王丹丹

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

液壓剪切機(jī)是一種對(duì)廢舊鋼材進(jìn)行處理的重要機(jī)器，整機(jī)由剪切機(jī)部分、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和控制臺(tái)3部分組成。用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)作為能源來(lái)剪切大型廢舊鋼材，相對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)來(lái)說(shuō)不僅能夠傳遞更大的動(dòng)力而且磨損較小。剪切機(jī)日常使用時(shí)是以操作臺(tái)手動(dòng)控制為主，為避免剪切能力不足、油壓過(guò)極限等意外情況的發(fā)生，操作人員必須隨時(shí)密切注視現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器操作，通常需要熟練的操作人員才能勝任，無(wú)法提高工作效率。為此本文設(shè)計(jì)了一套基于PLC和觸摸屏的剪切機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，用觸摸屏來(lái)顯示整個(gè)系統(tǒng)的操作，以GE公司PLC作為控制器，并備有報(bào)警提示以提醒操作員設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀況，從而減少機(jī)器的磨損和損壞，提高工作效率。

1 廢舊鋼材液壓剪切機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)使用的剪切機(jī)能力為4×104N～105N，剪切寬度10 000 mm，剪切速度4.3次／min，操作控制采用邏輯控制。剪切機(jī)的主要?jiǎng)幼鳛樗土?、橫推、前推、頂部翻蓋閉合、壓緊、切斷并重復(fù)循環(huán)動(dòng)作。

具體工作過(guò)程［1］如下：首先將原料送入機(jī)器中間的槽床中，先橫推壓緊，再頂部翻蓋閉合，然后前推至接近剪刃，接著剪刃前的重錘落下將原料壓緊，重錘拉起，再前推一個(gè)單位量（大約為重錘一次能壓緊的原料的長(zhǎng)度），剪刃剪切，之后重復(fù)各項(xiàng)操作直至前推至接近壓緊錘可以準(zhǔn)備開(kāi)始下一次剪切。

一臺(tái)金屬液壓剪切機(jī)要完成一次完整的剪切動(dòng)作需要8臺(tái)主電機(jī)分別帶動(dòng)2臺(tái)液壓泵以促進(jìn)油路循環(huán)產(chǎn)生強(qiáng)大液壓來(lái)推動(dòng)。手動(dòng)操作方式中，控制人員在操作臺(tái)利用控制按鈕對(duì)系統(tǒng)中的液壓泵進(jìn)行啟?？刂?，由液壓泵運(yùn)行向油管中注入或者抽出油液，利用液壓產(chǎn)生的壓力變化轉(zhuǎn)化為動(dòng)能來(lái)推動(dòng)剪切機(jī)的主要部件完成指定動(dòng)作。

剪切機(jī)自動(dòng)工作方式即在PLC和觸摸屏的監(jiān)控下，在滿足相應(yīng)啟動(dòng)條件時(shí)按順序啟動(dòng)電機(jī)和液壓泵以及電磁閥，向油管中注入（抽出）液壓油帶動(dòng)油路循環(huán)產(chǎn)生液壓力，再以此為動(dòng)力推動(dòng)剪切機(jī)完成規(guī)定動(dòng)作。液壓剪切機(jī)的控制系統(tǒng)包括各設(shè)備故障報(bào)警及復(fù)位、手動(dòng)與自動(dòng)方式切換、循環(huán)泵控制、加熱器控制、冷卻風(fēng)機(jī)控制、8臺(tái)主電機(jī)啟動(dòng)控制、16臺(tái)電磁閥和液壓泵控制、2臺(tái)油循環(huán)電機(jī)和2臺(tái)冷卻用電機(jī)控制、剪切各動(dòng)作極限控制、液壓油和潤(rùn)滑油溫度和油面位置、壓力參數(shù)的檢測(cè)和調(diào)節(jié)等等。

2 控制方案的設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)框架

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于PLC的監(jiān)控系統(tǒng)，在保持操作臺(tái)原控制方式的基礎(chǔ)上，增加一套觸摸屏HMI監(jiān)控系統(tǒng)，與原模式互備操作。設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)框架如圖1所示，由上位機(jī)和下位機(jī)兩層框架組成。下位機(jī)以GE Fanuc 90－30系列PLC為核心，其位于PLC柜中，配有2臺(tái)循環(huán)泵、2臺(tái)冷卻泵和加熱器控制柜以及8臺(tái)主電機(jī)控制柜；上位機(jī)選用觸摸屏，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)測(cè)和控制。觸摸屏和PLC采用工業(yè)以太網(wǎng)連接，PLC和操作臺(tái)之間采用GENIUS總線（即遠(yuǎn)程I／O模塊）連接。

2.2 硬件結(jié)構(gòu)組成

上位機(jī)是帶控制功能的觸摸屏（簡(jiǎn)稱Quick Panel Control），它將控制和可視化集成在一個(gè)平臺(tái)，提高了生產(chǎn)效率并降低了成本。本系統(tǒng)利用GE Fanuc系列90－30 I／O接口卡和PLC相連。

下位機(jī)由CPU模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊、遠(yuǎn)程通訊模塊和遠(yuǎn)程I／O 模塊組成。CPU 型號(hào)為IC693CPU374；GENIUS BUS模塊IC693BEM331和遠(yuǎn)程通訊接口模塊IC200GBI001構(gòu)建GENIUS網(wǎng)絡(luò)；把VERSAMAX I／O模塊組作為遠(yuǎn)程I／O模塊，其中包括電源模塊、1個(gè)32點(diǎn)數(shù)字量輸入模塊和1個(gè)32點(diǎn)數(shù)字量輸出模塊以及1個(gè)8點(diǎn)模擬量輸入模塊。遠(yuǎn)程I／O模塊作為GENIUS網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)站點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制和管理。

執(zhí)行器包括系統(tǒng)中的動(dòng)作元件，如電機(jī)、油泵、電磁閥、循環(huán)泵、冷卻泵和加熱器等。

傳感器包括液壓油和潤(rùn)滑油的溫度、壓力、油面參數(shù)測(cè)量裝置，以及剪切機(jī)動(dòng)作極限測(cè)量裝置。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于系統(tǒng)硬件的選型，使用了通用公司的組態(tài)軟件Proficy，完美地實(shí)現(xiàn)了PLC與觸摸屏的互連，它提供了Proficy view（即QuickPanel觸摸屏編程軟件）和Logic Developer－PLC（即PLC編程軟件）集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)采用梯形圖對(duì)PLC進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓剪切機(jī)模擬量和極限參數(shù)的采集以及執(zhí)行器的自動(dòng)／手動(dòng)控制，并且實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的正常通訊與連接，以達(dá)到監(jiān)控剪切機(jī)正常工作的目的。

本系統(tǒng)是一個(gè)多工步的順序控制系統(tǒng)，剪切機(jī)工作程序主體部分由送料、壓緊、橫推、半蓋、切斷5個(gè)功能模塊構(gòu)成，由對(duì)應(yīng)的程序模塊控制，可運(yùn)用模塊化程序結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)人機(jī)界面功能包括控制操作、顯示、數(shù)據(jù)管理、報(bào)警、日志管理和管理權(quán)限。本系統(tǒng)中上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)部分［2－6］采用 GE Fanuc的 Proficy TM Machine Edition 5.5。

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要包括以下功能模塊：

（1）人機(jī)對(duì)話：實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)剪切機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、人機(jī)對(duì)話功能并提供友好實(shí)用的用戶操作界面。

（2）圖形界面：包括運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)仿真主畫面、故障報(bào)警畫面、工藝畫面和液壓系統(tǒng)畫面等。

剪切機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工藝畫面如圖2所示。圖2中，剪切機(jī)各動(dòng)作指令的發(fā)出和極限控制均有指示燈顯示，指示燈的開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)由軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)變量的值來(lái)決定。當(dāng)PLC和觸摸屏實(shí)現(xiàn)正常通訊連接時(shí)，組態(tài)軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的變量會(huì)和PLC的輸入輸出接口或寄存器連接并相互對(duì)應(yīng)。以送料為例，有“送前進(jìn)、送后退、送前進(jìn)限、送后退限”4個(gè)指示燈，送前進(jìn)的信號(hào)來(lái)自于PLC軟件程序驅(qū)動(dòng)。如果PLC的送前進(jìn)信號(hào)輸出為ON時(shí)，組態(tài)軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)變量值也成為ON，工藝畫面中的指示燈會(huì)顯示亮。

圖2 剪切機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工藝畫面

剪切機(jī)液壓系統(tǒng)如圖3所示。中間容器為液壓槽，用以存放液壓油。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)是剪切機(jī)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，包括8臺(tái)帶動(dòng)液壓泵的主電機(jī)（M1～M8）和16個(gè)控制油路出入的電磁閥（No.1～No.16）。1臺(tái)主電機(jī)的啟停和相應(yīng)電磁閥的動(dòng)作可以完成剪切過(guò)程中的一個(gè)動(dòng)作執(zhí)行功能。當(dāng)電磁閥動(dòng)作時(shí)對(duì)應(yīng)的指示燈的狀態(tài)也發(fā)生改變。

圖3 剪切機(jī)液壓系統(tǒng)

4 結(jié)論

采用觸摸屏和GE PLC構(gòu)建了廢鋼剪切機(jī)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了剪切機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)和上位機(jī)上的自動(dòng)控制，從而避免了剪切機(jī)的誤操作，提高了剪切效率。該系統(tǒng)已經(jīng)在某金屬資源公司廢舊鋼材剪切機(jī)工程改造中得到了應(yīng)用，其操作簡(jiǎn)單、靈活、直觀、可靠，可以很好地滿足液壓剪切過(guò)程的自控要求。

［1］ 王玉英.微型剪切機(jī)動(dòng)作原理及應(yīng)用［J］.吉林工學(xué)院學(xué)報(bào)，1990，11（1）：81－83.

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［6］ 丁時(shí)鋒，李清香.基于PLC的板料液壓剪切機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造［J］.液壓與氣動(dòng)，2007，7（7）：70－72.