摘"要：針對(duì)清洗機(jī)各功能部位的傳感器因進(jìn)水故障導(dǎo)致系統(tǒng)控制紊亂甚至停機(jī)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于PLC和變頻器的網(wǎng)鏈?zhǔn)角逑礄C(jī)控制系統(tǒng)。介紹以FX5U為核心的整體控制原理以及結(jié)合隊(duì)列先入先出思想使用一個(gè)行程開(kāi)關(guān)來(lái)確定工件到達(dá)各工序的方法。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行正常，工件能準(zhǔn)確停在各關(guān)鍵位置點(diǎn)上。

關(guān)鍵詞：PLC；變頻器；網(wǎng)鏈?zhǔn)角逑礄C(jī)；先入先出

中圖分類號(hào)：TP273""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B""文章編號(hào)：1671-5276（2024）02-0274-03

Design and Implementation of Control System of Net Chain Cleaner Based on PLC

LIU Peifa

（Hebei Guangde Fluid Control Co.， Ltd.， Cangzhou 061019，China）

Abstract：Aimed at the disorder or even shutdown of sensor system control of each functional part of cleaning machine due to water inlet fault， a mesh chain cleaning machine based on PLC and frequency converter is designed. With FX5U as the core， this paper introduces the whole control principle and the method of using a travel switch to determine the arrival of the workpiece in each process by combining the idea of first in first out queuing. The actual operation tests show that the system operates normally and the workpiece can stop at each key position accurately.

Keywords：PLC；frequency converter；net chain cleaning machine；first in first out

0"引言

機(jī)加工等行業(yè)中，加工件表面常帶有鐵屑、油污、塵土、切削液等雜物，為提高產(chǎn)品的外觀質(zhì)量和使用性能，清洗工序是工件加工完成后的一個(gè)較重要的工序。市面上有較多類型的清洗設(shè)備，其中網(wǎng)鏈?zhǔn)匠暡ㄇ逑礄C(jī)因清洗效率高、設(shè)備便于維護(hù)而使用較多。

網(wǎng)鏈?zhǔn)角逑礄C(jī)運(yùn)行時(shí)，一般要求工件在到達(dá)相應(yīng)位置時(shí)（例如超聲波水槽底部），傳動(dòng)裝置停止一定時(shí)間后再繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)此功能的方式大多數(shù)是在相應(yīng)工位放置一檢測(cè)開(kāi)關(guān)用以確認(rèn)工件位置，但檢測(cè)裝置因進(jìn)水發(fā)生故障，從而導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)，影響工件清洗效率及后續(xù)工序的進(jìn)行。

針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)了一種使用行程開(kāi)關(guān)進(jìn)行工件位置定位的清洗機(jī)，程序通過(guò)此開(kāi)關(guān)的輸入進(jìn)行計(jì)數(shù)，以此確定多個(gè)工件位置。目前該設(shè)備已在我司常規(guī)閥項(xiàng)目部進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，設(shè)備運(yùn)行正常，清洗效果良好。

1"整體設(shè)計(jì)

1.1"結(jié)構(gòu)組成

網(wǎng)鏈?zhǔn)角逑礄C(jī)主要由超聲波清洗槽、溢流槽、噴淋裝置、風(fēng)淋裝置、加熱系統(tǒng)、傳動(dòng)裝置等組成，其中超聲波清洗槽內(nèi)部均勻分布一些振子，使得超聲波發(fā)射到工件表面的效果最佳，強(qiáng)化出油效果［1］。清洗機(jī)入口與出口處分別放置一光幕開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)工件盒。超聲波溢流槽與噴淋水槽里面分別安有液位開(kāi)關(guān)和溫度傳感器。網(wǎng)鏈每隔一定距離便有一個(gè)固定擋板，擋板的作用一是固定工件盒，防止其在隨網(wǎng)鏈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)側(cè)翻等情況，二是使行程開(kāi)關(guān)碰到擋板時(shí)有輸出。超聲波水槽與超聲波溢流槽通過(guò)循環(huán)泵構(gòu)成一個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)，超聲波溢流槽與噴淋水槽的水相互獨(dú)立，且均帶有過(guò)濾裝置，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2"工作原理

將放有待清洗工件的工件盒放置在傳動(dòng)網(wǎng)鏈的兩個(gè)擋板之間，入料口光幕識(shí)別一定時(shí)間后，傳動(dòng)電機(jī)以設(shè)定速度向前運(yùn)行，同時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)行程開(kāi)關(guān)的輸入進(jìn)行計(jì)數(shù)并與超聲波位置值、噴淋位置值、風(fēng)淋位置值進(jìn)行比較，當(dāng)內(nèi)部計(jì)數(shù)值等于上述3個(gè)位置設(shè)定值時(shí)，傳動(dòng)電機(jī)減速停止，相應(yīng)功能區(qū)域內(nèi)的元器件動(dòng)作，工作指定時(shí)間后，傳動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，直至工件盒到達(dá)下料口光幕開(kāi)關(guān)處，此時(shí)一個(gè)工件盒的清洗流程結(jié)束。

當(dāng)清洗機(jī)內(nèi)部存在多個(gè)工件盒時(shí)，只要任意一工件盒到達(dá)相應(yīng)功能區(qū)域，傳動(dòng)電機(jī)便停止運(yùn)行，當(dāng)多個(gè)工件盒同時(shí)到達(dá)功能區(qū)時(shí)，傳動(dòng)電機(jī)停止時(shí)間由功能區(qū)設(shè)定時(shí)間最長(zhǎng)來(lái)決定。例如清洗時(shí)兩個(gè)工件盒分別到達(dá)超聲波水槽和噴淋口下方，超聲清洗時(shí)間設(shè)定為30s，噴淋時(shí)間設(shè)定為15s，噴淋水泵在噴淋15s后停止，此時(shí)傳動(dòng)電機(jī)并不啟動(dòng)，只有在超聲波清洗時(shí)間到達(dá)30s時(shí)，傳動(dòng)電機(jī)才會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。

受設(shè)備長(zhǎng)度影響，清洗機(jī)存在最大清洗能力，即清洗機(jī)內(nèi)部所允許出現(xiàn)的最大工件盒數(shù)量。只要下料光幕有輸入時(shí)，傳動(dòng)電機(jī)便停止運(yùn)行。

2"控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

清洗機(jī)控制系統(tǒng)主要由傳感器模塊、控制模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)傳感器模塊采集清洗機(jī)溫度、液位以及開(kāi)關(guān)量輸入數(shù)據(jù)?？刂颇K中PLC負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算并同時(shí)與溫控表、變頻器采用通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，溫控表通過(guò)比較實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定溫度對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加熱棒進(jìn)行通斷控制，以達(dá)到溫控目的，變頻器根據(jù)設(shè)定值控制現(xiàn)場(chǎng)水泵、傳動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?？刂葡到y(tǒng)的總體硬件框圖如圖2所示。

2.1"傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器模塊中的行程開(kāi)關(guān)、光幕開(kāi)關(guān)、液位開(kāi)關(guān)均為主令開(kāi)關(guān)，是用來(lái)發(fā)布命令，閉合或斷開(kāi)控制電路并改變系統(tǒng)工作狀態(tài)的電器［2］，本次設(shè)計(jì)中液位開(kāi)關(guān)選擇浮球樣式，光幕與浮球開(kāi)關(guān)接線方式為常閉，使系統(tǒng)具備斷線檢測(cè)功能。

溫度傳感器大體分為熱電阻與熱電偶，鉑熱電阻物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，感溫元件體積小，熱響應(yīng)快［3］，因此溫度傳感器選用3線制的PT100。

2.2"控制模塊設(shè)計(jì)

溫控表選擇宇電AI-526，此儀表支持Modbus_RTU通信，Modbus協(xié)議使不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，方便進(jìn)行集中控制［4］，PLC選擇同時(shí)具備以太網(wǎng)端口和RS485接口的FX5U-32MR/ES，接線時(shí)要把PLC本體模塊的終端電阻切換至110 Ω，同時(shí)終端設(shè)備的RDA、RDB端口也要接上110 Ω的終端電阻，提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，減小干擾［5］。變頻器選擇臺(tái)達(dá)精巧標(biāo)準(zhǔn)型MS300，水泵控制方式為V/F模式，矢量控制可以分別控制異步電動(dòng)機(jī)定子的轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流，使其得到和直流電動(dòng)機(jī)一樣的控制性能，因此傳動(dòng)電機(jī)控制方式為矢量控制［6］。

3"程序與HMI畫面設(shè)計(jì)

3.1"整體程序流程圖

待清洗工件需要依次完成超聲波清洗、噴淋沖洗、風(fēng)淋操作，因此PLC需要控制傳動(dòng)電機(jī)的啟停、各工序電機(jī)的啟停以及各工序的工作時(shí)間。因每個(gè)工件盒都需要在各工序停止，所以每個(gè)工件盒的計(jì)數(shù)在系統(tǒng)內(nèi)部都是獨(dú)立運(yùn)行，一旦有工件盒到達(dá)任意工序時(shí)，傳動(dòng)電機(jī)需停止運(yùn)轉(zhuǎn)。整體動(dòng)作流程如圖3所示。

3.2"使用行程開(kāi)關(guān)確定工件位置功能的原理與實(shí)現(xiàn)方法

因所有工件盒共用同一行程開(kāi)關(guān)進(jìn)行計(jì)數(shù)并且工件盒是依次放置，先放入的盒子計(jì)數(shù)值要比后放入的計(jì)數(shù)值大，最先放置的工件盒最先清洗完成，因此整個(gè)清洗過(guò)程可近似看作為隊(duì)列的先入先出，隊(duì)列中的數(shù)據(jù)會(huì)隨著行程開(kāi)關(guān)狀態(tài)的改變而同時(shí)變化。不妨把清洗機(jī)最大清洗數(shù)量當(dāng)作隊(duì)列長(zhǎng)度，入料口光幕開(kāi)關(guān)相當(dāng)于入隊(duì)操作，而出料口光幕開(kāi)關(guān)相當(dāng)于出隊(duì)操作。

系統(tǒng)內(nèi)部建立存儲(chǔ)工件盒計(jì)數(shù)值的數(shù)組StatPosCountValue，數(shù)組長(zhǎng)度為最大清洗數(shù)量。每當(dāng)上料光幕i_bEnableSensor有輸入時(shí)，內(nèi)部工件數(shù)量StatInsideValue加1。在行程開(kāi)關(guān)i_bCountSensor有輸入時(shí)，StatPo-sCountValue數(shù)組前StatInsideValue（含）個(gè)元素進(jìn)行加1計(jì)數(shù)操作，其程序如圖4所示。

當(dāng)下料光幕i_bDisEnableSensor有輸入時(shí)，數(shù)組整體向前移動(dòng)一位，數(shù)組最后一個(gè)元素賦值0，同時(shí)內(nèi)部工件數(shù)量StatInsideValue減1，其程序如圖5所示。

計(jì)數(shù)數(shù)組StatPosCountValue任意元素到達(dá)相關(guān)工序所設(shè)定的位置范圍時(shí)，傳動(dòng)電機(jī)停止，同時(shí)相應(yīng)工序運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間。

3.3"HMI畫面設(shè)計(jì)

HMI泛指操作人員和機(jī)器設(shè)備交換信息的設(shè)備，即觸摸顯示屏、操作顯示面板等。清洗機(jī)觸摸屏分別設(shè)計(jì)了主畫面、參數(shù)設(shè)定、手動(dòng)操作、IO監(jiān)控、報(bào)警查看以及配方6個(gè)底層畫面，在參數(shù)設(shè)定畫面中插入了間接窗口以方便對(duì)參數(shù)進(jìn)行集中管理，部分畫面如圖6所示。

4"結(jié)語(yǔ)

該設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行期間，F(xiàn)X5U偶爾發(fā)生Modbus通信故障，使用手持示波器現(xiàn)場(chǎng)查看Modbus通信波形，經(jīng)大量觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)在變頻器運(yùn)行期間，波形噪聲過(guò)大，通信故障時(shí)的A線與B線電壓均不在正常值范圍之間，以此判斷通信故障原因?yàn)樽冾l器所致。檢查電控柜及現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)發(fā)現(xiàn)，電機(jī)動(dòng)力線僅單端接地，同時(shí)柜內(nèi)動(dòng)力線與通信線同線槽鋪設(shè)，解決方式為重新接地、柜內(nèi)通信線與動(dòng)力線分開(kāi)鋪設(shè)，故障解除。

本文設(shè)計(jì)并制作了一種網(wǎng)鏈?zhǔn)角逑礄C(jī)。該清洗機(jī)的系統(tǒng)能根據(jù)需要調(diào)整工件在清洗機(jī)內(nèi)部功能區(qū)停止位置。長(zhǎng)期運(yùn)行表明，該清洗機(jī)產(chǎn)品覆蓋范圍廣且清洗效果良好，日清洗工件數(shù)量達(dá)到預(yù)期要求，設(shè)備故障率明顯低于車間其他傳統(tǒng)網(wǎng)鏈?zhǔn)角逑礄C(jī)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 陳天玉. 不銹鋼表面處理技術(shù)［M］. 2版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016：5-7.

［2］ 代穎. 現(xiàn)代低壓電器技術(shù)［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020：57.

［3］ 戴蓉，劉波峰. 傳感器原理與工程應(yīng)用［M］. 2版. 北京：電子工業(yè)出版社，2021：247.

［4］ 向曉漢. 西門子PLC工業(yè)通信完全精通教程［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013：58.

［5］ 蔡杏山. 全彩圖解三菱FX3S/3U/3U系列PLC快速入門與提高［M］. 北京：電子工業(yè)出版社，2021：327-328.

［6］ 向曉漢. 西門子SINAMICS G120 S120變頻器技術(shù)與應(yīng)用［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020：62.

收稿日期：20221011