靳哲，肖軍

（天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，天津 300400）

步進(jìn)電機(jī)在石油管件噴漆設(shè)備中應(yīng)用

靳哲，肖軍

（天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，天津 300400）

在原石油管件噴漆設(shè)備中，對(duì)管件進(jìn)行噴漆前要根據(jù)管件的不同規(guī)格需人工調(diào)整噴漆槍上限位檢測(cè)位置，才能完成噴漆工藝，該設(shè)備存在著自動(dòng)化程度不高等技術(shù)問題。闡述了利用步進(jìn)電機(jī)和S7-200PLC對(duì)原設(shè)備電氣控制部分進(jìn)行改造的設(shè)計(jì)方案、工藝過程等，改造后噴漆設(shè)備不僅能夠自動(dòng)識(shí)別管件的不同規(guī)格、自動(dòng)調(diào)整噴漆槍升降位移和速度，而且具有安裝調(diào)試簡(jiǎn)單、布線少、易于維修等特點(diǎn)。

步進(jìn)電機(jī)；噴漆槍；可編程控制器

在生產(chǎn)石油管件的制造企業(yè)中，生產(chǎn)的石油管件有著不同規(guī)格，對(duì)管件噴漆是最后一道工序。

圖1為原噴漆設(shè)備電氣控制框圖，由噴漆槍位置前側(cè)、噴漆槍升降控制及管件旋轉(zhuǎn)控制3部分組成。位置檢測(cè)分別由上限位開關(guān)、上接近傳感器和下限位開關(guān)、下接近傳感器構(gòu)成?？刂茋娖針屔惦姍C(jī)選用交流調(diào)速電機(jī)，噴漆槍在上、下接近傳感器位置內(nèi)移動(dòng)。待加工的管件放置在托盤上由托盤旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制管件的旋轉(zhuǎn)。

圖1　原噴漆設(shè)備電氣控制系統(tǒng)框圖Fig.1　The electrical control system of original painting equipment

噴漆工藝過程：若為管件甲噴漆首先需人工調(diào)整位置檢測(cè)中的上限位開關(guān)和上接近傳感器的位置，此位置應(yīng)與管件甲高度一致，使噴漆槍能夠在管件甲高度范圍內(nèi)上下移動(dòng)。然后啟動(dòng)噴漆設(shè)備，托盤旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)管件甲旋轉(zhuǎn)，同時(shí)噴漆槍升降電機(jī)帶動(dòng)噴漆槍上下移動(dòng)為管件甲噴漆。若為管件乙噴漆也需人工調(diào)整位置檢測(cè)中的上限位開關(guān)和上接近傳感器的位置，此位置應(yīng)與管件乙高度一致，使噴漆槍能夠在管件乙高度范圍內(nèi)上下移動(dòng)。

噴漆設(shè)備存在自動(dòng)化程度不高，對(duì)不同規(guī)格的管件噴漆時(shí)，需人工調(diào)整噴漆槍檢測(cè)位置等問題。

1　設(shè)計(jì)方案

按照要求，改造后的石油管件噴漆設(shè)備具有能夠自動(dòng)檢測(cè)管件的規(guī)格，自動(dòng)調(diào)整噴漆槍升降位移和速度的功能。

采用可編程控制器和步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為主要控制的技術(shù)方案，設(shè)置多個(gè)檢測(cè)不同規(guī)格管件的傳感器，按照不同規(guī)格管件的高度折算出步進(jìn)電機(jī)所執(zhí)行的步數(shù)，作為編寫程序的參數(shù)依據(jù)。可編程控制器輸出一定數(shù)量和頻率脈沖信號(hào)以及方向信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)距離、轉(zhuǎn)速和方向。這樣可以根據(jù)檢測(cè)傳感器的檢測(cè)信號(hào)，靈活控制噴漆槍的升降位移和速度，克服了原有設(shè)備的諸多缺陷。

1.1步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器

1.1.1步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛑本€位移的控制微電機(jī)，每輸入1個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子就前進(jìn)1步，轉(zhuǎn)過一定的角度。若連續(xù)改變電脈沖頻率，便可對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行連續(xù)調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)還具有快速啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和自鎖功能。步進(jìn)電機(jī)更適用于數(shù)字控制系統(tǒng)，它易于實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)或其他數(shù)字裝置的接口，通常只需應(yīng)用開環(huán)控制便可獲得很高的控制精度。

改造后的設(shè)備中噴漆槍的拖動(dòng)電機(jī)選用步科3S57Q-04056步進(jìn)電機(jī)，接線圖如圖2所示，3個(gè)相繞組的6根引出線，必須按頭尾相連的原則連接成三角形。改變繞組的通電順序就能改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

圖2　3S57Q-04056接線圖Fig.2　The wiring diagram of 3S57Q-04056

1.1.2驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)需用專門的驅(qū)動(dòng)器供電，與步進(jìn)電機(jī)3S57Q-04056配套的是步科3M458型驅(qū)動(dòng)器。圖3為接線圖。可見，驅(qū)動(dòng)器采用直流24～40 V電源供電。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功能是接收來自可編程控制器的一定數(shù)量和頻率脈沖信號(hào)以及電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部邏輯運(yùn)算輸出來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。3M458驅(qū)動(dòng)器采用了電機(jī)靜態(tài)鎖緊狀態(tài)下的自動(dòng)半流功能，可大大降低電機(jī)的發(fā)熱。為了調(diào)試方便，驅(qū)動(dòng)器還有一對(duì)脫機(jī)信號(hào)輸入線FREE+和FREE-，當(dāng)這一信號(hào)為ON時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將斷開輸入到步進(jìn)電機(jī)的電源回路，大大改善了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行性能。

圖3　3M458驅(qū)動(dòng)器接線圖Fig.3　The wiring diagram of 3M458 driver

1.1.3驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

在3M458驅(qū)動(dòng)器的側(cè)面連接端子中間有1個(gè)紅色的8位DIP功能設(shè)定開關(guān)，可以用來設(shè)定驅(qū)動(dòng)器的工作方式和工作參數(shù)，包括細(xì)分設(shè)置、靜態(tài)電流設(shè)置和運(yùn)行電流設(shè)置。

3S57Q-04056步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)組件的基本技術(shù)數(shù)據(jù)如下：步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°，即在無細(xì)分的條件下200個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)1圈，通過驅(qū)動(dòng)器設(shè)置細(xì)分精度最高可以達(dá)到10 000個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)1圈。直線運(yùn)動(dòng)組件的同步輪齒距為5 mm，共12個(gè)齒，旋轉(zhuǎn)1周直線位移60 mm。如果管件高度為400 mm，細(xì)分精度采用10 000步/r，經(jīng)計(jì)算即每步直線位移0.006 mm；需要66 666個(gè)脈沖才能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的直線距離為400 mm。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流設(shè)為5.2A；靜態(tài)鎖定方式為靜態(tài)半流。

1.2S7-200PLC

西門子公司S7-200 PLC是緊湊型的小型PLC，具有結(jié)構(gòu)緊湊、指令功能強(qiáng)大、成本低、可靠性高、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，可靈活、方便地滿足各種設(shè)備的自動(dòng)化控制需求。

輸入單元用于連接現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)（檢測(cè)不同規(guī)格管件的接近傳感器、噴槍升降極限保護(hù)開關(guān)、急停按鈕）轉(zhuǎn)換為CPU所能接收和處理的電平信號(hào)。在接線方面，將上述這些開關(guān)、按鈕的一端全部連接在一起再與外接DC 24 V電源的正極連在一起，這些開關(guān)、按鈕的另一端分別連接到可編程控制器對(duì)應(yīng)的輸入端子上。

輸出單元?jiǎng)t是連接將CPU輸出的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備所能接收的電平信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載的通斷；或者當(dāng)其定義為高速脈沖輸出后，其他操作均失效只能作為高速脈沖輸出端使用，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)精確控制。在接線方面，將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖端和方向控制端分別與可編程控制器規(guī)定的脈沖輸出端和輸出端相連，控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)距離和方向。輸送電機(jī)、托盤旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接到變頻器，由可編程控制器輸出端控制。圖4為S7-200CPU224接線圖，其中R為限流電阻，R=2kΩ。

圖4　S7-200 CPU224接線圖Fig.4　The wiring diagram of S7-200 CPU224

2　系統(tǒng)構(gòu)成

自動(dòng)噴漆設(shè)備主要由管件輸送系統(tǒng)、噴漆系統(tǒng)和烘干系統(tǒng)構(gòu)成，控制部分由電氣和氣動(dòng)控制組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)石油專用管件外表面的噴漆工藝。

2.1管件輸送系統(tǒng)

管件輸送系統(tǒng)主要是通過輸送鏈完成管件的運(yùn)輸工作，首先將管件放置在與輸送鏈連接的托盤上，通過輸送鏈將其運(yùn)輸?shù)焦ぷ鲄^(qū)域進(jìn)行噴漆，然后送至烘干系統(tǒng)對(duì)噴漆后的管件進(jìn)行烘干，最后將管件成品搬離工作區(qū)域。其運(yùn)行性能要求輸送系統(tǒng)低速、啟制動(dòng)平穩(wěn)，在電氣控制上由變頻器控制輸送電機(jī)，其轉(zhuǎn)速的大小根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，由于噴漆系統(tǒng)能夠同時(shí)對(duì)3個(gè)管件噴漆，所以在管件輸送系統(tǒng)中設(shè)置了檢測(cè)管件個(gè)數(shù)的傳感器和急停按鈕。

2.2噴漆系統(tǒng)

噴漆系統(tǒng)是完成對(duì)輸送到位的管件進(jìn)行噴漆工作。圖5為噴漆系統(tǒng)的示意圖。圖5中，1，2為限位開關(guān)，用于噴漆槍極限位置保護(hù)，噴漆槍5連接在與步進(jìn)電機(jī)3的輸出軸相連螺紋絲杠4上，管件6放在由旋轉(zhuǎn)電機(jī)8拖動(dòng)的托盤7上，管件規(guī)格檢測(cè)傳感器9，10，11用于檢測(cè)不同規(guī)格的管件，從而決定噴漆槍的升降范圍。噴漆槍的噴漆由氣動(dòng)系統(tǒng)控制，為防止噴漆槍壓力過高造成噴漆飛濺污染環(huán)境，噴漆過程在噴房中進(jìn)行，噴房有3個(gè)工位，各對(duì)應(yīng)1個(gè)噴漆槍，將3個(gè)噴漆槍共同固定在同一個(gè)支架上，1個(gè)噴漆過程同時(shí)完成3個(gè)管件的噴漆作業(yè)。在噴漆過程中放置在托盤上的管件，要求低速、勻速旋轉(zhuǎn)才能保證噴漆質(zhì)量，故旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用由變頻器控制。管件規(guī)格檢測(cè)傳感器采用接近傳感器，根據(jù)管件規(guī)格不同可以設(shè)置多個(gè)，若管件規(guī)格檢測(cè)傳感器9檢測(cè)到管件后，輸出信號(hào)去控制步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的噴漆槍，其升降的范圍就是該管件的高度，其速度大小可通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖5　噴漆系統(tǒng)示意圖Fig.5 Paint system schematic diagram

2.3控制柜

該自動(dòng)噴漆設(shè)備控制部分由電氣控制柜、操作控制箱、氣動(dòng)控制箱組成。電氣控制柜安裝主要設(shè)備有：變頻器、S7-200PLC以及與PLC輸出對(duì)應(yīng)的繼電器、接觸器等。在控制柜面板安裝有：風(fēng)機(jī)、水泵的啟停按鈕及指示燈、輸送電機(jī)的啟動(dòng)、停止按鈕等。操作控制箱主要有：指示燈、自動(dòng)/手動(dòng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)、噴臺(tái)前進(jìn)/后退按鈕、噴漆槍升/降按鈕、手動(dòng)噴漆槍。氣動(dòng)控制箱內(nèi)安裝有帶壓力表氣源過濾器、二位5通氣動(dòng)電磁閥，面板裝有壓力表、手動(dòng)調(diào)壓閥。

2.4自動(dòng)噴漆工藝過程

系統(tǒng)啟動(dòng)后輸送鏈運(yùn)送管件到噴漆房后→停止輸送鏈→檢測(cè)管件不同規(guī)格傳感器發(fā)出信號(hào)送至PLC→經(jīng)過PLC運(yùn)算產(chǎn)生輸出→氣缸帶動(dòng)噴臺(tái)前移→托盤旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)管件旋轉(zhuǎn)→同時(shí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器得到信號(hào)→步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)噴漆槍在管件高度范圍內(nèi)升、降1次，完成1個(gè)噴漆周期后→啟動(dòng)輸送鏈將噴好的管件送至烘干系統(tǒng)，同時(shí)運(yùn)送未加工管件至噴漆房，依此循環(huán)。在噴漆槍升、降位置設(shè)置了限位開關(guān)用于極限保護(hù)。圖6為改造后噴漆設(shè)備電氣控制系統(tǒng)框圖。

圖6　改造后噴漆設(shè)備電氣控制系統(tǒng)框圖Fig.6　The adjusted electrical control system of painting equipment

3　系統(tǒng)編程

S7-200系列PLC設(shè)有高速脈沖輸出指令，輸出頻率可達(dá)20 kHz，用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)精確控制，在運(yùn)動(dòng)控制中具有廣泛的應(yīng)用。使用該指令時(shí)，PLC主機(jī)應(yīng)選用晶體管輸出型，以滿足高速輸出的頻率要求。

3.1高速脈沖輸出的方式

高速脈沖輸出有PTO（輸出1個(gè)頻率可調(diào)、占空比為50%的脈沖）和PWM（輸出1個(gè)周期一定、占空比可調(diào)的脈沖）2種。

3.2輸出端的確定

S7-200PLC每一種CPU只有2個(gè)高速脈沖輸出端。輸出端是由系統(tǒng)指定的輸出點(diǎn)Q0.0，Q0.1，Q0.0輸出脈沖作為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的位置指令，脈沖的數(shù)量決定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)位移，即噴漆槍上下距離。Q0.1輸出脈沖作為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的方向指令，脈沖的頻率決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，即噴漆槍的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)其定義為高速脈沖輸出后，其他操作均失效，只有高速脈沖輸出不用時(shí)，才可用作普通數(shù)字量輸出點(diǎn)。通常在啟動(dòng)PTO/PWM之前用復(fù)位指令將Q0.0，Q0.1清零。

3.3程序編寫

由圖4可知，在PLC的輸入端有3個(gè)檢測(cè)管件傳感器，可以對(duì)3種不同高度的管件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，這種管件的高度分別是400 mm，500 mm，600 mm。按照上面的計(jì)算，若細(xì)分精度采用10 000步/r，則由每步直線位移0.006 mm的結(jié)論可知：400 mm對(duì)應(yīng)的步數(shù)是66 666個(gè)、500 mm對(duì)應(yīng)的步數(shù)是83 333個(gè)、600 mm對(duì)應(yīng)的步數(shù)是100 000個(gè)，編程過程中用到的關(guān)鍵指令是脈沖輸出指令PLS，當(dāng)用Q0.0作為脈沖發(fā)生器時(shí)，則SMB67是控制字、SMD72是脈沖計(jì)數(shù)值和1個(gè)周期及脈寬值SMW68。在具體編程時(shí)，還要考慮步進(jìn)電機(jī)在1次噴漆的過程中是往返1次，則在1次噴漆中的實(shí)際步數(shù)是這3個(gè)步數(shù)的2倍，這些都是在編程時(shí)應(yīng)該考慮的問題，主要程序及注解如圖7所示。

圖7　主要控制程序與注釋Fig.7　The main control program and annotation

4　結(jié)論

由于采用了可編程控制器（PLC）和步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為主要控制的技術(shù)方案，將不同規(guī)格的管件的高度距離轉(zhuǎn)換為不同數(shù)量和頻率的脈沖編寫至控制程序中，可以靈活根據(jù)檢測(cè)傳感器的檢測(cè)信號(hào)，來決定噴漆槍的升降位移和速度。因而克服了原有設(shè)備的諸多缺陷，提供了一種制造簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、易于維修、生產(chǎn)率及自動(dòng)化程度高的用于石油管件噴漆全自動(dòng)電氣控制裝置。

［1］ 靳哲，牟明朗，肖軍.可編程序控制器原理及應(yīng)用［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2014.

［2］ 西門子（中國）有限公司自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)集團(tuán).深入淺出西門子S7-200PLC［M］.第3版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［3］（日）坂本正文.步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)［M］.王自強(qiáng)，譯.北京：科學(xué)出版社，2010.

［4］ 陳隆昌，閻治安，劉新正.控制電機(jī)［M］.第4版.陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2013.

Stepper Motor Applications in the Oil Pipe Paint Spraying Equipment

JIN Zhe，XIAO Jun
（Electrical Engineering Department，Tianjin Metallurgical Vocation-technology Institute，Tianjin 300400，China）

In the application of paint spraying equipment for crude oil pipe，the adjustment of the printing spray gun cap detection position for the pipe should be taken according to the different specifications artificially.Only if the adjustment has be taken，can the painting technology be finished.It has the problem that there is no higher automation technology procedure.Expounded the use of stepper motor and S7-200 PLC to improve the electrical control part of the primary design scheme，technological process.After the adjustment of paint spraying equipment，it not only can automatically identify pipe fittings of different specifications，automatically adjust the spray gun lift displacement and speed，but also has the advantages of simple installation，low wiring，easy maintenance，etc.

stepper motor；spray gun；programmable controller

TP278

A

2015-06-03

修改稿日期：2016-01-19

靳哲（1967-），男，本科，副教授，Email：jinjinzhe210@sina.com