣功能中空玻璃合片機(jī)控制系統(tǒng)的主站，主要是控制合片機(jī)的后片，完成玻璃合片時(shí)的壓力控制及輔助動(dòng)作控制。在玻璃和片的壓合過程中，壓力通過伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的機(jī)構(gòu)提供，其玻璃合片的力是根據(jù)幾何尺寸變化的［2］。

合片壓力由伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的板壓機(jī)構(gòu)提供。伺服電動(dòng)機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩模式下，通過模擬量輸出模塊提供的電壓控制電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。伺服驅(qū)動(dòng)器接口接線圖如圖5所示:控制板壓的伺服電動(dòng)機(jī)通過PLC的DO控制伺服驅(qū)動(dòng)器的伺服及模式輸入，驅(qū)動(dòng)器再將伺服報(bào)警返回給PLC。控制轉(zhuǎn)矩的模擬量由西門子PLC的AI模塊提供。

圖5 伺服驅(qū)動(dòng)器接線圖

在板壓過程中，精準(zhǔn)的板壓位置使用伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，使用西門子FM354定位模塊控制伺服電動(dòng)機(jī)。FM354定位模塊控制伺服電動(dòng)機(jī)控制原理框圖如圖6所示:

圖6 伺服控制原理框圖

首先PLC向FM354定位模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令，使之進(jìn)入工作，F(xiàn)M354接到指令以后，根據(jù)指令執(zhí)行工作，向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)，同時(shí)向PLC返回相關(guān)的執(zhí)行信息。伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)FM354的信號(hào)，向伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)出工作指令信號(hào)，同時(shí)向FM354返回信息，向PLC CPU返回報(bào)警信息，使驅(qū)動(dòng)器、FM354和PLC之間形成閉環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)器向伺服電動(dòng)機(jī)輸出工作電壓，同時(shí)通過增量式編碼器向驅(qū)動(dòng)器返回脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器與電動(dòng)機(jī)之間形成閉環(huán)控制。

主站主要完成壓力控制和玻璃定位控制，此外，CPU通過DO/DI對(duì)玻璃的吸盤和惰性氣體充氣過程進(jìn)行邏輯控制。

3.3 控制系統(tǒng)中的輸入段從站

輸入段從站控制玻璃的輸入輸出，以及在輸入過程中完成玻璃幾何尺寸的測(cè)量。

玻璃的輸入輸出都是用交流異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鏈輪，通過傳輸帶傳輸?shù)?。交流異步電?dòng)機(jī)使用西門子MM440變頻器驅(qū)動(dòng)，MM440變頻器直接連接西門子從站模塊IM153，與 PLC之間通過PROFIBUS-DP總線實(shí)現(xiàn)通訊?？刂圃砜驁D如圖7所示。

圖7 交流異步電動(dòng)機(jī)控制框圖

輸入段除了完成玻璃的傳輸以外，還需要完成玻璃厚度、寬度和長(zhǎng)度等幾何尺寸的檢測(cè)［3］。

玻璃厚度的測(cè)量，通過電動(dòng)推桿來測(cè)量，電子推桿根據(jù)電阻變化輸出一個(gè)電壓值。通過標(biāo)定、計(jì)算，可以方便的出玻璃的厚度。

為提高可靠性，本系統(tǒng)通過三個(gè)傳感器配合玻璃的運(yùn)動(dòng)來測(cè)量玻璃的寬度尺寸。

如圖8所示，傳送帶上的玻璃片以一定的速度v前行，后支持板上裝有3個(gè)光電傳感器。玻璃片通過到達(dá)和離開，觸發(fā)光電傳感器，根據(jù)光電傳感器的信號(hào)進(jìn)行計(jì)時(shí)，測(cè)出玻璃的寬度D。

圖8 板壓機(jī)輸入段傳感器示意圖

通過測(cè)量得出第三個(gè)傳感器S1，S2和S3之間的距離D1，D2和D3=D1+D2。當(dāng)玻璃到達(dá)S1時(shí)，傳感器信號(hào)觸發(fā)PLC內(nèi)部計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，到達(dá)S2處，記錄期間的時(shí)間t1。同理記錄玻璃從S2到S3的時(shí)間t2，S1到S3之間的時(shí)間t3。于是可以分別得出玻璃通過S1S2之間、S2S3和 S1S3 的平均速度 v1，v2，v3。

當(dāng)玻璃到達(dá)傳感器S1時(shí)，傳感器信號(hào)觸發(fā)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí);當(dāng)玻璃末端離開傳感器S1時(shí)，結(jié)束計(jì)時(shí)并且返回時(shí)間值。從而可以得到玻璃邊沿從到達(dá)S1到離開S1的時(shí)間t1。同樣得到玻璃邊沿從到達(dá)S2，S3到離開S2，S3的時(shí)間t2，t3。則平均時(shí)間為:

于是，玻璃寬度尺寸為:

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件平臺(tái)主要包括使用西門子S7-300系列PLC配套的編程軟件Step7組態(tài)、控制系統(tǒng)通訊的建立和梯形圖編程三個(gè)部分。

硬件組態(tài)如圖9所示，本系統(tǒng)包括一個(gè)主站，三個(gè)從站。上位機(jī)與主站，主站與從站之間通過Profibus-DP通訊。

圖9 軟件組態(tài)圖

通過正確建立通訊和組態(tài)，根據(jù)合片機(jī)工作工藝，很容易調(diào)用工功能模塊和編寫梯形圖，完成復(fù)雜的程序編寫。本系統(tǒng)中調(diào)用的功能模塊如圖10所示。

圖10 軟件中調(diào)用的功能模塊

5 實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過對(duì)基于西門子PLC S7300及Profibus-DP總線模式的立式中空玻璃自動(dòng)合片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試并試生產(chǎn)運(yùn)行，該設(shè)備進(jìn)入工作后運(yùn)作正常，符合預(yù)期要求。經(jīng)檢測(cè)，生產(chǎn)的出來的中空玻璃符合要求。圖11為部分合片后的中空玻璃。

圖11 合片后的中空玻璃

6 結(jié)束語

通過對(duì)中空玻璃合片工藝的研究，開發(fā)了基于西門子PLC S7300及Profibus-DP總線模式的立式中空玻璃自動(dòng)合片機(jī)控制系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試，作者研究開發(fā)的中空玻璃合片機(jī)控制系統(tǒng)很好地達(dá)到了生產(chǎn)的要求，滿足了工業(yè)自動(dòng)化控制的需要。較大程度上減少了合片機(jī)的成本，在中空玻璃板壓的質(zhì)量和效率方面都達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品的水平。

［1］董明.基于PROFIBUS-DP總線和$7300的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011，（4）:134-136.

［2］全國(guó)建筑用玻璃標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T.11944-2002中空玻璃國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［3］ Peter Lisec.PROCESS FOR ASSEMBLY OF INSULATION GLASS PANES WITH INTERIOR FILLED WITH A HEAVY GAS［P］.United States Patent:US005676782A.1999.