淺談PLC 在萬能式卷板機(jī)上的運用

孔慶香

（江蘇江南電力有限公司，江蘇 南京210028）

1 研究意義及內(nèi)容

1.1 研究意義

隨著鋼鐵化工、大型造船、核電站、航空航天、新能源汽車及高鐵運輸?shù)阮I(lǐng)域的迅速發(fā)展,對于各種外形、各種高精度、各種規(guī)格板材的需求隨之爆發(fā)式增長。卷板機(jī)的應(yīng)用在國內(nèi)已具一定的規(guī)模,整體制造水平也逐步得到提高。但國內(nèi)現(xiàn)存的生產(chǎn)線上大多數(shù)卷板機(jī)控制回路還是通過普通繼電器控制，靠操作工通過不斷手動調(diào)整上輥及托輥的相對位置，配合點動操作使主軸正反轉(zhuǎn)，讓金屬板料在卷板機(jī)上來回運動，循環(huán)上述操作，直到加工成需要的成品。這種加工方式效率低、精度差，一致性難以保證, 已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場對數(shù)量與質(zhì)量的要求。需要自動化的機(jī)器實現(xiàn)規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)的效率。

1.2 研究內(nèi)容

本課題研究的主要內(nèi)容是對傳統(tǒng)手動控制的三輥式卷板機(jī)進(jìn)行自動化改造。將PLC 技術(shù)應(yīng)用到卷板機(jī)上以實現(xiàn)其自動化控制，提高生產(chǎn)效率。本文從以下幾個方面對其進(jìn)行了研究：首先，了解卷板機(jī)的種類、應(yīng)用場合、功能以及卷板機(jī)的研究現(xiàn)狀，熟悉我們所研究的三輥卷板機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理。然后，對卷板機(jī)進(jìn)行電氣設(shè)計并且對電氣硬件進(jìn)行了合理的選型，將電氣硬件進(jìn)行正確的連接。最核心也是最重要的是根據(jù)卷板機(jī)的工作原理和工藝流程進(jìn)行PLC 程序設(shè)計、調(diào)試。最終可以實現(xiàn)對卷板機(jī)的自動化控制以及得到一個友好的人機(jī)界面，使得操作更為簡單方便。

2 工作原理

上輥的上下及水平位移都設(shè)有數(shù)字式顯示裝置，因此操作上非常直觀，控制精準(zhǔn)。上輥倒頭的翻轉(zhuǎn)及復(fù)位均通過液壓系統(tǒng)來執(zhí)行，上輥的平衡由卸料裝置來完成，保證卸料更為方便。兩個下輥為位置固定的主動輥，由驅(qū)動電機(jī)通過減速裝置減速后，再通過輸出軸齒輪將動能傳動至下輥兩端的從動齒輪上驅(qū)動下輥轉(zhuǎn)動，主減速裝置輸入軸前端裝配有制動裝置，當(dāng)待加工板料被上輥和下輥夾住，摩擦力驅(qū)使板料運動，通過上輥、下輥與待加工板料間三個相接觸的切點構(gòu)成一定的弧度，使待加工平板料彎曲，根據(jù)成品所需圓形半徑或弧形要求，通過上輥兩端液壓系統(tǒng)驅(qū)動調(diào)整上輥的上下行程來實現(xiàn)。上輥的水平行程由制動電機(jī)經(jīng)一對V 型帶輪傳動至副減速裝置輸入軸，經(jīng)減速系統(tǒng)兩側(cè)的輸出軸，通過聯(lián)軸器傳動給軸承座中的蝸輪，帶動蝸輪中的螺母旋轉(zhuǎn)，使絲桿及與之相連接的水平移動軸前后作水平位移，從而實現(xiàn)上輥的水平移動。在機(jī)器的翻倒側(cè)機(jī)架一端，設(shè)有一個翻倒油缸，當(dāng)卷制工作結(jié)束后，上輥移動至中間位置并上下爬升到預(yù)定高度，翻倒油缸動作使翻倒側(cè)機(jī)架翻倒，卸下工件后，雙級油缸丙動作使翻倒側(cè)機(jī)架恢復(fù)，到此一個工作循環(huán)結(jié)束。[1]

3 整體電氣硬件布局及設(shè)計

從整個卷板工藝過程可以看出，需要電氣控制完成的功能包括[2]：

3.1 位移量控制。根據(jù)操作人員輸入的卷板弧線長度、弧線半徑、板材厚參數(shù)，控制器自動計算卷板機(jī)各個運動部件在不同卷制階段的理論位移量，例如一款機(jī)器是專為油罐車罐殼的，那么只要把狀態(tài)打到自動，找好開始原點，按下啟動，一次自動成型，做好后下料結(jié)束機(jī)器會自動復(fù)位到原點開始下一個產(chǎn)品。

3.2 上輥(卷板輥)升降位置控制。根據(jù)理論計算，控制下輥旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)(恒速度)、上輥橫向移動電機(jī)(在壓直邊時用)和升降液壓缸控制閥協(xié)調(diào)工作。

三輥卷板機(jī)工作過程中的運動部件主要有：上輥、下輥和翻倒側(cè)機(jī)架（上輥和下輥通常合稱為工作輥）。上輥執(zhí)行垂直和水平兩方向運動，垂直運動由安裝在固定側(cè)和翻倒側(cè)的液壓缸內(nèi)的液壓油作用于活塞而獲得，為液壓傳動；水平運動由電機(jī)帶動圓弧齒圓柱蝸桿減速機(jī)執(zhí)行。下輥左、右轉(zhuǎn)動通過控制三相交流電機(jī)正、反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。翻倒裝置裝于翻倒機(jī)架一側(cè)，用于翻倒機(jī)架的翻轉(zhuǎn)及恢復(fù)，由油缸來執(zhí)行。[2]

根據(jù)控制要求再選用電氣產(chǎn)品，主要控制框圖如圖1 所示。

圖1 卷板機(jī)電氣控制框圖

根據(jù)本課題的具體設(shè)計要求，需要三根光柵尺。固定側(cè)和翻倒側(cè)各一根，用來檢測上輥兩端的位置。水平軸有一根，用來檢測輥前后移動的位置。觸摸屏主要進(jìn)行卷板機(jī)動作操作，顯示上輥的上下移動及水平移動位移、卷板機(jī)的工作狀態(tài)以及報警。下輥旋轉(zhuǎn)編碼器與下輥同軸安裝，主要用來測量下輥選轉(zhuǎn)的角度，進(jìn)而計算出卷板機(jī)已經(jīng)卷制完成的卷板長度。PLC 是中央控制器，完成各種數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理功能，控制卷板機(jī)動作。

4 軟件與程序設(shè)計

4.1 軟件設(shè)計思路

表1 卷板機(jī)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，PLC 軟件設(shè)計需要完成的功能有數(shù)據(jù)處理，上輥位置的實時動態(tài)顯示，上輥的同步下降及定位，下輥的轉(zhuǎn)動及與觸摸屏的數(shù)據(jù)通信。

圖2 卷板尺寸設(shè)計參考圖

4.1.1 卷板輥運動控制量的計算

本次設(shè)計所針對的卷板機(jī)是液壓三輥式卷板機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如表1 所示。設(shè)計條件（單位mm）。需要卷取材料的弧線半徑為R（內(nèi)徑）；板材厚度為X；下輥的半徑為r=145；兩輥的中心距的一半S=240；板材的下壓量為h；上輥原點距離下輥上平面的高度為L。幾何數(shù)學(xué)推導(dǎo),根據(jù)圖2,得到：

4.1.2 PLC 輸入輸出點的分配

PLC 輸入點主要分配給三個光柵尺、編碼器及限位開關(guān)，為了實現(xiàn)在沒有觸摸屏的情況下可以實現(xiàn)手提操作，還分配了部分輸入點給按鈕實現(xiàn)手動。輸出點都是根據(jù)卷板機(jī)的工作原理進(jìn)行分配的，其中有部分分配給狀態(tài)顯示燈用來顯示卷板機(jī)的工作狀態(tài)。

4.2 PLC 程序的設(shè)計

4.2.1 數(shù)字顯示程序的設(shè)計

數(shù)顯程序主要有兩個任務(wù)：一是通過光柵尺的位移量來計算出上輥的運行狀態(tài)和絕對位置；二是通過下輥裝的旋轉(zhuǎn)編碼器的角位移量計算出卷板已經(jīng)被卷好的長度。在每次給PLC 通電運行，首次循環(huán)時必須將上次PLC 斷電時的上輥所在的狀態(tài)及時的顯示出來即顯示初始化，以便正確的控制上輥動作。

在上輥水平復(fù)位、翻倒側(cè)上升復(fù)位或固定側(cè)上升復(fù)位時對光柵尺脈沖計數(shù)的高數(shù)計數(shù)器的當(dāng)前值應(yīng)當(dāng)及時復(fù)位，且初始值應(yīng)為零。由于光柵尺是二倍的分頻，所以讀出的數(shù)值應(yīng)除以2才是上輥移動的實際增量。

4.2.2 數(shù)值計算程序的設(shè)計

數(shù)值計算程序主要是根據(jù)用戶所設(shè)定的卷板的半徑、厚度、長度來計算出上輥下降的位移量和下輥需要轉(zhuǎn)動的角位移。

4.2.3 上輥水平移動程序的設(shè)計

在手動操作時，按下“上輥前移”或“上輥后移”按鈕，上輥將前移或后移。自動操作中按下“上輥水平復(fù)位”，上輥自動復(fù)位運行。

4.2.4 上輥同步下降程序設(shè)計

上輥下降主要由固定側(cè)和翻倒側(cè)下降來完成的，上輥自動下降或者手動控制同時下降時，翻倒側(cè)和固定側(cè)需要保持同步。上輥進(jìn)、退同步是保障上、下輥和板料壓力一致的前提，也是保證卷板精度的決定性因素。為了保證上輥兩端的位移精度，分別在上輥固定側(cè)和翻倒側(cè)裝有光柵尺，同進(jìn)、同退時根據(jù)光柵尺采集的信號及時反映上輥兩端位置，當(dāng)兩端偏差超過精度范圍上限時，快的一端自動停下等慢的一端跟上，達(dá)到同步精度范圍下限時又自行啟動，從而保證上輥兩端允許的精度范圍內(nèi)同步進(jìn)、退。手動可以單獨控制固定側(cè)或翻倒側(cè)下降。

4.2.5 下輥轉(zhuǎn)動程序的設(shè)計

卷板機(jī)上輥到達(dá)所定位置后，下輥就開始正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，利用工作輥之間的磨擦力，驅(qū)使板料運動，通過上輥、下輥與待加工板料間三個相接觸的切點構(gòu)成一定的弧度使平板彎曲。帶動下輥轉(zhuǎn)動的三相電機(jī)為防止直接啟動時電壓過大而將電機(jī)燒毀，所以采用星三角啟動。

4.3 PLC 仿真調(diào)試

Cx-Programmer 是歐姆龍公司開發(fā)的適用于C 系列PLC 的梯形圖編程軟件，可以實現(xiàn)梯形圖的編程、監(jiān)視和控制等功能，尤其擅于大型程序的編寫。Cx-Simulator 軟件歐姆龍PLC 的模擬器，可以用來模擬仿真PLC。從Cx-Programmer6.1 版本開始，Cx-Programmer 和Cx-Simulator 軟件都是集成在CX-ONE 軟件中的。

PLC 程序用軟件仿真調(diào)試的結(jié)果基本達(dá)到了控制的要求。