李合周

（浙江天能動(dòng)力能源有限公司，浙江 長(zhǎng)興 313100）

1 清洗機(jī)的設(shè)計(jì)背景

在鉛酸蓄電池行業(yè)中，普遍采用添加膠體電解液后內(nèi)化成的工藝生產(chǎn)閥控式電池。膠體電解液一般由氣相二氧化硅與稀硫酸配制而成，具有一定的粘度。在電池加酸工序中，加酸機(jī)上的加酸壺內(nèi)壁會(huì)粘附膠體，造成加酸壺內(nèi)部容積變小，從而導(dǎo)致電池加酸量發(fā)生變化，影響電池的性能，因此使用一段時(shí)間后，必須對(duì)加酸壺內(nèi)部進(jìn)行清洗，去除粘附的膠體。但是，由于加酸壺為密閉式，只有進(jìn)酸口和出酸口，清洗難度較大，且無法清洗干凈。針對(duì)上述情況，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了自動(dòng)清洗機(jī)，并用專用清洗液對(duì)加酸壺進(jìn)行清洗。

2 清洗機(jī)的動(dòng)作要求

加酸壺自動(dòng)清洗機(jī)的系統(tǒng)組成如圖 1 所示。對(duì)清洗機(jī)的動(dòng)作要求如下：

圖1 加酸壺自動(dòng)清洗機(jī)示意圖

2.1 設(shè)備自動(dòng)循環(huán)過程

手工放置加酸壺—按下加酸壺定位按鈕—推出定位氣缸—手工定位加酸壺完畢—按循環(huán)啟動(dòng)按鈕—退回定位氣缸—壓緊氣缸向下，壓緊酸壺定位—控制時(shí)間，時(shí)間到—打開壓縮空氣電磁閥，通入壓縮空氣，吹酸壺—通入壓縮空氣的時(shí)間到—關(guān)閉壓縮空氣電磁閥—打開水路電磁閥，起動(dòng)水泵，沖洗酸壺—水路通入時(shí)間到，關(guān)閉水路電磁閥，停止水泵—打開壓縮空氣電磁閥，吹酸壺—通氣時(shí)間到，關(guān)閉壓縮空氣電磁閥—打開水路電磁閥，起動(dòng)水泵。如此反復(fù)，持續(xù) 3 個(gè)循環(huán)（可調(diào)整）后，打開壓縮空氣電磁閥，吹酸壺—時(shí)間到，關(guān)閉壓縮空氣電磁閥，吹酸壺完畢—壓緊氣缸退回原位—自動(dòng)停止，手動(dòng)取出加酸壺。這樣一個(gè)循環(huán)結(jié)束，開始下一個(gè)自動(dòng)循環(huán)過程（見圖 2）。

圖2 清洗機(jī)自動(dòng)循環(huán)過程

2.2 手動(dòng)操作

手動(dòng)操作基本有：推出/退回酸壺定位氣缸（向前/向后）；推出/退回酸壺主氣缸（向下/向上）；打開/關(guān)閉壓縮空氣電磁閥；打開/關(guān)閉清洗液水電磁閥；打開/關(guān)閉水泵。設(shè)計(jì)手動(dòng)操作程序和動(dòng)作的目的是為了調(diào)試單個(gè)動(dòng)作的準(zhǔn)確性，方便調(diào)試和維修。而且，設(shè)計(jì)要求自動(dòng)循環(huán)過程中的每一步都能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)操作。

2.3 急?？刂?/h3>

當(dāng)操作過程中遇到緊急的情況時(shí)，急?？刂瞥绦蚩赏Ｖ顾袆?dòng)作。

3 PLC 的選擇與輸入/輸出點(diǎn)的地址分配及接線

3.1 PLC 輸入點(diǎn)的計(jì)算及分配[2]

在清洗機(jī)自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行時(shí)，需要操作 1 個(gè)自動(dòng)循環(huán)開始按鈕、1 個(gè)酸壺定位開始按鈕、2 個(gè)酸壺定位氣缸前/后位感應(yīng)開關(guān)和 2 個(gè)酸壺壓緊氣缸前/后位置感應(yīng)開關(guān)；在手動(dòng)工作方式時(shí)，需要操作2 個(gè)有酸壺定位向前/向后按鈕、2 個(gè)酸壺夾緊向前/向后按鈕、1 個(gè)壓縮空氣電磁閥打開按鈕、1 個(gè)水路電磁閥打開按鈕和1 個(gè)水泵起動(dòng)按鈕；還有 1 個(gè)急停按鈕、2 個(gè)三位位置旋鈕（手動(dòng)/自動(dòng)/空）：總共需要 16 個(gè)輸入點(diǎn)。

根據(jù)實(shí)際情況，將手動(dòng)方式中酸壺定位氣缸向前按鈕與自動(dòng)循環(huán)方式中酸壺定位按鈕合并為 1個(gè)，手動(dòng)方式中酸壺定位氣缸向前按鈕與自動(dòng)循環(huán)方式中自動(dòng)循環(huán)開始按鈕合并為 1 個(gè)。因此，實(shí)際使用的 PLC 輸入點(diǎn)為 14 個(gè)，而西門子 PLC S7-200 CPU 224XP CN AC/DC/RLY 正好有 14 個(gè)輸入點(diǎn)。

3.2 PLC 輸出點(diǎn)的計(jì)算及分配

在自動(dòng)循環(huán)方式/手動(dòng)工作方式下，需要操作 2個(gè)操作酸壺定位氣缸前進(jìn)/后退電磁閥、2 個(gè)酸壺夾緊/放松氣缸控制電磁閥、1 個(gè)壓縮空氣打開電磁閥控制、1 個(gè)水路打開控制電磁閥和 1 個(gè)水泵起動(dòng)控制轉(zhuǎn)換中間繼電器。而且，還有 2 個(gè)自動(dòng)循環(huán)工作方式/手動(dòng)工作方式狀態(tài)指示燈。據(jù)此計(jì)算，總計(jì)有9 個(gè) PLC 輸出點(diǎn)。西門子 PLC S7-200 CPU 224XP CN AC/DC/RLY 正好有 10 個(gè)輸出點(diǎn)，可以滿足輸出點(diǎn)數(shù)量的要求，還可以留 1 個(gè)當(dāng)備用輸出點(diǎn)。

3.3 PLC 輸出驅(qū)動(dòng)負(fù)載電壓計(jì)算

西門子 PLC S7-200 CPU 224XP CN AC/DC/RLY 輸出可分為 3 組：Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3共 4 個(gè)為第1 組，公用端為 1L；Q0.4、Q0.5、Q0.6 共 3 個(gè)為第2 組，公用端為 2L；Q0.7、Q1.0、Q1.1 共 3 個(gè)為第3 組，公用端為 3L。

本次設(shè)計(jì)的負(fù)載中，所有氣缸驅(qū)動(dòng)電磁閥和壓縮空氣/水路/水泵中繼控線圈采用 DC24V，自動(dòng)循環(huán)/手動(dòng)工作方式指示燈采用 DC24V。西門子 PLC S7-200 CPU 224XP CN AC/DC/RLY 輸入/輸出地址分配如表 1 所示，PLC 外部接線如圖 3 所示。

表1 西門子PLC S7-200 CPU 224XP CN AC/DC/RLY輸入/輸出地址分配表

圖3 PLC 外部接線圖

4 順序控制程序的設(shè)計(jì)

4.1 編寫循序控制流程圖

順序控制就是按照生產(chǎn)工藝事先規(guī)定的順序，在各個(gè)輸入信號(hào)的作用下，按照內(nèi)部狀態(tài)和實(shí)際的順序，使生產(chǎn)過程中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)地按照一定的順序進(jìn)行工作。使用順序控制設(shè)計(jì)法時(shí)，首先要根據(jù)系統(tǒng)的工藝過程畫出順序功能圖（參見圖4），然后將順序功能圖轉(zhuǎn)換成梯形圖（LAD）或者語句表（STL）。順序功能圖又叫狀態(tài)流程圖或者狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，順序功能圖編程語言是基于工藝流程的高級(jí)語言[3]。它是用圖形符號(hào)和文字表達(dá)相結(jié)合的方法，包含電氣、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械控制系統(tǒng)或系統(tǒng)某些部分的控制過程、功能和特性的一種通用語言[4]。 在功能表圖中，把一個(gè)過程循環(huán)分解成若干個(gè)清晰的連續(xù)階段稱之為“步” ，步與步之間由“轉(zhuǎn)換”分隔。當(dāng)兩步之間的轉(zhuǎn)換條件滿足，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，上一步的活動(dòng)結(jié)束，而下一步的活動(dòng)開始。一個(gè)過程循環(huán)分的步越多，對(duì)過程的描述就越準(zhǔn)確。

4.2 PLC 控制程序的編寫

圖4 順序控制功能圖

主程序 (OB) 編程要點(diǎn)：主程序（OB）編制時(shí)包括調(diào)用 2 個(gè)子程序，即自動(dòng)循環(huán)控制子程序（SBR-1）和手動(dòng)方式調(diào)試子程序（SBR-2）。用1個(gè)三位鈕子開關(guān)，可以分別旋至自動(dòng)位置(I0.6=1)、空位置、手動(dòng)位置 (I0.7=1)，分別接通調(diào)用自動(dòng)循環(huán)子程序 1 (SBR-1)、手動(dòng)控制程序子程序 2 (SBR-2)，放在空位置上時(shí)程序沒動(dòng)作。主程序包括緊急控制程序，緊急情況時(shí)急停按鈕將 PLC的3個(gè)輸出點(diǎn)，即 Q0.4、Q0.5、Q0.6（壓縮空氣、沖水、水泵起動(dòng)）立即復(fù)位，禁止輸出。

4.3 自動(dòng)循環(huán)控制程序編寫說明

循環(huán)次數(shù)計(jì)數(shù)器（C10）開始計(jì)數(shù)：由于自動(dòng)循環(huán)中壓縮空氣和沖洗加酸壺都是靠時(shí)間繼電器控制的，因此循環(huán)次數(shù)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)必須以時(shí)間繼電器的接通脈沖上升沿（P）控制，T101 觸發(fā) 1次，計(jì)數(shù) 1 次。

循環(huán)次數(shù)計(jì)數(shù)器（C10）結(jié)束計(jì)數(shù)：由于工藝要求循環(huán)結(jié)束時(shí)，最后 1 次是壓縮空氣沖刷加酸壺，這就意味著壓縮空氣沖刷加酸壺的次數(shù)比沖洗加酸壺的次數(shù)多了 1 次。因此，當(dāng)計(jì)數(shù)器（C10）計(jì)算的次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，在計(jì)數(shù)器（C10）動(dòng)作的同時(shí)，必須禁止沖洗加酸壺動(dòng)作，所以要將計(jì)數(shù)器（C10）的常閉觸點(diǎn)串入液路和水泵（Q0.5，Q0.6）控制。

主氣缸退回上位（Q0.3）：達(dá)到工藝要求的循環(huán)次數(shù)時(shí)，循環(huán)次數(shù)計(jì)數(shù)器（C10）接通，C10 常開觸點(diǎn)接通 Q0.3，壓緊氣缸退回上位后，感應(yīng)開關(guān)I0.3 接通，退回停止。

循環(huán)次數(shù)計(jì)數(shù)器（C10）復(fù)位控制：在循環(huán)結(jié)束時(shí)，循環(huán)次數(shù)計(jì)數(shù)器（C10）處于接通狀態(tài)，因此采用酸壺定位按鈕按下（I0.0）來復(fù)位循環(huán)次數(shù)計(jì)數(shù)器（C10），使其清零。

再次循環(huán)開始條件：第1次循環(huán)結(jié)束，酸壺主氣缸回到上位（I0.3通）后，要將退回動(dòng)作（Q0.3）復(fù)位，同時(shí)為下一次循環(huán)條件置位，以便開始下一個(gè)循環(huán)。

避免再次循環(huán)開始時(shí)的誤動(dòng)作：由于上次循環(huán)中，壓縮空氣通入后，沖洗動(dòng)作沒有進(jìn)行，但是沖洗動(dòng)作轉(zhuǎn)換條件已經(jīng)接通，再次循環(huán)開始后，一旦條件具備，就會(huì)造成有些誤動(dòng)作，因此必須在程序中編入必要的置位和復(fù)位，以保證再次循環(huán)的正確動(dòng)作。

加酸壺定位氣缸前進(jìn)/后退：加酸壺主氣缸夾緊/松開依靠各自氣缸前/后位感應(yīng)開關(guān)，到位后要停止相關(guān)的動(dòng)作。

緊急情況的停止：在自動(dòng)循環(huán)時(shí)，一旦發(fā)生緊急情況，如加酸壺漏水，管道破裂等，需要緊急停止自動(dòng)清洗機(jī)當(dāng)前正在進(jìn)行的動(dòng)作。由于自動(dòng)循環(huán)控制程序是順序控制程序，可以將三位旋鈕旋至空位置，但不能關(guān)斷當(dāng)前正在進(jìn)行的動(dòng)作，因此必須旋至手動(dòng)位置。為了可靠操作，考慮到員工的工作習(xí)慣，也可以采用雙重保險(xiǎn)，因此又增加設(shè)計(jì)了急停按鈕。

自動(dòng)循環(huán)程序是順序控制程序，急停按鈕需要控制步與步之間轉(zhuǎn)換條件，比較麻煩，因此將急停按鈕直接控制壓縮空氣、沖洗水路電磁閥和水泵，在主程序中將輸出線圈直接復(fù)位。

由于自動(dòng)循環(huán)控制程序是順序控制程序，當(dāng)臨時(shí)故障處理完畢后可以繼續(xù)接著進(jìn)行以前沒有進(jìn)行完畢的步驟，因此將急停安裝釋放后，可以接著進(jìn)行原來的步驟。

4.4 手動(dòng)控制程序編寫要點(diǎn)

定位氣缸和夾緊氣缸的互鎖：定位氣缸推出和后退時(shí)，壓緊氣缸必須在上位（I0.3通），按下定位前/后按鈕（I0.0/10.5）即可；夾緊氣缸上下動(dòng)作時(shí)，定位氣缸必須在退回位置（I0.1通），按下氣缸夾緊/松開按鈕（I1.1/I1.2）即可。

吹氣，壓縮空氣電磁閥（Q0.4）打開條件：定位氣缸在后位（I0.1通），SBR-1夾緊氣缸在下位（I0.4通），按下壓縮空氣按鈕（I1.3）即可。

沖水電磁閥（Q0.5）打開條件：定位氣缸在后位（I0.1通），夾緊氣缸在下位（I0.4通），按下沖水按鈕（I1.4）即可。

水泵中間繼電器（Q0.6）接通條件：只要在手動(dòng)位置，按水泵按鈕（I1.5）即可。

5 順序控制程序（自動(dòng)控制）詳解（參見圖5）

自動(dòng)循環(huán)程序開始的條件有：三位旋鈕旋至自動(dòng)位置 (I0.6=1)，杯子定位氣缸在后位 (I0.1=1)，杯子壓緊氣缸在上位 (I0.3=1)，各自對(duì)應(yīng)的 PLC 輸入點(diǎn)接通，對(duì)應(yīng)的指示燈亮（自動(dòng)循環(huán) Q1.0=1）。

根據(jù)自動(dòng)循環(huán)動(dòng)作要求，自動(dòng)循環(huán)控制程序編制以順序控制程序 (SCR) 為主，PLC 一旦運(yùn)行，SM0.1 的初始化脈沖信號(hào)使順序控制繼電器 S0.0被置位，初始步變?yōu)榛顒?dòng)步，程序開始執(zhí)行 S0.0對(duì)應(yīng)的 SCR 段。按杯子定位按鈕 （I0.0=1），滿足轉(zhuǎn)換條件，SCRT 指令使 S0.1 被激活（S0.0 對(duì)應(yīng)的 SCR 段自動(dòng)復(fù)位），程序轉(zhuǎn)為執(zhí)行 S0.1 對(duì)應(yīng)的SCR 段。

在 S0.1 程序段中，杯子定位氣缸推出（Q0.0=1），氣缸推出到位后（I0.2=0），轉(zhuǎn)換條件得到滿足，SCRT 指令使 S0.2 被激活，S0.1對(duì)應(yīng)的 SCR 段自動(dòng)復(fù)位，定位氣缸推出動(dòng)作停止 Q0.0=0，程序轉(zhuǎn)為執(zhí)行 S0.2 對(duì)應(yīng)的 SCR 段。在S0.2 程序段中，按循環(huán)起動(dòng)按鈕，轉(zhuǎn)換條件得到滿足，SCRT 指令使 S0.3 被激活，S0.2 對(duì)應(yīng)的 SCR 段自動(dòng)復(fù)位，程序轉(zhuǎn)為執(zhí)行 S0.3 對(duì)應(yīng)的SCR 段。在 S0.3 程序段中，杯子定位氣缸退回（Q0.1=1），氣缸退回到位后（I0.1=1），轉(zhuǎn)換條件得到滿足，SCRT 指令使 S0.4 被激活，S0.3 對(duì)應(yīng)的 SCR 段自動(dòng)復(fù)位，程序轉(zhuǎn)為執(zhí)行 S0.4對(duì)應(yīng)的SCR 段。在 S0.4 程序段中，杯子夾緊氣缸向下推出（Q0.2=1），夾緊氣缸推出到位后（I0.4=1），轉(zhuǎn)換條件得到滿足，SCRT 指令使 S0.5 被激活，S0.4 對(duì)應(yīng)的 SCR 段自動(dòng)復(fù)位，程序轉(zhuǎn)為執(zhí)行 S0.5對(duì)應(yīng)的 SCR 段。在 S0.5 程序段中，PLC 內(nèi)部時(shí)間繼電器 T100 接通，開始延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到，時(shí)間繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，轉(zhuǎn)換條件得到滿足，SCRT 指令使 S0.6 被激活，S0.5 對(duì)應(yīng)的 SCR 段自動(dòng)復(fù)位，程序轉(zhuǎn)為執(zhí)行 S0.6 對(duì)應(yīng)的 SCR 段。在S0.6 程序段中，Q0.4=1 壓縮空氣電磁閥打開，同時(shí) PLC 內(nèi)部時(shí)間繼電器 T101 接通，開始延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到，時(shí)間繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，轉(zhuǎn)換條件得到滿足，SCRT 指令使 S0.7 被激活，S0.6 對(duì)應(yīng)的SCR 段自動(dòng)復(fù)位，程序轉(zhuǎn)為執(zhí)行 S0.7 對(duì)應(yīng)的 SCR段，Q0.4=0 壓縮空氣電磁閥關(guān)閉。在S0.7 程序段中，Q0.5=1，Q0.6=1，沖水電磁閥打開，水泵起動(dòng)，同時(shí) PLC 內(nèi)部時(shí)間繼電器 T102 接通，開始延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到，時(shí)間繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，轉(zhuǎn)換條件得到滿足，SCRT 指令使 S1.0 被激活，S0.7對(duì)應(yīng)的 SCR 段自動(dòng)復(fù)位，程序轉(zhuǎn)為執(zhí)行 S1.0 對(duì)應(yīng)的 SCR 段。在 S1.0 程序段中，由于 SM0.0=1 轉(zhuǎn)換條件得到滿足，SCRT 指令使 S0.5 被激活，S1.0 對(duì)應(yīng)的 SCR 段自動(dòng)復(fù)位，程序轉(zhuǎn)為執(zhí)行 S0.5 對(duì)應(yīng)的SCR 段。開始循環(huán)。

在 SCR 程序之外，當(dāng) PLC 內(nèi)部時(shí)間繼電器T101 常開觸點(diǎn)接通 1 次，PLC 內(nèi)部計(jì)數(shù)器 C10 計(jì)數(shù) 1 次，達(dá)到設(shè)定的計(jì)數(shù)值，C10 的常開觸點(diǎn)閉合，PLC 內(nèi)部狀態(tài)繼電器 S1.2 被置位。由于夾緊氣缸在夾緊位置（下位），I0.4=1，所以 Q0.3=1，夾緊氣缸向上退回。

當(dāng) PLC 內(nèi)部計(jì)數(shù)器達(dá)到設(shè)定的計(jì)數(shù)值時(shí)，C10的常閉觸點(diǎn)斷開，使得 S0.7 對(duì)應(yīng)的 SCR 段不能執(zhí)行，因此實(shí)現(xiàn)了循環(huán)過程中最后一次壓縮空氣吹氣后，不再進(jìn)行沖水動(dòng)作。當(dāng)夾緊氣缸退回到上位時(shí)，上位磁感應(yīng)開關(guān)動(dòng)作 (I0.3=1)，將 S1.2 復(fù)位，從而使夾緊氣缸退回動(dòng)作結(jié)束。同時(shí)上位磁感應(yīng)開關(guān)動(dòng)作 (I0.3=1) 后，將 S0.0 置位 S0.0=1，以利于下一個(gè)自動(dòng)循環(huán)。

在以上程序執(zhí)行過程中，沒有將 S0.7 復(fù)位，即 S0.7=1 的條件始終沒有消失，一旦 C10=0，S0.7對(duì)應(yīng)的 SCR 段馬上開始執(zhí)行，所以在下一個(gè)循環(huán)開始時(shí)，按下杯子定位按鈕（I0.0=1）時(shí)，將 S0.7復(fù)位。

在以上程序中，沒有將 C10 復(fù)位，即 C10=1的條件沒有消失，這樣造成在下一個(gè)循環(huán)中，當(dāng)程序執(zhí)行至 S0.7 對(duì)應(yīng)的 SCR 段時(shí)，就無法再進(jìn)行下去。所以在下一個(gè)循環(huán)開始時(shí)，按下杯子定位按鈕（I0.0=1）時(shí)，將 C10 復(fù)位。

圖5 主程序，手動(dòng)、自動(dòng)程序

6 結(jié)束語

加酸壺清洗機(jī)采用自動(dòng)控制系統(tǒng)后，由于用清洗液清洗時(shí)間、壓縮空氣沖洗時(shí)間，及沖洗次數(shù)可調(diào)，修改方便，動(dòng)作準(zhǔn)確，每分鐘（時(shí)間可調(diào)）可以同時(shí)清洗 4 只加酸壺，大大提高了清洗效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了人效，實(shí)現(xiàn)機(jī)器代人的效果良好。

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