章玉婷，張正兵

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

基于PLC的冷卻系統(tǒng)鋁合金構(gòu)件清洗設(shè)備設(shè)計(jì)*

章玉婷，張正兵

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某冷卻系統(tǒng)鋁合金構(gòu)件有大批量清洗的需求，需研制一套專用清洗設(shè)備。文中將FX2N系列PLC作為主控制器，用觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，采用管路并聯(lián)的方式達(dá)到了一次裝夾即可完成多道工藝的目的。文中介紹了該冷卻系統(tǒng)鋁合金構(gòu)件清洗設(shè)備的原理及系統(tǒng)組成，詳細(xì)闡述了清洗設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及控制流程，給出了系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法及主要工作界面。現(xiàn)場運(yùn)行表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足設(shè)計(jì)要求，大大提高了該產(chǎn)品的清洗自動(dòng)化水平及清洗效率。

清洗；FX2N；人機(jī)界面

引 言

冷卻系統(tǒng)鋁合金構(gòu)件清洗數(shù)量大，且有多道清洗工藝，以往的手動(dòng)清洗設(shè)備需要每次裝夾后，單步完成該道工藝，而后拆裝，再進(jìn)行下一道工藝的裝夾。嚴(yán)重制約大批量鋁合金構(gòu)件清洗的效率及工作進(jìn)度。針對這一現(xiàn)狀設(shè)計(jì)了冷卻系統(tǒng)鋁合金構(gòu)件清洗設(shè)備，該設(shè)備大大提高了該產(chǎn)品的清洗自動(dòng)化水平及清洗效率。

1 工藝要求及結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

1.1 工藝要求

清洗設(shè)備的工藝參數(shù)直接影響鋁合金構(gòu)件清洗的效果和效率。鋁合金冷板清洗的主要參數(shù)是每一個(gè)步驟的溫度、時(shí)間， 清洗工藝要求如下：

1)1#清洗劑循環(huán)清洗(設(shè)定溫度、時(shí)間)；

2)氣吹(設(shè)定時(shí)間)，將工件內(nèi)清洗劑吹凈；

3)蒸餾水沖洗(設(shè)定溫度、時(shí)間)；

4)2#清洗劑循環(huán)清洗(設(shè)定溫度、時(shí)間)；

5)氣吹(設(shè)定時(shí)間)，將工件內(nèi)清洗劑吹凈；

6)蒸餾水沖洗(設(shè)定溫度、時(shí)間)。

另外為保證設(shè)備使用的安全性，設(shè)備還需要考慮應(yīng)對下面2種特殊情況：

1)未接氣源。設(shè)備自帶的氣壓檢測開關(guān)將向PLC發(fā)出信號(hào)予以提示。

2)水箱水位不足。設(shè)備安裝的液位計(jì)會(huì)發(fā)送低水位信號(hào)給PLC。

當(dāng)發(fā)生緊急情況(如水管破裂、水箱漏水等)時(shí)，操作人員按下急停按鈕，此時(shí)彈出急停提示對話框，程序立即停止，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)歸零[1]。

1.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)原理

清洗設(shè)備主要由循環(huán)清洗系統(tǒng)、氣體清潔系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。循環(huán)清洗系統(tǒng)由不銹鋼水箱、水泵、電磁閥、單向閥、加熱器及過濾器等組成。電磁閥采用氣控閥，能夠安全有效地打開及閉合；單向閥防止各個(gè)工序之間相互干擾；加熱器采用功率較大的即熱式加熱器，可縮短加熱時(shí)間。氣體清潔系統(tǒng)由電磁閥、三聯(lián)件及單向閥等組成。電磁閥用于控制氣體通入與否，三聯(lián)件用于過濾外來氣體，單向閥防止氣體干擾外部管道。圖1為清洗設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理圖[2]。

1.2.2 加熱器選型計(jì)算

生產(chǎn)要求最大限度地縮短前期加熱時(shí)間，因而加熱方案采用管道加熱，加熱器選型計(jì)算公式為

每小時(shí)的加熱熱量：

Q= 2.4CM(T1-T2)

(1)

式中：C為液體比熱，kJ/(kg·℃)；M為液體質(zhì)量，kg；T1表示液體的最終溫度，℃；T2表示液體的初始溫度，℃。

加熱功率：

P= (Qh/864)/2.4

(2)

式中，Qh為工作加熱熱量，kJ。

初始條件：管路系統(tǒng)流量為240 L/h，管徑為15 mm，介質(zhì)為水，電加熱器串聯(lián)在管路中，要把管路溶液從15 ℃加熱至50 ℃。則Q= 2.4CM(T1-T2)= 2.4 × 1 × 240 × (50-15) = 20 160 kJ；P= (Qh/ 864)/2.4 =(1.2Q/864)/2.4=(24 192 / 864)/2.4=11.67 kW。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)原理圖

選取型號(hào)：哈博即熱式電加熱器AF38-12 kW。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

生產(chǎn)現(xiàn)場生產(chǎn)節(jié)奏較快，這就對設(shè)備自動(dòng)化水平提出了一定要求。既要保證方便快捷地實(shí)現(xiàn)操作，又能夠讓操作人員根據(jù)實(shí)際需求對每一步工藝進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，故考慮以主流的PLC產(chǎn)品作為主控制器，同時(shí)通過觸摸屏的人機(jī)界面進(jìn)行參數(shù)修改，以保證設(shè)備連續(xù)高效地運(yùn)行。

系統(tǒng)的主要控制器件選用三菱系列化產(chǎn)品，PLC為FX2N-48MR，觸摸屏選用步科MT4400T，接觸器、熱繼電器、按鈕及其它器件選用施耐德產(chǎn)品。鋁合金構(gòu)件清洗設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)組成圖

PLC輸入模塊采集1個(gè)急停按鈕信號(hào)、1個(gè)自動(dòng)運(yùn)行按鈕信號(hào)、1個(gè)手動(dòng)運(yùn)行按鈕信號(hào)和1個(gè)氣源檢測開關(guān)量信號(hào)。

PLC輸出控制包括2個(gè)泵電機(jī)接觸器、2個(gè)加熱器控制接觸器、10組電磁閥控制線圈、1個(gè)自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)指示燈和1個(gè)故障報(bào)警燈。同時(shí)，PLC擴(kuò)展1個(gè)8A/D模塊，該模擬量輸入模塊用于采集現(xiàn)場各溶液箱溫度、管路壓力、液位計(jì)等模擬信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為與之成比例的數(shù)字值。在PLC內(nèi)部將各測量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過相應(yīng)的控制算法經(jīng)輸出控制實(shí)時(shí)調(diào)整氣路通斷及加熱器工作。

氣源檢測開關(guān)量信號(hào)用于檢測設(shè)備有無正確接入氣源，如無氣源低于設(shè)定值，則設(shè)備提示氣源壓力不足，禁止設(shè)備運(yùn)行；當(dāng)液位計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換的數(shù)字值低于系統(tǒng)設(shè)置的液位值，則界面提示溶液不足，禁止設(shè)備運(yùn)行。當(dāng)這2種情況中有1種情況出現(xiàn)時(shí)，選擇并按下手動(dòng)/自動(dòng)模式按鈕，設(shè)備均不能工作，從而對設(shè)備起到良好的保護(hù)作用。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)包括2個(gè)方面：主控制器的程序編寫和觸摸屏界面及參數(shù)設(shè)計(jì)。這兩者之間通過通用寄存器傳遞數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入/寫出、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、工藝流程監(jiān)控等。

3.1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

采用三菱編程軟件GX WORKS2對PLC進(jìn)行編程、調(diào)試。根據(jù)現(xiàn)場使用條件，對設(shè)備進(jìn)行工藝更改或調(diào)試時(shí)，需要通過界面調(diào)整參數(shù)，允許手動(dòng)開啟/關(guān)閉單步動(dòng)作；正常工作時(shí)，一次性設(shè)定工作參數(shù)，發(fā)出“運(yùn)行”指令后設(shè)備連續(xù)工作，直至設(shè)定的步驟完成。故設(shè)置手動(dòng)/自動(dòng)2套程序，以適應(yīng)不同的工作需求。同時(shí)，為防止操作失誤給設(shè)備帶來損傷，手動(dòng)/自動(dòng)模式互鎖，即在手動(dòng)運(yùn)行某一個(gè)單步未結(jié)束的情況下，無法運(yùn)行自動(dòng)程序，反之亦然?？刂葡到y(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)流程圖

在PLC程序中預(yù)先設(shè)定好手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行程序。在工作中，如進(jìn)入手動(dòng)頁面可以任意選擇單步動(dòng)作，人工控制單步工作時(shí)間。在連續(xù)工作的情況下，進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行頁面，通過PLC與HMI的通訊，接收人機(jī)界面輸入的各步驟運(yùn)行時(shí)間，設(shè)置完畢后按下對應(yīng)的自動(dòng)運(yùn)行按鈕，設(shè)備即按照設(shè)定程序按步驟運(yùn)行。

圖4為PLC控制自動(dòng)程序，M8002給PLC程序運(yùn)行一個(gè)初始指令，S0為程序初始狀態(tài)，M0、M1分別為自動(dòng)運(yùn)行工位1、工位2的界面控件。如圖6所示，2個(gè)工位自動(dòng)運(yùn)行步驟下方的“確認(rèn)保存時(shí)間”控件被按下后，M0、M1置“1”，此時(shí)按下自動(dòng)按鈕X1，則可以按S21～S25或S31～S37運(yùn)行自動(dòng)程序。

以圖4中S21、S22步為例來說明系統(tǒng)如何通過程序?qū)崿F(xiàn)電磁閥通斷和泵的啟停。S21步對應(yīng)圖5中“1#清洗液加熱循環(huán)”。通過100 ms通用定時(shí)器T0來計(jì)時(shí)，控制加熱器1的接觸器線圈觸點(diǎn)Y0，水泵接觸器控制輔助繼電器M2。由于水泵接觸器線圈同時(shí)接受手動(dòng)程序控制，故不直接使用輸出繼電器Y控制，而采用輔助繼電器M2間接控制。S22步對應(yīng)圖5中“通壓縮空氣”，用定時(shí)器T2控制工位1壓縮空氣電磁閥M4通斷。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)觸摸屏選型，采用步科EV5000組態(tài)編輯軟件，為MT400/5000系列HMI專用人機(jī)界面組態(tài)編輯軟件，提供了強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境。其使用步驟如圖6所示。

圖5 自動(dòng)運(yùn)行界面

圖5和圖7分別為自動(dòng)、手動(dòng)運(yùn)行界面。界面上方區(qū)域用于時(shí)間顯示、窗口切換。2個(gè)界面之間切換通過右上角“手動(dòng)/自動(dòng)”控件實(shí)現(xiàn)窗口調(diào)用。界面中間部分為操作區(qū)域。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

圖7 手動(dòng)運(yùn)行界面

自動(dòng)運(yùn)行界面分為“工位1”和“工位2”2個(gè)自動(dòng)運(yùn)行步驟。點(diǎn)擊每個(gè)步驟的矩形小框，則彈出數(shù)值輸入對話框，操作人員根據(jù)工藝要求手動(dòng)設(shè)置“1#清洗液加熱循環(huán)”、“通壓縮空氣”等工藝步驟的運(yùn)行時(shí)間。

設(shè)置完畢點(diǎn)擊“確認(rèn)保存時(shí)間”按鈕，圖4中M0/M1即為“1”狀態(tài)，同時(shí)每個(gè)工藝步驟時(shí)間參數(shù)通過通用數(shù)據(jù)寄存器D來存儲(chǔ)，并寫入PLC對應(yīng)程序段，完成HMI與PLC的數(shù)據(jù)交互。此時(shí)按下自動(dòng)運(yùn)行按鈕X1，啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行。在自動(dòng)運(yùn)行過程中，時(shí)間設(shè)定控件觸控?zé)o效，即無法在自動(dòng)運(yùn)行過程中更改參數(shù)。這是為了保證自動(dòng)運(yùn)行的安全與可靠性。

在手動(dòng)運(yùn)行界面中，點(diǎn)擊閥或水泵按鈕，按鈕右邊對應(yīng)的數(shù)值顯示框中可以實(shí)時(shí)顯示此次動(dòng)作已運(yùn)行時(shí)間。該控件通過數(shù)據(jù)寄存器D讀取并顯示此次動(dòng)作區(qū)間特殊輔助寄存器M8013所產(chǎn)生的1 s時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)，來完成時(shí)間顯示，供操作人員參考。點(diǎn)擊按鈕停止該動(dòng)作，再次運(yùn)行會(huì)對上一次的數(shù)據(jù)清零，重新計(jì)數(shù)。

4 結(jié)束語

基于FX2N-48MR的鋁合金構(gòu)件清洗設(shè)備控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、人機(jī)界面友好、易于擴(kuò)充和調(diào)整靈活等優(yōu)點(diǎn)，克服了原有清洗設(shè)備多次裝夾、使用效率低的問題。它現(xiàn)場運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，大大提高了鋁合金構(gòu)件清洗的自動(dòng)化水平、控制靈活性以及清洗效率。同時(shí)其界面清晰，操作方便，可以推廣到其它產(chǎn)品的清洗系統(tǒng)中。如果進(jìn)一步增加設(shè)備的自動(dòng)排液和自動(dòng)充液功能，則該設(shè)備將會(huì)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。

[1] 郁漢琪. 電氣控制與可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[M]. 南京：東南大學(xué)出版社，2003.

[2] 張利平. 現(xiàn)代液壓技術(shù)應(yīng)用220例[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[3] Mitsubishi Electric Corporation. FX2N系列微型可編程控制器使用手冊[S]. Japan：Mitsubishi Electric Corporation，2010.

章玉婷 (1982 -)，女，工程師，主要從事工藝裝備設(shè)計(jì)研究工作。

張正兵 (1983 -)，男，工程師，主要從事工藝裝備設(shè)計(jì)研究工作。

Design of Cleaning Equipment for the Aluminum Alloy Structure in Cooling System Based on PLC

ZHANG Yu-ting，ZHANG Zhen-bing

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

To meet the large quantities of cleaning requirement of the aluminum alloy structure in the cooling system, it is necessary to develop a new type of special cleaning device. In the device, the FX2N is integrated as CPU and HMI is used for human-machine interaction. Lines are arranged in parallel. Therefore, the device can complete several processes after only one clamping. The principle and composition of the cleaning equipment are introduced. The design principle and control process of the control system are described in detail. The software realization method and the major work interface of the system are given. Practice shows that the system can work with reliability and stability and fulfill the design specification. This device has greatly improved the automation level of the product and cleaning efficiency.

cleaning; FX2N; HMI

2014-04-17

TK414.2

A

1008-5300(2014)05-0048-04