基于PLC的真空斷路器生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

原通文，曹慧云，蘭軒花

YUAN Tong-wen, CAO Hui-yun, LAN Xuan-hua

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，人們對(duì)電力的需求量愈來愈大，促使電力事業(yè)迅速發(fā)展，電網(wǎng)不斷擴(kuò)大。

戶內(nèi)高壓真空斷路器作為電網(wǎng)設(shè)備，工礦企業(yè)動(dòng)力設(shè)備的保護(hù)盒控制單元；尤其適應(yīng)于要求額定工作電流下的頻繁操作或多次開斷短路電流的場所。其主要優(yōu)勢(shì)有：操作機(jī)構(gòu)與斷路器本體一體化設(shè)計(jì)，緊湊，精簡，牢靠，體積小；真空滅弧室采用陶瓷絕緣外殼，銅鉻合金觸頭，杯狀縱向磁場結(jié)構(gòu)，具有斷流容量大，絕緣水平高，滅弧能力強(qiáng)，壽命長等特點(diǎn)；無故障運(yùn)行，少維護(hù)或免維護(hù)，無爆炸危險(xiǎn)，無污染，運(yùn)行噪音低。

真空斷路器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、沉重，制造、裝配工藝要求高，因此國外廠家已經(jīng)開始采用生產(chǎn)流水線方式裝配和檢測斷路器。目前，我國生產(chǎn)真空斷路器的廠家較多，品種也比較繁雜，但許多廠家仍舊采用人工將斷路器運(yùn)到特定地點(diǎn)，然后手工接線進(jìn)行檢測，這種方式存在著效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、高壓危險(xiǎn)等缺點(diǎn)。這就要求國內(nèi)企業(yè)也要提升自身生產(chǎn)效率，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

本文主要介紹了基于PLC控制的戶內(nèi)高壓真空斷路器裝配和檢測生產(chǎn)線的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 工藝流程介紹

工藝簡介：框架上線→ 布線 →安裝相柱→ 磨合試驗(yàn)→ 機(jī)械特性測試→ 底盤車安裝→ 觸臂裝配→面板、標(biāo)記條等裝配→ 耐壓測試→ 配柜終檢→產(chǎn)品下線 。

生產(chǎn)線主體為兩條直線型倍速鏈輸送線，斷路器由工裝板承載在輸送線上移動(dòng)，各工位設(shè)置限位器，當(dāng)工裝板到達(dá)裝配或檢測工位時(shí)，限位器對(duì)工裝板進(jìn)行限位，使其在工位暫停，而后由頂升平移裝置將工裝板連同斷路器移動(dòng)到線外工作臺(tái)上便于操作人員完成裝配或檢測工作。

磨合試驗(yàn)是產(chǎn)品在額定電壓下進(jìn)行用戶指定次數(shù)的合分閘操作。

機(jī)械特性測試工位完成斷路器產(chǎn)品的合分閘速度、反彈、彈跳及超行程測試。測試過程啟動(dòng)后設(shè)備自動(dòng)完成機(jī)械特性的測試，測試數(shù)據(jù)經(jīng)控制系統(tǒng)處理后存儲(chǔ)在上位計(jì)算機(jī)產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)庫中。

耐壓測試對(duì)斷路器的主回路進(jìn)行工頻42KV耐壓測試，時(shí)間為1分鐘。二次回路對(duì)地做2KV耐壓測試，時(shí)間為1分鐘。

終檢工位檢測臺(tái)上通過連接不同的檢測電源還可實(shí)現(xiàn)分合閘控制測試、二次回路接線正確性測試等檢驗(yàn)項(xiàng)目。

2 控制系統(tǒng)

2.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用分布式的控制方式，分為現(xiàn)場控制和集中控制兩級(jí)。系統(tǒng)總線采用工業(yè)以太網(wǎng)，在CP1H系列PLC上直接裝Ethernet單元CIF41模塊，然后通過上位機(jī)對(duì)其設(shè)置IP地址和FINS地址。

FINS（factory interface network service）通訊協(xié)議是歐姆龍公司開發(fā)的用于產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)的指令／響應(yīng)系統(tǒng)。使用FINS指令可實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)間的無縫通訊，包括用于信息網(wǎng)絡(luò)的Etherne（以太網(wǎng)），用于控制網(wǎng)絡(luò)的CONtroller Link和SYSMAC LINK。通過編程發(fā)送FINS指令，上位機(jī)或PLC就能夠讀寫另一個(gè)PLC數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容，還可以控制其運(yùn)行狀態(tài)，從而簡化了用戶程序。FINS協(xié)議支持工業(yè)以太網(wǎng)，這就為OMRON PLC與上位機(jī)以太網(wǎng)通訊的實(shí)現(xiàn)提供了可能。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體示意圖

現(xiàn)場級(jí)是由在現(xiàn)場都安裝的控制柜(采用OMRON公司的CP1H系列PLC)組成，共5臺(tái)。其功能是實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場對(duì)相應(yīng)工位的控制，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)和錯(cuò)誤信息的現(xiàn)場采集與監(jiān)視，并且完成與集中控制級(jí)的實(shí)時(shí)通信，包括：接收控制信息，完成控制動(dòng)作，發(fā)送用于遠(yuǎn)程監(jiān)控的運(yùn)行狀態(tài)、錯(cuò)誤信息到主站。

集中控制級(jí)是由設(shè)置控制室的監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過監(jiān)控軟件接收并顯示、狀態(tài)等信息，對(duì)錯(cuò)誤信息進(jìn)行報(bào)警，并且可以發(fā)出指令，控制生產(chǎn)線的運(yùn)行，同時(shí)生成報(bào)表。UPS電源用來在停電時(shí)為監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)供電，在保證監(jiān)控計(jì)算機(jī)保存生產(chǎn)記錄后安全退出。

2.2 PLC分部控制

本控制系統(tǒng)采用日本OMRON公司的CP1H，是一款性價(jià)比高、功能完備的通用控制器。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，自帶24點(diǎn)輸入、16點(diǎn)輸出和4路模擬量輸入。集成了開關(guān)量控制、模擬量控制、高速計(jì)數(shù)、4軸高速脈沖輸出、串行通信等功能于一身，CP1H指令豐富，采用任務(wù)編程方式，并支持功能塊編程方法使編程更加清楚、簡便。CP1H取消了手持編程器配置，沒有通常的外設(shè)接口，取而代之的是USB端口。支持hostlink、 nt link、compobus/s、 devicenet、 profibus-dp、controllerlink、ethernet、 協(xié)議宏、modbus-rtu等多種通訊方式及串行plc連接功能；支持cpm和cj1系列plc的擴(kuò)展單元。

系統(tǒng)的控制方式為每個(gè)工位都具有手動(dòng)、自動(dòng)兩種控制方式。其中手動(dòng)方式，可以通過觸摸屏手動(dòng)按鈕對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)（氣缸、電機(jī)、變頻器等）進(jìn)行單獨(dú)控制，以適用于調(diào)整、維修和緊急情況。通常使用自動(dòng)方式，操作面板上的自動(dòng)按鈕選擇自動(dòng)擋，設(shè)備由PLC自動(dòng)控制，按照每個(gè)工位特定的工作流程進(jìn)行檢測。PLC控制系統(tǒng)邏輯圖如圖2所示：

圖2 PLC控制系統(tǒng)邏輯圖

2.3 HMI人機(jī)界面

觸摸屏是觸摸式工業(yè)圖形顯示器的簡稱，用于參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示，并以曲線、動(dòng)畫等形式描繪自動(dòng)化控制過程，并可簡化PLC的控制程序。觸摸屏的主要作用是：監(jiān)視和控制。監(jiān)視：以數(shù)據(jù)，曲線，圖形，動(dòng)畫等各種形式來反映PLC內(nèi)部位狀態(tài)和存儲(chǔ)器數(shù)值，從而直觀反映工業(yè)控制系統(tǒng)的流程?？刂浦饕峭ㄟ^觸摸屏操作改變PLC內(nèi)部位狀態(tài)，存儲(chǔ)器數(shù)值，從而參與過程控制。

本系統(tǒng)采用WEINVIEW的MT8070iH型號(hào)觸摸屏，該型號(hào)為7”寬屏、400MHzCPU、128M超大容量Flash，而且能快速響應(yīng)系統(tǒng)指令。

控制系統(tǒng)的人機(jī)界面要求操作簡單，易于理解。為此，設(shè)計(jì)了下面6個(gè)層面 。

2.3.1 用戶登錄

用戶輸入密碼后，按“主頁”鍵確認(rèn)。如果密碼錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)給出提示，并請(qǐng)用戶重新輸入；如果密碼正確，將直接進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)界面。

2.3.2 運(yùn)行狀態(tài)

運(yùn)行狀態(tài)界面用來實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)行相關(guān)的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.3.3 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置界面用來實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

圖3 主程序流程圖

2.3.4 手動(dòng)控制

手動(dòng)界面主要是當(dāng)設(shè)備在檢修狀態(tài)下，對(duì)電磁閥、電機(jī)、變頻器、指示燈等設(shè)備的開/關(guān)狀態(tài)控制。

2.3.5 報(bào)警提示

當(dāng)出現(xiàn)故障或者故障排除時(shí)，相應(yīng)的報(bào)警指示燈會(huì)變紅，同時(shí)報(bào)警界面的故障顯示區(qū)會(huì)顯示當(dāng)前故障信息，以便于操作人員快速、準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)故障原因。

2.3.6 數(shù)據(jù)錄入

該界面主要實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)信息的進(jìn)行輸入，以便于上位機(jī)讀取這些信息。

2.4 程序設(shè)計(jì)思路

本控制系統(tǒng)采用順序控制設(shè)計(jì)方法，根據(jù)上述的工作流程，細(xì)分為執(zhí)行單一功能的子模塊，按照檢測的時(shí)間順序和相互邏輯關(guān)系，主程序?qū)⒁来握{(diào)用子模塊。下面以耐壓測試系統(tǒng)為例，程序流程圖如圖3所示：

3 結(jié)束語

該生產(chǎn)線自投入生產(chǎn)以來，已取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到減員增效保質(zhì)的目的。

2）增加了可靠性和安全性。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了主控設(shè)備的聯(lián)鎖控制和異常報(bào)警和及時(shí)關(guān)停。各個(gè)工位站設(shè)立授權(quán)以對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，避免了人為誤操作等可能造成的設(shè)備損壞。

3）可視化的人機(jī)界面非常便于操做人員掌握，操作人員不僅可以隨時(shí)查詢，監(jiān)視到當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、故障等信息，而且快速簡單地更換產(chǎn)品型號(hào)參數(shù)。

[1]CP1H 操作手冊(cè)(中文)(W450-CN5-02).

[2]CP1H 編程手冊(cè)(中文)(W451-CN5-01).