基于PLC的积放链控制系统的设计.pdf

2 0 1 0 年第7 期 控 制与检 测 文章编 号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 o l o 0 7 0 0 4 70 3 基于 P L C的积放链控制系统的设计 王明武 ， 陈曼龙 ， 杨 明亮 陕西理工学院 机械工程学院 ， 陕西 汉中 7 2 3 0 0 3 摘 要 积放链 控 制 系统 主要 监控 柴 油机 涂 装 车 间 积放 链 的运 行 。使 用 工 业现 场 总 线 、 可 编 程控 制 器 、 射 频 识别 、 组 态软件 等技 术 完成 了 柴 油机 积 放 链 控 制 系统 的 设 计 ， 并 从 工 艺过 程 、 电 气控 制 系统 、 程 序 设 计 、 系统故障检测等方面详细地 阐述 了该 系统。该 系统 已经投入运行 ， 实践证明 ， 系统安全可靠 ， 能确保 设 备连 续运 行 ， 满足 有效 、 有 序地 组 织批 量 生产 的要 求。 关 键词 可编程控 制 器 ； 积放 链 ； 控 制 系统 ； 现 场 总线 中图分 类号 T G 6 5 ； T P 2 7 8 文献标 识 码 A De s i gn o f PLC- ba s e d Co nt r o l Sy s t e m f or Po we r Fr e e Cha i n W ANG Mi n g - WU，CHEN Ma n l o n g，YANG Mi n g l i a n g S h a a n x i u n i v e r s i t y o f I n d u s t r y ．D e p t ．o f Me c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ， S h a a n x i H a n z h o n g 7 2 3 0 0 3 ， C h i n a Abs t r ac tPo we r Fr e e Ch a i n o pe r a t i o n o f pa i n t i n g wo r k s ho p wa s mo ni t o r e d ma i nl y by d i e s e l po we r＆ f r e e c h a in c o n t r o l s ys t e m．Th e po we r＆ f r e e c o n t r o l s ys t e m wa s r e a l i ze d b y us ing ma n y t e c h n o l o g y inc l ud ing i n d us t r i a l fie l d b u s ，Pr o g r a mma b l e l og i c c o n t r o l l e r ，r a d i o f r e q ue n c y i d e nt i fic a t i o n，c o nfig ur a t i o n s o f t wa r e a n d S O o n． Th i s s ys t e m wa s d e s c r i b e d d e t a i l e d l y i n t he a s pe c t s o f pr o c e s s e n g i n e e r ing ，e l e c t r i c a l c o n t r o l s ys t e m r e a l i - za t i o n， pr o g r a m d e s i g n a n d s ys t e m f a u l t d e t e c t ．Th i s s ys t e m h a s b e e n put int o o pe r a t i o n．As pr a c t i c e ha s s h o wn， t h i s s y s t e m i s s a f e l y a nd c r e d i bi l i t y a n d c a n e n s u r e e q u i pme n t wo r k c o nt i n u a l l y，S O i t c a n me e t t he c h a l l e ng e o f o r g a n i zing ma s s pr od u c e e f f e c t i v e l y a n d o r d e r l y． Ke y w o r d s p r o g r a mma b l e l o gi c c o n t r o l l e r ； p o w e r f r e e c h a in； c o n t r o l s y s t e m； f i e l d b u s O 引 言 积放式悬挂输送机是一种 自动化程度较高 的综合 性空间储运 系统 ， 它 由可编程序控制器进行控制 。积 放链系统中的载货小车可 以按要求 自动停止或前进 ， 实现物件的 自动输送 、 计数 、 等待 、 发送等功能 ， 并能与 地 面设 备联 网形成 一个 高 速 、 智 能 处 理 的 生 产输 送 系 统 ， 从而起到 自动组织和管理的作用 ， 目前已经被广泛 地 应用 于发 动机 行业 的总装 、 涂 装 、 焊装 等行 业 中 。 WP 1 2 ／ WP I O系列 柴油机涂 装生 产线 承 担着 四气 门 系列多缸柴油机的外 表面清洗、 涂装、 烘干任务。生产 纲领 为 5 0 0 0 0台／ 年 ， 并 预 留 5 0 0 0 0台／ 年的生产 能力 ， 生 产 节拍为 2分 钟／ 台 ， 该 系统 已经 投 入 运行 半 年 。积 放 链控 制系统是涂 装车 间 的一个 重要 组成 部 分 ， 它 主要 控 制涂 装车 间的积放链 的运 行 ， 其 自动 控 制 系统 的水平 高 低和可靠性的好坏 ， 直接影响发动机的产量和质量 。 1 工艺 过程 全线设有 3 1 个停止器 ， 1 个分流道岔区， 1个检修 道岔区 ， 4上下坡段 。每部 柴油机从装配车间过来时 ， 车身上 粘 贴 有代 表 该 柴 油 机 特征 信 息 的 唯一 性 编 码条码 。如图 1所示。条码采用 1 2 8码制 ， 包含 了柴油机机型 、 订货厂家、 订货号 、 编号等各种信息 ； 而 且该条码具备耐腐蚀、 耐高温特性 ， 以防止柴油机车身 经过 前处 理 、 脱 脂 、 热 水 喷 淋 、 烘 干 等 工 艺 过 程 时 而 造 成 的 条码 的损 坏 。 整机条码信息说咀条码长度为3 l O [厘米 码制为l 2 8 码 机体信息订货厂家信息 字体大小字体大小 一WD6156A lllli0303999545 DH615QO189 ⋯ 号 f YY泞查广 十一”一 勇墨EIL编号 号 l嘲 J I 紫油机编号信息 定货号信息 检验浑检 船检， 字体大小字体大小 渔检信 息 A fi a 1 ． 1 8 粗体 A m1 ． 1 5 粗体 字体大小A r ja L l 5 相体 图 1整机用条码标识 积放链上每一部载有工件的载荷小车都安装有载 码体 ， 自始 至终 随工件运行 。柴油机 车身首先从 S T 1 收 稿 日期 2 0 1 0 0 1 0 7 作者简介 王明武 1 9 8 0 一 ， 男 ， 河南商丘人 ， 陕西理工学院讲师， 研究方向为先进工业 自动化技术集成与应用 ， E ma i l w a n g m i n g w u 6 6 6 1 6 3 ． c o rn。 47 控制与检测 组合机床与自 动化加工技术 上件 工位处 上线 ， 由条 码／ 载码设 备 扫取 条 码信 息再 写 进载码体中， 当读写操作完成且放行条件满足时， 停止 器打 开进行放 行 ， 随着 吊具 的移 动 ， 工件 由此变 成 了在 整个生产流程 中随身携带 柴油机各种信息 的“ 智能数 据库” 。其后依次流经过包扎屏蔽 、 脱脂 、 热水喷淋 、 吹 水 、 水烘 、 强 冷 、 自然冷 却 、 喷 漆 、 流平 、 人工 补漆 、 流 平 、 油漆烘 干 、 油 漆强 冷 、 装 机架 等工 位进 行 相应 的工艺 处 理 ， 最 后涂装 完毕 的柴 油机在 下件 工位处 下线 。 2 电气控 制系统 2 ． 1硬 件配置 1 P L C机 型选 择 。该 生 产 线 的运 行 控 制 采 用 西 门子 S 7 - 3 0 0 P L C， 所 选 的 C P U型 号为 C P U 3 1 5 2 D P ， 系 统所 使用 的数 字 量 I ／ O为 2 5 6个 。 电源 模 块 为 6 E S 7 3 0 7 1 E A 0 0 ， 最 大 电 流 输 出 为 5 A ／ 2 4 V。 输 入 模 块 为 6 E S 7 3 2 1 - 1 B L 0 0 ， 输 出模块 为 6 E S 7 3 2 2 1 B L 0 0 。 2 变频器 选择 。两 台驱 动电机 分别 为 3 ． 5 K W 和 5 ． 5 K W ， 转速 均 为 1 5 0 0 r ／ rai n ， 用来 控 制 两 条 积 放 悬 链 的运 行 。根据 电 机 负载 ， 变频 器 分 别 选 用 西 门子公 司 的 变 频 器 ， 型 号 分 别 为6 S E 6 4 4 0 2 U D 2 3 0 B A 1 和 6 S E 6 4 4 0 2 U D 2 5 ． 5 C A1 ， 采用 矢量 控制 方式 。 3 其他 设备 选择 。 中央控制 室配 置一 台工控 机 ， 装有 昆仑通 态 MC G S 6 ． 5组 态软 件 ， 用 以监 控涂 装工 艺 系统 和积 放链 控制 系统 。下件 工 位处 显示 屏选 用 西 门 子 MP 2 7 7 ， 条 码及 载码设 备选 用倍 加福公 司 的产 品。 2 ． 2 网络 配置 为了保障监控信息和交换信息准确的传递 ， 实现 复杂生产过程的 自动化 ， 积放链控制系统基 于西 门子 公 司的现场 工 业 总 线 P R O B I B U S基 础 上 ， 使 用 总 线 连 接器把 涂装 中央控 制 器 、 积放 链 中央 控 制器 、 工业 控 制 计算机三个主站 ， 以及条码通讯模块 C B O X 3 0 0 、 载码 体 通讯 模 块 I C ． K P V1 5 B、 显 示 屏 MP 2 7 7 、 以及 D P ／ D P 耦合器等 四个从站连接成 了一个有机联 系的总线 网 络。具体如图 2所示 。 图 2系统 网络 结 构 积放链 电气 控制 系统采 用集 中控制 和 分散 操 作 的 ． 4 8 方 式 。系统 结构可 以划 分为 上层 信 息管 理 网络 和底 层 设 备控 制 网络共两 层 ， 具 体如 下 1 上层信息管理网络 涂装工艺系统和积放链控 制系统采用西 门子 C P U 3 1 5 2 D P P L C作为主站完成相 应 的工 艺控制 。其 中 ， 积 放链 控制 系 统 的 C P U 3 1 5 ． 2 D P P L C通过 P R O F I B U S D P现 场 总 线 和 其 它 相 关 从 站 进 行 数据交 换 。它们 和 中控 室 的上 位机 一起 构 成 了上 层 信息管理 网络 。上位机使用 昆仑通态 MC G S 6 ． 2版本 组 态软件 ， 开 发有 图文并 茂 的监控 界 面 ， 通 过 上位 机 即 可 监控涂 装工 艺系统 和积 放链 控制 系统 的运行 。 2 底 层 设 备 控 制 网 络 包 括 西 门 子 显 示 屏 MP 2 7 7 、 条码通讯模块 C B O X 一 3 0 0 、 载码体通讯模块 I c K P ． V 1 5 B 、 以及 D P ／ D P耦 合 器 。积放 链 控 制 系 统 和 机 器人系统通过 D P ／ D P耦合器进行通信。另外 ， 现场重 要的工位都设有按钮站 ， 依据不 同工位 的工艺要求进 行 功能上 的细 分 。 3 程序设计 3 ． 1软件 设计 方法 经分析控制系统 自身特点和工艺要求 ， 确定 3 1 个 工位的控制原理是完全一致 的。对于所有 的工位 ， 除 了输入／ 输出点地址和动作时间不相 同外 ， 其控制程序 的运算过程是完全相同的。若按普 通编程方法 ， 需要 对 3 1个_T位分 别 编 程 ， 这 将 占用 大 量 的 内存 ， 另 外 一 旦设 备加 工工艺 有少 量变更 ， 程 序将作 较大 调整 。 鉴于上 述存 在 的问题 ， 利 用 S 7 3 0 0 P L C所 提 供 的 编程功能 ， 采用子程序块调用 的方法 ， 使程序具有模块 化 、 结构简洁、 易于修改、 调试方便等特点， 解决了上述 问题 。 3 ． 2功 能子程 序块 设计 程 序设 计 的重 点是 工位 功 能块 、 定 时功 能块 、 网络 通讯设计和识别系统载码体数据的读与写编程 。 3 ． 2 ． 1 功 能子 程序块 设计 根据 1 二 位 的控 制特 点 ， 设 计 出了 F B 1 工 位功 能块 。 当前工位小车 占位时， 如果放行条件满足 包括当前工 序操作完成、 前一工位未满位、 系统无故障等条件 ， 停 止 器将打 开 ， 进 行 放 行 小 车 ， 前 一 工 位 小 车 数 目加 一 ， 后一工位小车数 目减一 ； 放行完毕后 ， 由驶出信号控制 停止器关闭。下面给 出了 F B 1工位功能块的部分程 序 。 网络 1 A Co me ～Lo c a S Oc c u p y A Go Lo c a l R Oc c up y 网络 2 2 0 1 0 年第7 期 控制与检测 A Go L o c a l J NB _ 0 01 L Ga t he r I NC 1 T Ga t he r _ 0 0 1 NOP 0 A GO Ne x t A ”De l a y GATH ERTI M ER” A L Ga t h e r L 0 I J NB O 02 L } } Ga t h e r DEC 1 T Ga t h e r _ O 0 2NO P 0 网络 7 O ACK OK O M ANU OK Di s c h a r g e 各个 工位 只 需 调 用 该 功 能 块 即 可 完 成 相 应 的 控 制 ， 因而大 大减 少程 序 了编 辑 量 ， 而且 程 序 的移 植 性 与 重用性 较好 。 3 ． 2 ． 2识别 系统 程序 设计 根 据 工 艺 及 生 产 管 理需 要 ， 在 涂 装 车 间 的 上 件 工 位 、 分 流道 岔工 位 、 下 件 工 位 处 设 置 分 别 设 有 1读 写 站、 2读写站 、 } } 3读写站。 当小车到达上件、 道岔或下件工位时 ， 停止器 占位 开关发出占位信号 ， C P U 3 1 5 2 D P读到传送的 占位信 号 ， 立 即启 动读 写器 进行 读或 写 数 据 到载 码 体 ， 然后 将 相应 的信息 回传 给积 放链 控 制 系 统 以 及 机 器 人 系 统 ， 进 行下 一 步 的动 作 处 理 。 P L C 与 积 放 链 控 制 系 统 、 机 器人的 P R O F I B U S网络通讯是实现柔性生产控制的关 键 。下 面程 序是 识别 系 统与 P L C通讯 程 序 CAL L FB 2，DB51 I DENT Co n t r o lAd d r e s sW 1 61 2 0 Ti m e o ut T 5S Re t r y Si n g 1 e Co mma n d 1 0 He a dl Da t a Fi x c o de M1 ． 0 He a d2 Da t a Fi x c0 de M 1 ．1 He a d3 Da t a Fi x c o de M1 ． 2 He a d1 Si n g l e Enh a n c e d M 1 ． 3 He a d 2S i n g l e En ha n c e d M1 ． 4 He a d 3 S i n g l e En ha n c e d M 1 ． 5 He a d1 S pe c i a 1 Co mma nd M 1 ． 6 He a d 2S pe c i a l Co mma nd M 1 ． 7 He a d 3 S pe c i a l Co mma nd He a dl Rc a d He a d 2Rc a d He a d 3 Re a d He a dl W r i t e H c a d 2 W r i t e He ad 3 W r i t e He a d 1 Qu i t He a d 2 Q u i t He a d 3 Q u i t Q u i t E r r o r H e a d 1 Qu i t Er r o r He a d 2 Qu i t E r r o r He a d 3 I C Co mma n d onHe a d1 I n i t Fi n i s h S e t Res t a r t M2． 0 M2．1 M2． 2 M2． 3 M2． 4 M 2 ．5 M 2 ．6 M 2 ．7 M 3 ． 0 M3 ．1 M4． 0 M4．1 M4． 2 FAL SE M0． 0 M0．1 4 系统故 障检测 控 制 系统 中 的 故 障诊 断功 能是 否 完 善 ， 直接 影 响 到系统的可靠性和可维修性 ， 影响到产品 的产量和质 量 。该 系 统故 障 可分 为 P L C故 障 、 电源故 障 、 外 围元 件 故 障 等 。 4 ． 1 P L C故 障 与 电源故 障 对 自身故障或供 电电源故障 ， s 7 ． 3 0 0 P L C有完善 的监 测手 段 。S T E P 7提 供不 同 的组织 块 来 响应 不 同 的 错 误 状 态 ， 当 s 7 3 0 0 P L C 检 测 到 一 个 实 时 错 误 发 生 时 ， 就 会调 用 与错 误 有 关 的 O B， 执 行 编 制 好 的 错 误 处 理 程序 。 当 C P U检 测 到一 个错 误 时 ， 它会 产 生 与 其 相 应 的 错误检测码 。这样 ， 你可 以用组织块 内的数据来判断 错 误 发生 的类 型 。 4 ． 2 外 围元件 I ／ o 故 障 该 系统 外 部 紧急机 械故 障 有 悬链 过 载 、 张 紧 报警 、 空气压力故障、 下坡捕捉 器报警、 变频器故 障、 舌板故 障、 悬链急停故障、 积放小车数故 障、 岔道故 障等。一 旦故障发生将会执行相应 的紧急处理程序 ， 发出声光 报 警 ， 并 且 在上 位机 监 控 中会 显示 出具体 的故 障信 息 ， 保 护系 统运 行安 全 。 这里主要介绍最容易出现的几种故 障， 具体原理 如 下 。 1 停止器故障。当对某个停止器发 出输 出指令 后 ， 若超过了一定 的时间， 电磁 阀仍处在打开状态 ， 表 示 小车 已经 被 放 走 而 停 止 器 没 有 关 闭 ， 表 明该 停 止器 有误 ， 极 易造 成 堆车情 况 。 2 舌板故障检测 。当某个停止器打开， 而舌板信 号仍然有效 ； 或者 ， 当某个 停止器关闭 ， 而舌板信号仍 然无效 ， 表明该停止器有卡车的现象。 下转第 5 2页 控制与检测 组合机床与自 动化加工技术 频率 。 上式 中 F为非 线性 函数 ， F与超声 频率 大小 有关 。 2 ． 3 油 石珩磨 颤振 两 自 由度 非线 眭动 力学模 型 功率超 声珩磨 头 由功 率超 声波 发 生器 、 换 能器 、 变 幅杆 、 弯 曲振动 圆盘 、 挠性 杆 、 珩磨 头 、 导 向条 、 油石 座 、 油石等几十个零部件组成 ， 非常复杂 ， 图 6中用弹簧 一 阻尼器 c一质 量块 m 一作为 简化模 型 。 面 图 6 功 率超 声 珩 屠 的 动 力 学模 型 示 意 图 功率超声 波振动方 向为轴向振动 ， 作用在油石上的力 可以分解为切 向力 F 、 径 向力 F 和轴 向力 F 表达式为 rF K b h 一 t ’ ， t K b { F ， K b h 一 t r K b 8 【 ， 一 4 7 r 2 A f i 2 式 中 ’ ， t 、 y ￡一r 为油石 本次 和上 一 次 的珩磨 颤 振 振 幅 ； h 为 工件 的珩磨 厚度 ； b 为珩 磨宽 度 ； K K 为切 向和径 向珩磨 力系 数 ； k k 为 切 向和径 向 的边 界力 系 数 ； A、 厂 为功 率超声 波 的振幅 和频率 。 为了分析的方便性 ， 将径 向与切 向的珩磨力在直 角坐标系中分解成为 、 Y 两个方 向上的珩磨力 ， 用相互 垂直 的两 个 自由度 系 统 来 构成 基 本 的动 力 学 模 型 。 系 统 的参数 可取 为在 和 Y方 向上 固有频率 相接 近 的超 声珩磨 声振 子系 统振 型 的模 态 参 数 。 把 刀具 和工 件 的 相对进给方 向定义为 方 向， 刀具的切 向方向为 Y方 向 。 分解 后 的 F 、 F 的特 点是力 的方 向始 终不 变 ， 而大 小时刻变化。 分解为 和 Y两个正交 的主振型 ， 作用在 油石上 的力 沿 、 Y轴分 解 为 』 F k x 9 【 F ，my c y yk y y 在 上两 式 中 ， m ， c ， 后 ， m ， c ， k 分别 为系统 在 和 Y方 向 的模 态 质 量 系 数 、 模 态 阻尼 系数 和 模 态 刚 度 系 数； F ， F 分别为总的动态切削力在 、 Y方向的分力。 3 结束语 本文通过分析超声珩磨切削机理 ， 推导 出功率超 声珩磨轴向振动运动方程， 建立单颗磨粒单 自由度动 力 学模 型和 油石 两 自 由度 系统 的动 力 学 模 型 ， 建 立 动 力学模型后 ， 下一步主要分析珩磨参数对颤振 的影响， 有助于人们更好地去分析研究功率超 声珩磨颤振机 理 ， 从而进一步探求能有效控制颤振发生的方法 。 [ 参考 文献 ] [ 1 ]祝锡 晶， 王爱玲．功率 超声珩磨 缸套加 工 中谐 振系统 的试 验研究 [ J ] ．中国机械工程 ， 2 0 0 2 9 7 2 7 7 3 0 ． [ 2 ]王爱玲 ， 祝锡 晶， 吴秀玲．功率 超声振动加工 技术 [ M] ．北 京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ]T l u s t y J ．S p a c e k L ．S e l f e x i t e d V i b r a t i o n s i n Ma c h i n e T o o l s [ M] ．C z e c h ．N a k l a d a t e i s t v i C S A V P r a g u e ，1 9 5 4 ． [ 4 ]师汉 民． 金 属切 削理论及其应用新探 [ M] ．北京 华 中科技 大学出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 5 ]祝锡晶 ， 王爱玲．功率 超声珩 磨加 工 [ J ] ．现代制 造工程 ， 2 0 0 1 7 3 53 6 ． [ 6 ]臼井英治 ， 著 ， 高希正 ， 刘德 忠 ， 译 ．切 削磨 削加工 学 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 2 ． [ 7 ]I ．G a r i t a o n a n d i a ，M．H．F e r n a n d e s ，J ．A l b i z u r i ．D y n a m i c mo d e l o f a c e n t e r l e s s g r i n di ng ma c hi n e b a s e d o n a n u pd a t e d FE mo d e 1 ．I n t e r na t i o na l J o u r na l o f Ma c hi n e To o l s＆ Ma n u f a e t u r e ． 编辑李秀敏 上接 第 4 9页 3 岔道故障。当道岔选择开关与道岔方 向检测 信号不_致时 ， 表 明道岔的方向切换有误 ， 容易造成别 车 的现象 。 5 结束语 系统 经 过 近一 年 的生 产实 践 证 明 ， 涂 装 车 间积 放 链 控制 系统 能满 足柴油 机 涂装 工艺 的各项 要求 。尤 其 是采用 了模块化编程方法 ， 提高 了编程效率 ， 减少了调 试时间， 系统灵活性大大增加 。系统具有完善 的保护 措施 ， 通过上位机监控程序后 ， 能迅速可靠地查到偶尔 出现 的系统 异常 ， 提高 系统 的可 靠性 和 可维 修 性 ， 确 保 生产连 续地 运行 ， 满足有 效 、 有序 地 组织 批量 生 产 的要 求 ， 从 而保证 柴油 机 的优 质 的涂装 质量 。 5 2 [ 参考文献 ] [ 1 ]廖常初．s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用 技术 [ M] ．北京 机 械电子工 业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ]汪国春．基于 P L C的输送 积放链控 制系统设计 [ J ] ．机械 工程 与 自动化 ， 2 0 0 8 5 1 7 91 8 1 ． [ 3 ]谢峰 ．E Q 4 9 1发 动机悬 挂输 送链 自动 控制监 测 系统 [ J ] ． 装备维修技术 ， 1 9 9 8 4 2 3 2 5 ． [ 4 ]朱松 明．P L C在 汽车 涂装线 自行 小 车系统 中 的应 用 [ J ] ． 起重与运输机械 ， 2 0 0 4 1 1 3 53 6 ． [ 5 ]黄望军．基于 P L C的输送生产线变频控制系统[ J ] ．组合 机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 4 3 9 2 9 3 ． [ 6 ]沈 明， 余 和清．基 于 P r o fi B U S现 场总线 的汽车涂 装线 网络 自动控制 系统 [ J ] ． 自动 化技 术 与应 用 ， 2 0 0 8 8 1 3 1 1 3 4 ． 编辑李秀敏