吳 昊 王亞麗 李文廣 肖永飛 劉成業(yè)

(山東省科學(xué)院自動化研究所，山東 濟南 250014)

0 引言

近幾年，汽車行業(yè)在我國迅猛發(fā)展，汽車的普及率也逐年提高，相應(yīng)地也增加了對車牌半成品的需求。目前國內(nèi)車牌半成品大多采用手工生產(chǎn)或單工位半自動化生產(chǎn)，需要的操作人員較多，勞動強度較大，并且生產(chǎn)質(zhì)量不能保證［1］。隨著自動化技術(shù)的不斷推廣，生產(chǎn)效率的不斷提高，將一些舊的設(shè)備通過改造，變成全自動的生產(chǎn)線勢在必行。通過改造，能對舊設(shè)備加以利用，降低新生產(chǎn)線投入的成本，為企業(yè)減輕負擔(dān)。

在現(xiàn)代工業(yè)控制中，PLC、伺服系統(tǒng)、觸摸屏等綜合應(yīng)用非常廣泛，PLC和變頻器等都具有功能強、可靠性高、使用靈活方便的特點［2］。車牌半成品自動化生產(chǎn)線應(yīng)用PLC和變頻控制技術(shù)，采用集中管理、分布控制的方式。改造完成的生產(chǎn)線實現(xiàn)了由鋁卷材開卷到半成品沖裁整個生產(chǎn)流程的全自動化。系統(tǒng)投入使用后，性能穩(wěn)定、操作方便，大大提高了工作效率，降低了成本。實際應(yīng)用驗證了此控制系統(tǒng)具有很高的實用價值和推廣價值。

1 生產(chǎn)線的系統(tǒng)設(shè)計

1.1 生產(chǎn)線系統(tǒng)構(gòu)成

生產(chǎn)線系統(tǒng)主要包括以下設(shè)備:送料、矯平機→清洗烘干機→覆膜機→伺服送料機→60 t沖床→收料機。此生產(chǎn)線具有高效率、速度快、操作簡單等優(yōu)點，適用于大量生產(chǎn)車牌制作。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線組成及布局圖Fig.1 Conposition and layout of the production line

車牌半成品自動化生產(chǎn)線主要完成的工作是將定制的鋁帶卷在開卷和矯平工位展開、矯平和送料;之后經(jīng)過清洗烘干機進行清洗烘干，此步驟完成后即可對清洗干凈的鋁帶進行覆膜。鋁帶未進入覆膜機前應(yīng)先經(jīng)過糾偏裝置，以保證反光膜與鋁帶能平行前進，保證覆膜的質(zhì)量。最后由伺服送料系統(tǒng)將覆膜完成的鋁帶輸送到60 t的沖壓機上進行沖壓，形成車牌的半成品。在伺服送料的前端也要有糾偏裝置，使鋁帶能保持相同的狀態(tài)進入到?jīng)_床工位，降低廢品率。車牌半成品隨著輸送帶輸送到收集工位，而沖床上加工剩下的鋁帶廢料由自動收料機回收，整個生產(chǎn)線動作結(jié)束。自動廢料收集設(shè)備是根據(jù)傳感器信號以及變頻器來調(diào)節(jié)電機的速度，并且具有拉緊廢鋁帶的功能。

由于本項設(shè)計是在已有設(shè)備的基礎(chǔ)上進行改造的，所以會針對已有設(shè)備的情況進行單臺設(shè)備的改造，并最終組合成全自動生產(chǎn)線。已有設(shè)備為半自動清洗烘干機、半自動覆膜機和半自動沖床，需人工監(jiān)視工作狀況，手動控制電機的啟停。需要外購的設(shè)備為開卷矯平機、沖床前端的伺服送料系統(tǒng)和自動收料機。

1.2 現(xiàn)有設(shè)備的改造

現(xiàn)有設(shè)備均為半自動產(chǎn)品，只能手動控制?，F(xiàn)有設(shè)備的改造包括三部分:清洗烘干機的改造、覆膜機的改造和沖床的改造。下面分別對三臺設(shè)備的改造進行說明。具體的清洗烘干機改造電氣原理如圖2所示。

圖2 清洗烘干機電氣原理圖Fig.2 Electrical schematics of cleaning and drying machines

已有的半自動清洗烘干機由三臺電機來控制整個設(shè)備的工作過程。其中兩臺是同步動作的，電動機通過減速機傳動給驅(qū)動鏈輪軸，驅(qū)動鏈輪軸上的鏈輪帶動輥子轉(zhuǎn)動，輥子再通過摩擦力帶動鋁板向前移動;第三臺電動機則是通過鏈條來帶動加熱的烘干網(wǎng)轉(zhuǎn)動，同時帶動鋁板向前移動［3］。舊設(shè)備不能根據(jù)實際情況自動調(diào)節(jié)清洗速度以及自動啟停，經(jīng)改造后，由一臺變頻器同時控制兩臺電動機的啟動、停止和速度控制。電機不能同步調(diào)節(jié)對電機、機械損傷影響很大［4］。由一臺變頻器控制兩臺電機時，變頻器的額定功率選擇至少為兩臺電機容量總和的1.2倍，并且各電機回路需要有相應(yīng)的過載保護元件。

已有的覆膜機共有兩個主動輥子，其中一個主動輥負責(zé)將反光膜與鋁板壓實，另外一個主動輥負責(zé)將反光膜的廢底紙回收。覆膜機由一臺電機來控制工作過程，電動機通過兩個鏈條減速機將運動分別傳動給覆膜機的兩個主動輥。一個輥子通過摩擦力帶動鋁板向前移動，并將反光膜壓實;另一個輥子通過自身的轉(zhuǎn)動將廢棄底紙回收。該設(shè)備經(jīng)改造后，分為自動和手動兩種操作方式，當(dāng)切換到自動方式時，覆膜機可以根據(jù)前端沖床的工作速度來調(diào)整自己的覆膜速度，由變頻器來控制電動機的啟動、停止和速度調(diào)整。

已有的沖床不能對一個沖壓循環(huán)進行時間控制;不能自動啟動離合器，完全由操作人員手動操作;不能連續(xù)沖壓，只能對一塊半成品車牌進行沖壓。該設(shè)備經(jīng)改造后，在其前端增加了伺服送料系統(tǒng)，送料系統(tǒng)能根據(jù)需求自動調(diào)整送料速度。當(dāng)伺服送料系統(tǒng)完成一個車牌長度的送料操作時，將會給PLC總控制系統(tǒng)發(fā)送一個信號，由PLC總控系統(tǒng)來判斷是否啟動沖床沖壓操作。另外，在沖床上安裝了變頻器，以控制沖床上帶動飛輪的電機速度。

1.3 變頻器的控制

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備;根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的。變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等。變頻節(jié)能電動機使用變頻器的作用就是為了調(diào)速并降低啟動電流。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。變頻器進行無級調(diào)速有其獨特的優(yōu)點:傳動機構(gòu)簡單，設(shè)備體積小;線路簡單，操作方便;電動機啟動平滑，低速傳動平穩(wěn)，過載能力強［5］。

在沒有調(diào)速的系統(tǒng)中，風(fēng)機、水泵在工頻狀態(tài)下全速運行，容易形成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成能源浪費［6］?？刂葡到y(tǒng)以PLC輸出控制變頻器外部端子作多段速切換，以充分利用變頻器的先進功能。這樣的系統(tǒng)安全性高、操作方便、自動化程度高［7］。

在調(diào)試和使用過程中，變頻器的參數(shù)設(shè)定至關(guān)重要。若參數(shù)設(shè)定不當(dāng)，將導(dǎo)致啟動、運行和制動的失敗，或在工作時頻繁跳閘，嚴(yán)重時會燒毀智能功率模塊或其他整流器件等［8］。

確定變頻器容量的主要依據(jù)是輸出電流，其原則為:變頻器的輸出額定電流應(yīng)不小于電機的額定電流，但在連續(xù)的變動負載或斷續(xù)負載中，因電動機允許有短時間的過載，而且這種過載的時間經(jīng)常超過變頻器一般允許的1 min，故應(yīng)考慮選擇變頻器的額定電流不小于電動機運行過程中的最大電流［9］。

1.4 工作節(jié)拍

整個生產(chǎn)線節(jié)拍由沖壓機決定，以沖壓機為分界線，沖壓機的前端設(shè)備自動進行節(jié)拍隨動輸送，沖壓機的后端設(shè)備根據(jù)沖壓機輸出的廢料進行調(diào)速運行。

設(shè)備自動運行時，沖壓機處于連沖模式。在每個沖壓循環(huán)中，伺服送料機構(gòu)輸送440 mm(一個車牌長度，可微調(diào))，若以6 s生產(chǎn)一個車牌計算，則生產(chǎn)速度為4.4 m/min。沖壓機前端的覆膜機和沖壓機之間有過渡橋，覆膜機根據(jù)過渡橋的信號來控制自身電機的啟動、停止和調(diào)速，進而調(diào)整所供應(yīng)的鋁板的數(shù)量;覆膜機前端的清洗機和覆膜機之間也有過渡橋，清洗機和覆膜機之間的動作也是通過過渡橋的信號來達到協(xié)調(diào)統(tǒng)一;開卷矯平機與清洗機之間亦是通過過渡橋來實現(xiàn)信號之間的傳遞;沖壓機后端的廢料回收機根據(jù)過渡橋的信號來收集廢料。最終整個系統(tǒng)均以同樣的速度運行，并且受PLC中央控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制，不會出現(xiàn)送料不及時或板料堆積的情況。

2 生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)配有操作臺，單元操作面板上有上電按鈕、自動運行和急停按鈕等，上電后可對系統(tǒng)進行整體控制。整個控制系統(tǒng)主要分為人機界面、PLC、變頻器和信號采集系統(tǒng)等。

整套控制系統(tǒng)的人機界面、PLC和變頻器等主要設(shè)備均采用臺達的相應(yīng)產(chǎn)品，人機界面和PLC等安裝在總控制柜上，而變頻器則安裝在相應(yīng)設(shè)備的獨立控制箱里。操作人員在人機界面上對系統(tǒng)的運行參數(shù)進行設(shè)定。觸摸屏操作界面分手動操作、自動操作、故障復(fù)位、參數(shù)設(shè)置、I/O狀態(tài)顯示、報警信息顯示、事件消息顯示和生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示等。通過觸摸屏，操作人員能夠快速對設(shè)備進行操作，可以實時、直觀地監(jiān)控設(shè)備的生產(chǎn)情況。當(dāng)把參數(shù)設(shè)定完成之后，即可把各設(shè)備切換到自動檔位，等待由PLC總控系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)各設(shè)備的動作。該控制系統(tǒng)采用臺達DVP-SS2系列PLC作為全自動生產(chǎn)線核心控制單元。PLC通過信號采集系統(tǒng)對整個系統(tǒng)的信號進行收集和邏輯處理，最終形成一些指令并分發(fā)給各個設(shè)備，使整套系統(tǒng)完成全自動的、協(xié)調(diào)的生產(chǎn)。

3 系統(tǒng)的軟件組成

在進行軟件設(shè)計之前，需要考慮整個控制系統(tǒng)功能執(zhí)行過程和通信過程。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由兩部分組成:①觸摸屏，用于實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)和報警信息的顯示，以及操作人員對整個控制系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定和修改;②PLC，它是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和處理的中心，主要功能是數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、報警判斷、輸出顯示和整套系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。

3.1 觸摸屏的組態(tài)

觸摸屏的整個組態(tài)工作主要包括工作流程區(qū)域、設(shè)備狀態(tài)區(qū)域和報警處理區(qū)域等設(shè)計，以及各種操作按鈕、顯示畫面和功能鍵的實現(xiàn)等［10］。觸摸屏的變量輸入、信息顯示和操作畫面的定義等操作功能，由臺達公司的Screen Editor組態(tài)軟件來完成。

全局變量帶有PLC鏈接，是實現(xiàn)觸摸屏和PLC之間數(shù)據(jù)交互通信的聯(lián)系紐帶，它在PLC上占據(jù)一個已定義的存儲器地址，用戶可以在操作器單元上對該地址的變量進行讀寫訪問。

3.2 PLC 程序設(shè)計

傳感器和伺服系統(tǒng)屬于檢測和執(zhí)行部分，它們實時采集各種需要的信號并傳入PLC，同時將PLC輸出的數(shù)字信號或模擬信號轉(zhuǎn)換成傳感器和伺服系統(tǒng)的操作。本系統(tǒng)采用臺達的配套編程工具WPLSoft 2.20，完成CPU的硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、編程、測試和調(diào)試。

PLC主要完成以下幾個控制任務(wù):①通過傳感器采集底層設(shè)備狀態(tài)，實時監(jiān)控整個系統(tǒng)的狀態(tài);②根據(jù)傳感器上傳的設(shè)備狀態(tài)，協(xié)調(diào)各設(shè)備的動作順序，通過變頻器控制底層設(shè)備，進行正確的啟動與停止過程控制;③與觸摸屏的實時交互操作。

4 結(jié)束語

在實際使用過程中，車牌半成品自動化生產(chǎn)線工作穩(wěn)定可靠、編程功能強大且易于修改維護。對于車牌的尺寸，在基于伺服送料的自動控制系統(tǒng)作用下，可以任意調(diào)節(jié)車牌長度，適合不同型號的產(chǎn)品，滿足了預(yù)期的效果。經(jīng)具體生產(chǎn)過程驗證，在車牌半成品自動化生產(chǎn)線上安裝PLC和變頻器，提高了車牌生產(chǎn)效率，方便了現(xiàn)場操作人員的人工操作，減少了生產(chǎn)人員投入，降低了生產(chǎn)線的耗電量，達到了節(jié)能的作用?；谂_達PLC和變頻器的自動控制系統(tǒng)，具有人機界面友好、維護方便、成本投入低的優(yōu)點，對車牌半成品的生產(chǎn)產(chǎn)生了較大的社會效益和經(jīng)濟效益。

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