鄭高安，方貴盛，胡云催

(浙江水利水電學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

電鍍專用行車是電鍍工廠專門用于提高工效、保證工藝精度和提高生產(chǎn)自動化的一種專用起吊設(shè)備.傳統(tǒng)的電鍍專用行車主要采用繼電器來設(shè)計控制系統(tǒng)，硬件線路繁雜，控制系統(tǒng)體積大，控制方式呆板[1-4].若涉及功能或工藝流程更改，則需重新鋪設(shè)電路.為此，當(dāng)前有部分工程師利用現(xiàn)有主流的工業(yè)自運化控制器PLC對傳統(tǒng)的電鍍車間專用行車控制系統(tǒng)進行改造.天津工業(yè)大學(xué)馮盛隆，南通職業(yè)大學(xué)王偉以及南京師范大學(xué)的吳薛紅[5-6]等人利用三菱公司的FX2N-80MR及F-40M型PLC對傳統(tǒng)的電鍍行車控制系統(tǒng)進行了改造，使系統(tǒng)線路簡化，抗干擾能力增強，可靠性得到提高.中國礦業(yè)大學(xué)劉永拓，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院滿海波[7-8]等人在采用西門子PLC技術(shù)的基礎(chǔ)上將變頻器和Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合，對傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)進行改造，使系統(tǒng)的自動化水平和生產(chǎn)效率都得到了大幅提高.前兩者的改造成功，主要歸功于可編程邏輯控制器PLC的使用.但，當(dāng)前的改造主要還是針對控制系統(tǒng)的執(zhí)行上，關(guān)于控制系統(tǒng)的智能化和柔性化改造還有待進一步發(fā)掘.另外，電鍍專用行車控制系統(tǒng)主要涉及PLC、繼電器、變頻器和現(xiàn)場總線等機電類相關(guān)專業(yè)知識，是用PLC改造繼電器電路的一個典型案例，已被國內(nèi)部分教材所引用[9-10].

本文針對電鍍專用行車控制系統(tǒng)的智能化和柔性化等方面開展研究，將西門子S7-200PLC、步進電機及驅(qū)動器和觸摸屏技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一套自動化程度高，可控性強，柔性度大的新型電鍍專用行車實驗系統(tǒng).該系統(tǒng)不僅為開發(fā)智能化電鍍專用行車提供研究平臺，還可作為高等院校自動化專業(yè)的實驗教學(xué)設(shè)備.

1 電鍍專用行車簡介

傳統(tǒng)電鍍車間主要根據(jù)現(xiàn)有電鍍工藝和使用率按電鍍生產(chǎn)線設(shè)置電度槽位，行車生產(chǎn)工藝(見圖1).行車架設(shè)在電鍍槽位上方，并橫跨單條生產(chǎn)線所有槽位.行車的運動方式主要分為上下升降吊籃運動和沿生產(chǎn)線前進后退走工藝運動.一般電鍍專用行車工作流程為：工件裝載，行車提籃，行車走工藝，加工完成，工件卸載，回原點.其中，行車走工藝即為行車根據(jù)預(yù)先設(shè)定的工藝要求，在每一個需要加工的槽位上停留并降下吊籃，使工件處于對應(yīng)槽位的電鍍液中，過規(guī)定工藝時間后提籃再到下一槽位，直至工藝要求的所有槽位加工完成.

圖1 電鍍車間專用行車生產(chǎn)工藝示意圖

現(xiàn)有電鍍專用行車控制系統(tǒng)主要采用繼電器和PLC兩種控制方式.繼電器控制線路繁雜，更改難度大，PLC控制雖能彌補繼電器控制上的不足，但缺乏人機交互界面，遠(yuǎn)程監(jiān)控較為困難，系統(tǒng)柔性化和可控性程度不高.在傳動方式上，電鍍專用行車以變頻器驅(qū)動電機為主.這種傳動方式雖較為成熟，但在精準(zhǔn)控制上卻較難實現(xiàn).考慮到工業(yè)水平的不斷提升，零件工藝要求不斷提高，智能化和柔性化的電鍍生產(chǎn)線將是未來的發(fā)展趨勢.為此，面向智能化和柔性化開發(fā)電鍍專用行車實驗系統(tǒng)顯得十分必要.

2 電鍍專用行車實驗系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計

電鍍專用行車實驗系統(tǒng)以開發(fā)智能化和柔性化的電鍍生產(chǎn)線為目的.在系統(tǒng)的搭建上主要采用西門子S7-200PLC、步進電機及驅(qū)動器和觸摸屏等自動化程度高，可控性強的設(shè)備.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局(見圖2).觸摸屏作為上位機與計算機一起被置于主控區(qū)內(nèi).它通過串口與S7-200PLC連接，并向PLC發(fā)送命令，同時接收PLC信號，進而監(jiān)視整個系統(tǒng)的工作情況，實現(xiàn)人機交互，提升系統(tǒng)的可控性.S7-200PLC作為下位機被置于控制箱內(nèi)，其與步進電機的驅(qū)動器、行程開關(guān)以及各種直接參與控制的輸入輸出設(shè)備相連接，以實現(xiàn)系統(tǒng)的運行控制.步進電機與驅(qū)動器作為執(zhí)行機構(gòu)，被配套安裝在行車上，用于驅(qū)動行車和實現(xiàn)行車的上下升降運動.選擇步進電機作為傳動方式出于本系統(tǒng)屬于實驗系統(tǒng)，以探索智能化和精準(zhǔn)化控制而考慮.利用步進電機，PLC可根據(jù)工藝要求向驅(qū)動器發(fā)送脈沖指令，以實現(xiàn)行車精準(zhǔn)定位.

圖2 電鍍專用行車實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 電鍍專用行車實驗系統(tǒng)的PLC控制設(shè)計

根據(jù)電鍍專用行車的控制要求及電鍍生產(chǎn)工藝，系統(tǒng)控制程序需要設(shè)置兩種模式，分別是手動和自動控制，相關(guān)的PLC程序控制流程(見圖3).手動控制模式下，可進行功能預(yù)選，如行車速度，行車加速方式等.預(yù)選完成后再由操作者根據(jù)工藝流程進行電鍍行車的前進與后退，上升與下降來完成電鍍工藝.在此模式下，觸摸屏無法對行車進行監(jiān)控，只提供系統(tǒng)操作等功能.自動控制模式下，首先要回參考點，以便PLC能準(zhǔn)確執(zhí)行預(yù)設(shè)的工藝流程，回參考點后，進行工藝預(yù)選，即選擇需要加工的電鍍工藝，然后PLC根據(jù)選擇的工藝執(zhí)行相應(yīng)的流程.在自動控制模式下，觸摸屏對電鍍行車在整個工藝流程上進行監(jiān)控.

此外，程序設(shè)計過程中考慮到觸摸屏的運用，故需在PLC程序的輸入輸出點上增加變量，并與觸摸屏界面設(shè)定的變量匹配，以便觸摸屏與PLC進行通信.

圖3 PLC程序控制流程圖

2.2 電鍍專用行車實驗系統(tǒng)主要部件及選型

電鍍專用行車實驗系統(tǒng)主要部件包括控制器，人機交互設(shè)備和執(zhí)行機構(gòu)等三大部分，零部件的選型以實現(xiàn)系統(tǒng)智能化和柔性化為中心，具體選型如下：

系統(tǒng)控制器選用可編程邏輯控制器PLC.電鍍專用行車實驗系統(tǒng)在功能上與現(xiàn)場相類似，但以滿足實驗要求為主，故使用規(guī)模不大，選用西門子S7-200系列PLC，CPU為226CN，24點輸入，16點輸出，即可滿足要求.此外，S7-200PLC可擴展性高，實時性強，開放式通信，與觸摸屏匹配有效的提升了系統(tǒng)的柔性化程度.

人機交互設(shè)備選用西門子Smart700 IE觸摸屏.該設(shè)備具有高分辨率，64K真彩寬屏顯示，7寸大小，1個以太網(wǎng)接口可同時連接3臺控制器，1個串口可連接西門子S7-200PLC，具有良好的擴展性與兼容性.

執(zhí)行機構(gòu)采用步進電機加驅(qū)動器.步進電機選用三相混合式57BYGH350C步進電機，電流5.8A，輸出扭矩1.5 N.M，體積適中，帶負(fù)載能力滿足實驗系統(tǒng)需求.驅(qū)動器選用與步進電機配套的型號，如雷賽3ND583系列，脈沖響應(yīng)頻率達400kHz，8種細(xì)分，完全滿足實驗系統(tǒng)對行車速度與停留精準(zhǔn)度的控制.

2.3 系統(tǒng)接線

2.3.1 PLC接線

電鍍專用行車實驗系統(tǒng)的PLC接線(見圖4).Q0.0～Q0.3為PLC輸出部分，與驅(qū)動器上的相應(yīng)端子連接，控制步進電機.I0.0～I0.7為PLC的輸入部分，與開關(guān)、限位傳感器等相連，為行車控制提供信號.西門子226PLC支持兩路PTO脈沖輸出，分別是Q0.0和Q0.1.PTO是輸出占空比為50%的脈沖串，通過控制脈沖的周期和個數(shù)來實現(xiàn)行車左右與上下動作的精準(zhǔn)控制.PLC上的COM0和COM1為兩個串行通信口，分別與計算機和觸摸屏進行通信.

圖4 PLC接線圖(部分)

2.3.2 步進電機及驅(qū)動器接線

系統(tǒng)中兩個步進電機均可以按照驅(qū)動器殼上的標(biāo)示文字接線，行車左右運動的步進電機驅(qū)動線路接線情況(見圖5)，上下升降電機的驅(qū)動線路與之相似.

“DIR+”和“PLS+”端與PLC輸出端相連，“PLS-”、“DIR-”和“GND”端接24V負(fù)極，“V+”接24V正極，驅(qū)動器上的“X”、“Y”、“Z”與步進電機上的“U”、“V”、“W”端相連接.需要注意的是，一般驅(qū)動器“PLS+”和“DIR+”端的額定輸入電流為6～20mA，電源為5V，與PLC輸出為24V不匹配，故在這兩個端口需要接降壓電阻，以免損壞驅(qū)動器.

圖5 步進電機及驅(qū)動器接線圖

3 結(jié) 語

基于PLC的電鍍專用行車實驗系統(tǒng)不僅整合了PLC在控制上的優(yōu)勢，還因觸摸屏與步進電機的聯(lián)合運用，使其在自動化程度和生產(chǎn)線柔性度上得到了很大的提高.具體如下：

(1)采用PLC控制，簡化了傳統(tǒng)繼電器控制電路，提高了系統(tǒng)的可靠性，也為系統(tǒng)提高自動化和柔性化奠定基礎(chǔ).

(2)觸摸屏技術(shù)的融合，實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，為人機交流提供了有效的途徑.

(3)步進電機及驅(qū)動器的應(yīng)用，實現(xiàn)了電鍍專用行車的精準(zhǔn)控制，為電鍍專用行車的智能化控制提供實驗依據(jù).

另外，實驗系統(tǒng)所涉及的知識均是當(dāng)前高等院校自動化專業(yè)所學(xué)內(nèi)容，因此本系統(tǒng)可作為相關(guān)專業(yè)練習(xí)PLC編程，硬件接線和生產(chǎn)線調(diào)試，提升實踐能力的教學(xué)實驗設(shè)備.

實踐證明，基于PLC的電鍍專用行車實驗系統(tǒng)不僅為開發(fā)智能化電鍍專用行車提供研究平臺，還是一臺良好的自動化專業(yè)教學(xué)實驗設(shè)備.

參考文獻：

[1] 李方園.自動化綜合實踐[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2] 吳錦傳.基于PLC的電鍍生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電氣時代，2011(5)：110-111.

[3] 鄭高安，方貴盛，金明生.氣囊拋光工具與工件接觸區(qū)壓力及應(yīng)力的分布規(guī)律研究[J].浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報，2013，25(2)：64-67.

[4] 余 劍.基于PLC的電鍍生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].黑龍江科技信息，2010(30)：47.

[5] 馮盛隆.基于PLC的電鍍行車控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技，2013(2)：115.

[6] 王 偉，吳薛紅.電鍍專用行車的PLC控制[J].南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，17(1)：62-64.

[7] 劉永拓，董 闖，姚 樂.基于PLC的電鍍行車控制系統(tǒng)設(shè)計[J].中國機械，2014(15)：72.

[8] 滿海波.S7-300PLC、MM440變頻器在電鍍專用行車中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2009(5)：19-21.

[9] 袁任光.可編程序控制器選用與系統(tǒng)設(shè)計實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[10] 梅麗鳳.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.