鐘劍貞，李文勇，胡勇，張稀琦

(桂林電子科技大學機械工程學院，廣西桂林 541004)

近年來，隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是亞洲，電線電纜行業(yè)也蓬勃發(fā)展，工業(yè)對銅線，鍍錫等材料需求變大，用戶在選擇設(shè)備時不僅僅只是從價格和功能兩方面來考慮，而且從高效、低耗、高品質(zhì)、實用、服務(wù)等方面對設(shè)備提出了更高的要求。退火機在線材加工行業(yè)應用十分廣泛，是線材加工生產(chǎn)的主要設(shè)備之一。目前，國內(nèi)的退火機大都還處在手動或者半自動狀態(tài)，在其設(shè)計思路和原理上還不夠完善，控制系統(tǒng)還是以傳統(tǒng)的繼電器、接觸器、開關(guān)等有觸點的器件感組成，雖然這樣的系統(tǒng)看起來比較簡單，價格便宜，但設(shè)備的控制邏輯、靈活性都很差，線材的加工精度和可靠性更是不高，設(shè)備容易出現(xiàn)器件的損壞和需要經(jīng)常維修。綜合上述的問題和適應現(xiàn)代化社會的發(fā)展和工業(yè)的需求，對退火機控制系統(tǒng)進行改進來提高設(shè)備的生產(chǎn)效率和自動化程度。本文作者提出基于PLC的控制系統(tǒng)的設(shè)計，以軟件手段來完成各種控制功能，克服了傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的諸多缺點，該控制系統(tǒng)融入了伺服系統(tǒng)的精密控制優(yōu)點以及PLC和觸摸屏的結(jié)合，實現(xiàn)了排線系統(tǒng)的精確定位和設(shè)備的人機自動化界面操作，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，還可以減緩人力資源成本帶來的壓力，節(jié)約成本，提高設(shè)備在行業(yè)的競爭力。

1 控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能要求和實際情況，重新設(shè)計退火機的控制系統(tǒng)主要包括:PLC、觸摸屏、伺服放大器 (驅(qū)動器)、力矩電機、伺服電機和編碼器，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)分為兩大部分:一是伺服控制系統(tǒng)，由PLC、編碼器、伺服電機、驅(qū)動器和力矩電機組成，以PLC作為控制系統(tǒng)的核心，接收外部輸入模擬量、高數(shù)計數(shù)脈沖、開關(guān)量等信號，然后PLC內(nèi)部的檢測計算后輸出脈沖和開關(guān)量來控制整個系統(tǒng)的運行;二是人機操作界面，觸摸屏與PLC通過RS-485通信電纜連接，觸摸屏直接對PLC進行參數(shù)設(shè)置、程序監(jiān)控和設(shè)備運行信息、狀態(tài)等顯示，操作方面，靈活?？刂葡到y(tǒng)中的2個力矩電機分別作為收卷電機和放線電機，伺服電機作為控制系統(tǒng)的排線電機，控制排線機構(gòu)水平移動進行排線。

圖1 控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的控制要求:當控制系統(tǒng)的電源被接通時，系統(tǒng)先進行PLC和觸摸屏的初始化程序，然后PLC自動檢測系統(tǒng)是否符合啟動條件，如不符合，觸摸屏會顯示相關(guān)報警信息，此時，系統(tǒng)不可運行，需要對系統(tǒng)進行調(diào)試;若符合條件，系統(tǒng)則處于待運轉(zhuǎn)狀態(tài)，具體動作要求如下:

(1)當按下“啟動”按鈕，排線伺服電機和收卷力矩電機進入待機狀態(tài)，并發(fā)出啟動信號給收卷電機。當按下收卷電機啟動按鈕后，收卷力矩電機運轉(zhuǎn)，編碼器發(fā)出力矩電機速度脈沖信號給PLC，PLC經(jīng)過處理后輸出脈沖信號給驅(qū)動器來驅(qū)動伺服電機運轉(zhuǎn)并跟蹤排線。

(2)在設(shè)備處于待機狀態(tài)下

點擊“手動調(diào)試”按鈕，觸摸屏應彈出調(diào)試畫面，設(shè)備進入手動調(diào)試狀態(tài)，可對收卷機，放線機和排線伺服電機進行調(diào)試，調(diào)試結(jié)束后返回主界面。

點擊“自動運行”時，動作順序應為:待機狀態(tài)→按下啟動按鈕→收卷電機和排線伺服電機使能待機，放線電機啟動→收卷電機運轉(zhuǎn)，編碼器發(fā)出脈沖信號給排線伺服驅(qū)動器，排線電機啟動運轉(zhuǎn)，跟蹤排線→設(shè)備正常運行。

點擊“停止”時，引取電機停止，收卷電機延時30 s后停止，編碼器停止發(fā)出脈沖信號，排線電機停止。點擊“復位”時，排線電機回到原點并進入到待機狀態(tài)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)的PLC采用松下FPX-C30T，它裝載單雙相高數(shù)計數(shù)、精準的脈沖輸出功能，具備高安全性及可擴展性，而且集成度高，系統(tǒng)配線簡單，穩(wěn)定性高，抗干擾能力強。伺服系統(tǒng)采用三菱通用AC伺服MR-E系列產(chǎn)品，MR-E系統(tǒng)控制精準，性能較高，同時具備位置控制和速度控制2種模式，而且能夠切換位置控制和速度控制進行運行，MR-E伺服還具有RS-232C端口通信功能，可方便地連接到個人電腦進行參數(shù)設(shè)置、測試運行、狀態(tài)顯示和增益調(diào)整等，非常適合工業(yè)中高密度定位和平穩(wěn)速度控制?？紤]性能和穩(wěn)定性，觸摸屏采用Proface(普洛菲斯)GP3000系列的AGP3750-T1-D24型號，該觸摸屏編程簡單，性能穩(wěn)定，能很好的與PLC進行通信。力矩電機為0.7/1.5 N·m的進口品牌，其他電器元件采用進口品牌。PLC的I/O點分配如圖2所示。

圖2 FPX-C30T的I/O分配

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)程序主要有復位、手動測試、自動運行和故障保護程序，其編程軟件采用松下公司開發(fā)的FPWIN-GR編程軟件，程序設(shè)計采用梯型圖編程以方便編輯和系統(tǒng)調(diào)試。FPWIN-GR軟件是松下公司為松下PLC程序設(shè)計專門開發(fā)的軟件，能很好的對接松下所有系列的PLC，編程方便，功能齊全，界面簡易直觀。

3.1 伺服控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

由控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理可知，伺服控制系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心，也是實現(xiàn)精確定位和精準排線的關(guān)鍵。伺服控制系統(tǒng)由伺服放大器、伺服電機和編碼器等組成。本設(shè)計采用伺服系統(tǒng)的速度控制模式來對伺服電機的旋轉(zhuǎn)方向進行高密度的平滑控制，系統(tǒng)以收卷機速度的主目標速度，編程器將采集到收卷機的速度信號反饋到PLC中，由PLC計算處理后將對應速度的脈沖數(shù)和脈沖頻率傳送到伺服放大器，然后控制伺服電機的運轉(zhuǎn)，利用PLC的CW/CCW脈沖輸出控制模式來實現(xiàn)正負脈沖輸出信號控制伺服電機的正反轉(zhuǎn)，則系統(tǒng)可完成精準的跟蹤排線，伺服控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 伺服控制系統(tǒng)原理圖

控制系統(tǒng)對伺服系統(tǒng)的控制要求如下:收卷電機旋轉(zhuǎn)1圈 (N0=1 000個脈沖)，則要求排位伺服電機行走1 mm“排位間距”(排位間距設(shè)為a)距離，而排位伺服電機總的行走距離應為“排位總寬”(H單位mm)。排位間距a和排位總寬H在觸摸屏設(shè)定(排位總寬可通過設(shè)定收卷軸近點到原點距離A和遠點到原點距離B來確定，排位總寬H=B－A)，設(shè)定值到小數(shù)點后2位，排位機構(gòu)如圖4所示。

圖4 排位機構(gòu)示意圖

(1)伺服電機以“原點+步長”方式往復運動，速度自動追蹤并與放線電機同步。為使排線精確整齊，伺服電機每個脈沖的行走距離與排位齒輪節(jié)圓直徑D(D=60)和減速比K(K=600)的關(guān)系為:每個脈沖的行走距離=D÷ (K×N0)=0.000 01 mm，即伺服電機運走1 mm需要100 000脈沖輸出。

(2)伺服電機的步長 (脈沖數(shù))與排位總寬H、減速比K、排位齒輪節(jié)圓直徑D和編碼器的脈沖數(shù)N的關(guān)系為:伺服電機的步長 (脈沖數(shù))N=H×K×N0÷D，(H=90mm時，N=900 000)。

(3)排位要求平整、均勻，實際排位間距要求與設(shè)定的排位間距a的偏差不大于±0.001 mm;不得出現(xiàn)疏密不一的缺陷。

3.1.1 伺服系統(tǒng)自動程序設(shè)計

圖5 伺服控制系統(tǒng)部分程序

控制系統(tǒng)的高數(shù)計數(shù)以相位差 (2相)方式輸入，選用CH0為輸入通道，輸入點為X0和X1，控制標志為R9110，目標值為DT90300。脈沖輸出選用CH0為輸出通道，正脈沖 (CW)輸出端子為Y0，負脈沖 (CCW)輸出端子為Y1，脈沖輸出控制標志為DT90052，經(jīng)過值為DT90348。要實現(xiàn)高數(shù)計數(shù)的輸入、脈沖的輸出來控制伺服電機的跟蹤排線，需利用PLC的內(nèi)部運算指令來實現(xiàn)信號輸入和脈沖的輸出，程序如圖5所示。

3.1.2 伺服復位程序設(shè)計

當系統(tǒng)運行時，需要先對其進行復位才能正常啟動，為使排線精確定位和符合排線的控制要求，復位程序由兩部分組成:一是原點復位;二是伺服電機回到原點后再前行一段距離，當按“按鈕復位”或者觸摸屏給PLC內(nèi)部寄電器 (R110)高電頻信號時，系統(tǒng)即可進行復位。系統(tǒng)復位程序采用F171SPDH指令，啟動條件觸點為R120，控制代碼為DT200，脈沖輸出對像通道是CH0，加/減速段數(shù)為30段，占空比為50%，頻率范圍為48～100 Hz，動作模式和輸出方式為增量型CW/CCW，初始速度100 Hz，最高速度80 000 Hz，加/減速時間40 ms，目標值為－50 000脈沖數(shù)。由圖4排位機構(gòu)示意圖可知，返回原點后，還需要排線桿往前運動A寬度，才能使排線桿到排線位，這可以使拋磚排線定位更精準，排線更整齊。系統(tǒng)復位前行程序也采用F171指令，啟動條件觸點為R130，控制代碼為DT300，脈沖輸出對像通道是CH0，加/減速段數(shù)為30段，占空比為50%，頻率范圍是48～100 Hz，動作模式和輸出方式為增量型CW/CCW，初始速度100 Hz，最高速度50 000 Hz，加/減速時間40 ms，目標值為DT6900(DT6900的脈沖數(shù)等于原點距離DT32760乘以伺服每走1MM的脈沖DT2000)。

3.1.3 報警保護程序設(shè)計

當系統(tǒng)正常運行時，若發(fā)生伺服行走位置超過排線后限位 (X4接通)/前限位 (X5接通)、手動按“停止按鈕”(X9接通)、收卷電機故障 (X6接通)和放線電機故障 (X7接通)、生產(chǎn)的米數(shù)已超過設(shè)定米數(shù) (DT32740大于DT32720)甚至發(fā)生線材斷線時，系統(tǒng)程序停止伺服脈沖的輸出 (DT90052被禁止脈沖輸出)、收卷電機停止運轉(zhuǎn) (Y5接通)、放線電機停止運轉(zhuǎn) (Y6接通)，系統(tǒng)停止運行并在觸摸屏上顯示相關(guān)的故障信息。

3.1.4 手動調(diào)試程序設(shè)計

當系統(tǒng)不能正常運行或者需要檢測時，則要進行手動的調(diào)試，手動程序可以分別對伺服電機、放線電機和收線電機進行調(diào)試，可以方便地檢測出系統(tǒng)和故障部位，操作方便可靠性高。手動程序主要是對伺服電機進行正反轉(zhuǎn)和行走距離是否超過限位進行測試。伺服的正轉(zhuǎn)測試采用F172 PLSH指令，啟動條件觸點為R350，控制代碼為DT310，脈沖輸出對像通道為CH0，采用無目標值模式，50%的空間比，48 Hz～100 kHz的頻率范圍，輸出方式為無計數(shù)模式CW，頻率為80 000 Hz。反轉(zhuǎn)程序采用F172 PLSH指令，啟動條件觸點為R400，控制代碼為DT400，脈沖輸出對像通道為CH1，采用無目標值模式，50%的空間比，48 Hz～100 kHz的頻率范圍，輸出方式為無計數(shù)模式CCW，頻率為80 000 Hz。

控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

4 結(jié)束語

該控制系統(tǒng)投入生產(chǎn)后，結(jié)果證明:基于PLC的退火機的控制系統(tǒng)控制性能穩(wěn)定、可靠，操作方便，監(jiān)控功能完善，排線平整、均勻，沒有出現(xiàn)疏密不一、排線錯亂的現(xiàn)象，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都得到提高。

另外，系統(tǒng)所采用的PLC和伺服控制技術(shù)結(jié)合的控制系統(tǒng)代替原來傳統(tǒng)的手動開關(guān)量控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的自動化程度提高，同時該系統(tǒng)的控制方式可以作為一種通用的控制方式向自動控制領(lǐng)域擴展，非常適合于有大量參數(shù)設(shè)定和顯示的工業(yè)系統(tǒng)中。系統(tǒng)采用PLC和觸摸屏作為主控制器，簡化了現(xiàn)場操作，提高了控制程序和人機界面的靈活性，提高了設(shè)備在行業(yè)中的競爭力。

［1］孟志強，張恒，陳燕東，等.基于PLC伺服控制的甘油霧化噴涂系統(tǒng)設(shè)計［J］.湖南大學學報，2010，37(7):43－46.

［2］陳上挺，錢曉耀，孫崎嶇，等.基于PLC的伺服控制系統(tǒng)在密封墊圈繞制系統(tǒng)中的應用［J］.機床與液壓，2008，36(7):341－343.

［3］陳朝澤，任德均，何華，等.基于PLC、HMI和伺服控制技術(shù)的磁性編碼檢測系統(tǒng)［J］.四川大學制造科學與工程學報，2008(7):78－80.

［4］張國亮.空間機器人自主視覺伺服控制策略［J］.華中科技大學學報，2010，40(8):103 －107.

［5］易江義，陽春華，周彩霞.基于PLC控制的自動化移載機的開發(fā)設(shè)計［J］.自動化與儀器儀表，2008(136):17－19.

［6］鹿慶，何文雪，程彬.基于S7-200 PLC的橫切機伺服控制系統(tǒng)［J］.機械工程與自動化，2009(6):134－136.