PLC和变频器在钢锭自动分拣系统中的应用.pdf

I 訇 似 P L C 和变频器在钢锭 自动分拣系统中的应用 Appl i ca t i on of PLC an d f r equ en c y con v er t er i n st ee-i n got s au t om at i c s orti ng s ys t em 雷慧杰’ ，李正斌’ ，张艳伟 L E I Hu i - j i e ’ ， L I Z h e n g b i n ‘ ， Z H AN G Y a n - we i 1 ． 安阳工学院 电子信息与电气工程学院，安阳 4 5 5 0 0 0 ；2 ． 安阳钢铁集团公司，安阳 4 5 5 0 0 0 摘要 为了提高不锈钢锭检测与分拣的自动化程度 ， 提出了基于P L C 和变频器的钢锭自动分拣系统的 设计方案，详细介绍了该系统的工作原理，并进行了软件和硬件设计。该系统采用P L C 和变频 器控制皮带 ， 将钢锭传送至分拣口， 通过电涡流传感器的检测 ，实现了无损分拣自动化。应用 结果表明， 该系统分拣精度高，工作稳定，提高了企业的生产效率 ， 具有很好的应用前景。 关键词P L C；变频器 ；钢锭 ；自动分拣系统 中圈分类号T P 2 7 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 5 0 1 下 一O 1 3 9 0 3 O o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 --0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． O 1 下 ． 3 6 0 引言 随 着制造业 的迅 速发展 ，对产 品质量检验 的 要 求越来越高 ，需要对金属工件的表面缺陷进行 严格探伤 ，同时把有表面缺陷的次 品准确 的检测 并分拣 出来 。不锈钢锭精加工过程 中在它的表面 会 出现一 些表面损伤 ，比如磨损、划 伤、裂纹和 砂 眼等，这 些是不合格 的，需要把这些有表面损 伤的不锈钢锭及时检测并分拣 出来 。 本文根据 生产企业对 不锈钢锭 的 质量要求，设计了一套以P L C 和变频器 为控制核心 ，同时综合利用气动技 术 和传感器技 术等的检测与分拣 自动控 制 系统 。该 系统能连续 、大批量 的对 不绣钢 锭进行表面探伤并 自动 分拣 ， 误 差率低 ，效率高 ，能 显著 提高企业 的生产节奏和效率 。 1 分拣系统工作原理 本 系统 检测的不锈钢 锭为正方体 规格 ，其 中正 方体不锈钢锭的边长 为 3 0 c m；皮带 的宽 度为3 5 c m，分拣 滑 道 的宽度为8 0 c m。分 拣系统 如图1 所示 采用皮带传送 ，由三相 异步电 动机 、气缸 、电磁 阀、气体压 缩机 、 气体过滤器 、变频器 、传感器等部件 组成 。电涡流传 感器和电感式接近开 关 ，分别都安 装在皮带一侧 ，其 中电 涡流传感器在气 缸上游安装并且 紧贴 气缸推板 ，电感式接近 开关则安装在气缸下游 ， 磁力式接近 开关 1 和磁力式接近 开关2 则分别安装 在气缸的两个上下极限位置上。 分拣 系统工作原理如下 1 设备上 电以后，按下启动按钮 ，当气缸缩 回到位以后 “ 正常工作”绿灯亮，P L C 控制变频器 驱动电动机运行 ，不锈钢锭在皮带上向前传送。 2 当不锈钢 锭接近 电涡流传感器S A时 ，如 L 』 I PL 。 C I I 气白sA敞 S嗽CS眦Cm ⋯脱 I 【420 变 频 器 一 s W S D 掀 一抱 电 H 气 缸 推 H s 蜗 器 l TJ 曰回上曰 皮 带 ， 不锈钢锭 分I 拣l ， 滑I 道 图1 分拣系统结构示意图 收稿日嗣2 0 1 4 0 9 1 0 基盒项目安阳工学院青年科研基金项目 Q J J 2 0 1 4 0 1 6 作者简介雷慧杰 1 9 8 1 一 ，女，讲师，硕士，研究方向为电气传动与自动控制。 第3 7 卷第1 期2 0 1 5 0 1 下 [ 1 3 0 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 造 匐 化 果钢锭的侧面有表面缺陷，电机延 时3 s 后停止运 行 ，然后控制气缸动作 的电磁 阀得电 ，气缸动作 将不锈钢 锭推进直线式分拣滑道里 ，待气缸完全 伸出和缩 回以后 电动机才会重新运行 。否则 ，当 传感器S A在钢 锭完全通过 时依然没有检测到表面 损伤，气缸不动作，电动机继续运行。 3 当不锈钢锭移动到传感器S B的位置时 ，传 感器S B会把响应信号传给P L C，P L C会控制 电动 机继续运行，当传感器S B持续三分钟没有检测到 不锈钢锭时， q P L C 会通过内部的定时器 自动使电 动机停止运行。 4 无论任 何时候人 为按下 红色 “ 停 止 ”按 钮 ，系统立刻停止运行。 2 控制系统的硬件设计 1 电机 的选型 本 系统电动机选用型号为J W7 1 3 6 的三相交流 异步电动机 ，额定功率0 ． 5 5 k W ，额定 电压3 8 0 V， 额 定转速9 1 0 r p m，6 极 ，B 级 绝缘 ，外壳防护等 级 为I P 4 4 ，其 中电动机主动 轴的直径d 3 0 mm， 则电动机每旋转一 周，皮带上的工件移动距 离L 3 ． 1 43 09 4． 2 mm 。 2 变频器单元 选用西门子MM4 2 0 变频器，以便调节三相交流 电动机速度 ，同时达到节能效果。此过程需要对变 频-MM4 2 0 进行相关参数的设置Ⅲ，如表1 所示。 表1 MM4 2 0 变频器参数设置 参数 设置值 备注 P 0 1 0 0 0 工频频率5 0 Hz P O 3 0 4 3 8 0 电动机额 定电压 V P O 3 0 5 1 ．8 3 电动机额定电流 A P 0 3 0 7 O ． 5 5 电动机额定功率 k W P 0 3 l O 5 0 电动机额 定频 率 Hz P 0 3 1 l 9 1 0 电动机 额定转速 r p m p D 0 o 4 1 0 设定值通道和斜坡函数发生器 P 1 0 0 0 l 频率设定值为键盘 MO P 设定值 P 1 0 8 0 O 电机运行的最低频率 Hz P 1 0 8 2 5 0 电机运 行的最 高频率 Hz P 1 1 2 0 2 斜坡上升时间 s P 1 l 2 1 2 斜坡下降时间 s 3 P L C的选型及I ／ O分配 根据控制要求，输入端 有2 个按钮信号 ，1 个 电涡流传感器信号和1 个电感式接近开关信号 ，以 及2 个汽缸运动极限位置的磁力式接近开关信号， 共计6 个输入信号；输 出端 包括 1 个正常指示灯信 [ 1 4 0 1 第3 7 卷第1 期2 0 1 5 - 0 1 下 号、1 - - 控翩变频器运 行的信号和 l J i- 控制汽缸动 作 的电磁 阀信号，总共3 个输出信号 。共需I ／ 0点9 个 ，其 中6 个输入，3 个输 出。 根 据上述 所确定 的I ／ 0点数 ，选用一般 的小 型机 即可满 足要 求 ，故选 用西 门子S 7 2 0 0 系列 C P U2 2 4 XP 型 。 系统通过P L C 程序的执行以及变频器相关接线 端子的选择和参数的设置可以联机 实现对 电动机 启动、调速和停止的控制 ，如图2 所示。 自动按 钮 QS ＼ l 0 O 停止 按钮r J nl ⋯。 QO o 啦力式接近开 关 L ， 1 0 2 l L 磁力式接近开关2 ／ 1 0 3 l f 电 感 式 接 近 开 关 ／ F R r _ 5 _ r lO ．4 s 7 -2 o o I M P L C 、 I J CP U 2 M 2 2 4 XP q Y Q 0 ．4 戈 _ - ] 电 涡 】 ． 1 孳 璧l A _ A 0 Q 0 5 一 _ 一 l 。 一 2 2 0 V L 2 L ／． 、 D C 2 W 弋 厂一 M L 斗 _ D C 2 4 V M 图2 P L C 与变频器接线 图 4 传感器单元 电涡流传感器 涡流探伤是以交流电磁线圈 在金 属构件表面感应产生涡流的无 损探 伤技术 。 由于涡流探伤 ，在检测时不要求线圈与构件 紧密 接触 ，从 而容易实现检验 自动化。它仅适用于导 电材料 ，包括铁磁性和非铁磁性金 属材料构件表 面和近表面的缺陷检测。 本 系统 采 用 型 号 为 RP 6 6 6 0的 电涡 流 传 感 器 ，探头 直径 中6 0 mm，量程 8 0 mm，输 出方式 0 ～l O VD c ，工作电压2 0 0 2 4 0 V A c 。 当电涡流传感器探头处没有不锈钢锭时输 出 为0 ；当没有表面损伤的不锈钢锭接近电涡流的传 感器的探头，传感器依然有电压输出，为0 ～3 V， 可确定为合格 品；当有表面损伤的不锈钢 锭接近 电涡流传感器时 ，传感器 的输出电压在3 ～1 0 V， 可确定为次品。 电感 式 接近 开关 是非 接 触型 的位 置 传感 器 ，用来 检测有无金属物体接近 ，从而控制器件 的通或断H J ，达到非接触检测的 目的。本 系统选用 M1 8 X1 X4 O 电感传感器 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 匐 化 磁 力式接近开关是一种非接触式位 置检测 开 关 ，用 于气 缸活 塞 的到位 检 测 。本 系统采 用 CS 1 ． M磁性开关 ，采用共 阴极接法 ，有两根引 出 线，一根接P L C 输入端 ，另一根接公共端 。 5 气动控制单元 本 系 统 采 用 S C Q G B I 系 列 轻 型 气 缸 ， 型 号 为S C5 0 1 0 0 一 S FA。气 源 气压 范 围是 0 ． 5 MP a 0 ． 8 MP a ，当气源接通时，在气体压 力的 作用下 ，气缸中的活塞位于最初极限位置 ，当需 要气缸动作时 ，P L C 给Y信号使电磁阀得 电，气压 回路改变 ，气缸 动作；气缸推 出到位 以后 由磁感 应接近开关B1 检测，通过P L C 程序的执行给Y信号 使电磁阀失电，气动 回路再次 改变 ，气缸缩 回， 气压缸回到最初的状态。 3 控制系统的软件设计 根据不锈钢锭 自动控制 系统 的控制要求及工 艺流程 ，分析各个设备的功 能和操作顺序 ，可 画 出程序流程图，如图3 所示 。 4 结束语 本文 采用S 7 2 0 0 P L C和MM4 2 0 变频器设计 了一套不锈钢锭 自动分拣系统，结合电涡流 传感 器 ，在不接触不锈钢锭的情况下对不锈钢锭 的表 面实现无损检测并且把不合格的产品分拣 出来。 该 系统 已经安钢某钢锭生产线进行了测试 ，实践 结果表 明，能大批量 、连续地 分拣不锈钢锭 ，工 作稳定 ，分拣精度高 ，误差小 ，大大提高 了工作 图3 P L C 程序 流程 图 效率 ，降低工人的劳动强度 ，具有很强的实 用价 值和应用前景。 参考文献 【 1 】陶权， 吴尚庆． 变频器应用技术【 M】 ． 广州 华南理工大学出 版社 ，2 0 0 7 ． 【 2 】王淑英． S 7 2 0 0 西门子P L C基础教程[ M】 ． 北京 人民邮电 出版社， 2 0 0 9 ． [ 3 】尹静 文． F O E R S T E R涡流探伤仪检测能力研究 【 J ] ． 机 电技 术， 2 0 1 2 3 1 5 4 - 1 5 6 ． 【 4 】宋雪臣， 单振清， 郭永欣， 等． 传感器与检测技术[ MI ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 1 1 ． ●蠡‘ ●‘‘ 盘‘ ●‘ 童‘ 矗‘ 蠡‘ ●矗‘ {蠡● 矗● 蠢● j生‘ 矗‘ 国‘ ●童‘ 矗‘ {蠡I 叠‘ ．●‘● j童● ． ●蠡‘ j童● 【 上接第1 3 1 页】 程的应用还有待进一步扩展。 参考文献 [ 1 】夏平均， 姚英 学． 三 维数 字化装配 工艺 系统的研 究 【 J ] ． 哈 尔滨工艺 大学学报 ， 2 0 0 5 0 1 3 6 - 3 9 ． [ 2 】冯廷廷， 金霞． 基于MB D的飞机装配工艺模型设计【 J ] ． 航 空制造技 术， 2 0 1 0 2 4 9 5 9 8 ． 【 3 】 戴 国洪， 等． 面 向序列 规划的装配工艺AP S 树 模型生成 的 研 究[ J 】 ． 中国机械工程， 2 0 0 6 1 4 1 4 9 3 - 1 4 9 8 ． [ 4 ]夏平均． 基于虚拟现 实的卫星 装配 工艺设计 方法及其 应 用[ D】 ． 2 0 0 7 ， 哈尔滨工业大学． 【 5 】Q H Wa n g ， J R L i ． A De s k t o p VR P r o t o t y p e f o r I n d u s t r i a l T r a i n i n g A p p l i c a t i o n s 【 J 】 _ Vi r t u a l Re a l i t y S 1 3 5 9 4 3 3 8 ， 2 O 0 4 ， 1 6 7 1 8 7 - 1 9 7 ． 【 6 】 L e e k ， An d r e ws ． I n f e r e n c e o f t h e P o s i t i o n o f Co mp o n e n t s i n a l l As s e mb l y p a r t 2 【 J 】 ． Co mp u t e r Ai d e d De s i g n ， 1 9 8 5 ， 1 7 1 2 0 2 4 ． 【 7 】 L e e k a n d Go s s a r d D． A Hi e r a r c h i c a l Da t a S t r u c t u r e f o r Re p r e s e n t i n g As s e mb l i e s pa r t 1 [ J 】 ． Co mp u t e r Ai d e d De s i g n ， 1 9 8 5 ， l 7 1 1 5 - 1 9 ． 【 8 ]8 MB Al i b ． 工艺 流程 图【 E B ／ OL 】 ． 2 0 0 9 ． 1 2 ． 0 8 ． h t t p ／ ／ wi k i ． mb a l i b ． c o m／ wi k i ／ P r o c e s s Cha r t s ． [ 9 】李曼 丽， 等． 航 天器 装配工艺 流程可 视化 系统 的研 究【 J 】 ． 航天器环境工程， 2 0 0 7 0 2 1 1 3 1 1 5 ． [ 1 0 】 刘检华， 等． 面向手工装配的计算机辅助装配过程控制方 法【 J ] 计 算机集成制造系统， 2 0 0 9 1 2 2 3 9 1 ． 2 3 9 8 ． 【 l 1 ] 王峻峰， 鲁明上， 等． 产品装配MBD数据集及其应用研究 [ J 】 ． 制造业 自动化， 2 0 1 2 ． 3 5 0 1 7 8 8 2 ． 第3 7 卷第1 期2 0 1 5 0 1 - F [ 1 4 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m