PLC和变频器在装配线气动控制系统的应用.pdf

2 0 1 0年 8月 第 3 8卷 第 1 6期 机床 与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Au g ．2 0 1 0 V0 1 ． 3 8 No ． 1 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 6 ． 0 2 9 P L C和变频器在装配线气动控制系统的应用 刘 法 治 ，杨 天 明 河南科技学院机电学院，河南新 乡4 5 3 0 0 3 摘要介绍 P L C和变频器在装配生产线气动控制系统中的应用。分析气动系统空压机运行过程中存在的问题， 针对这 一 问题运用 P L C和变频技术对此系统进行改进。介绍改造后系统的功能 、控制方案、特点及其硬件与软件的设计。实际应 用表明改造后的控制系统气压稳定性好，具有很好的应用前景。 关键词 P L C ；变频器 ；空压机 ；气动控制系统 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 B 文章 编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 6 0 8 1 2 App l i c a t i o n o f PLC a nd I nv e r t e r i n t h e Ai r Dr i v e n Co n t r o l Sy s t e m o f As s e mbl y Li ne L I U Fa z h i ． YANG T i a n mi n g H e n a n I n s t i t u t e o f S c i e n c eT e c h n o l o g y ， X i n x i a n g He n a n 4 5 3 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Ap p l i c a t i o n s o f P L C a n d i n v e r t e r i n t h e a i r d ri v e n c o n t r o l s y s t e m o f a s s e mb l y l i n e w e r e i n t r o d u c e d ．Th e p r o b l e ms p ro, d u c e d b y a i r c o mp r e s s o r w h e n t h e c o n t r o l s y s t e m wo r k i n g w e r e a n a l y z e d ．T h e u s i n g o f P L C a n de q u e n e y c o n v e r s i o n t e c h n i q u e c o u l d s o l v e t h o s e p r o b l e ms ． T h e s t r u c t u r e ，t h e c o n t r o l s c h e me ，t h e f e a t u r e s o f t h e r e c o n s t r u c t e d s y s t e m ，a n d t h e d e s i g n o f h a r d w a r e a n d s o ft w a r e we r e d i s c u s s e d ． T h e p r a c t i c a l e f f e c t s h o w s t h e p r e s s u r e s t a b i l i t y o f t h e r e c o n s t ruc t e d s y s t e m i s i mp rov i n g g r e a t l y ． I t h a s g o o d a p p l i c a t i o n pr o s p e c t ． Ke y wo r d s I n v e rte r ；Ai r c o mp r e s s o r ； Ai r d ri v e n c o n t r o l s y s t e m 气动技术是生 产过程 自动化最有效 的技术 之 一 。据统计 在工业 发达 国家 中 ，全 自动化 装 配线 中 约有 3 0 ％装有气 动系统 。我 国气 动制造业 和 气动技 术的研究 与应用起 步较 晚 ，气 动 系统 控制 技术 很 多 仍采用继 电接触器控 制 ，这种 控 制系 统存 在着 很 多 的缺点 ，如体 积大 、机 械触 点多 、接线 复 杂 、可靠 性低 、排除故 障 困难等 。同时 ，气 动 系统 空压 机 的 控制采用传统的开环控制方式 ，这种运行方式的缺 点 供气风压 力在上 、下 限之 间 波动 ，不能 保证 恒 压供 气 ，影响装 配线气 动 工具 的性 能及 寿 命 ；主空 压机 空运转时 ，其 拖 动 电机还 保 持运转 ，其 消耗 的 电能约为其额定值的 3 0％左右 ，严重地浪费电能； 主空压机 一直运转 而备 用空 压 机却 停止 不用 ，不 能 轮休工作 ，易使 主空压 机产 生 故 障 ，降低 使 用寿 命 等 。针对 这一 系列 问题 ，采用 P L C和 变频控 制 技 术对 其 进 行 改 造 ，设 计 了装 配 线 气 动 恒 压 控 制 系 统 ，使 主空压 机和备 用空 压机 轮换 工 作 ，以求 达 到 控制 方便 、安 全可靠 、高效节 能的 目的。 1 系统结构和控制方案 气动控 制系统 由以下部 分 组成 P L C、变频 器 、 电动机 、空压机 、电源控 制柜 、电抗 器 、压 力变 送 器、接触器、中间继 电器 、热继 电器 、空气开关、 电缆、电流表、电压表 、按钮、互感器等。以某装 配生产线 为 例 选 用 英 格 索 兰 H P ． 1 0 0型 螺杆 空 压 机 ，电动机 功率 7 5 k W；共 有 2台空 气 压缩 机并 网 使用，正常生产情况下为一用一备；P L C选用一台 西 门子 7 - 2 0 0系 列 ，由 P L C来 实 现 电气 部 分 的 控 制 ，包括 5部 分 起 动 、运行 、停 止 、切换 、报 警 及故 障 自诊 断 ；变 频 器选 用 了西 门子 公 司的 产 品 ， 该变 频器 采 用 MM 4 3 0节 能 型 模块 ，可大 大 降低 电 机高频 噪声 ，减少 对 电网的污 染 ，同时 也 能降 低空 压机 电机温升 。系统 构成如 图 I 所 示 。 空气压力传感器 匿 袅 咂匦 亟 卜 丽 密l ～ 曩 卜匦圃逐 E茁 M 辱2 3 扩 展 r ． 1变 频器 模块『 一 蓁 声 光 报 警 控 制 回 路 图 1 系统 结构 框图 收稿 日期 2 0 0 9 0 81 9 作者简介 刘法 治 1 9 6 4 一 ，男 ，硕 士 ，高 级 工 程 师。 主要 从 事 自动 控 制 等 方 面 的教 学 与 研究 。Em a i l ff z h 2 2 1 6 3． e o m。 8 2 机床与液压 第 3 8卷 针对原有的空气压缩机供气控制方式存在 的诸多 问题，为满足装配线气动系统 自动控制的要求，笔者 介绍一种采用基于变频调速技术的空气压缩机恒压供 气节能控制系统的设计方案 ，如图 2所示 。 图 2 空 压 机 变 频 系统 原理 图 该系统提供手动／ 自动两 种工作模 式 ，具 有现 场 控制方式、状态显示以及故障报警等功能。 ’ 在手动方式下 ，空气压 缩机通过开关 进行控制 ， 不受气动系统内输出气压的影响。为防止空压机疲劳 运行 ，在任何状态下空压机在累计运行设定时间后要 切换至另一台风机运行。 1 拌 空压机 与 2 空压机 可 由二位开关转 换。循 环 次数及定时时间可根据需要随机设定。报警信号均为 声光形式。声报警 电笛可用按钮解除，报警指 示在故 障排除后 自动消失。 在 自动方式下，该控制系统将储气罐压力作为控 制对象，利用远传空气压力传感器检测储气罐的气压 信号P ，用变送器将现场信号变换成统一的标准电信 号 ，送人 A ／ D转换模块 进行模 数转换 ，然后 P L C将 检测到的气压值与压力设定值 P 作 比较，并根据差 值的大小按既定的P I D控制模式进行运算 ，产生的控 制信号送变频调速器 V V V F ，通过变频器控制电动机 的工作频率与转速，从而使实际压力 P始终接近设定 压力 P 。同时 ，该控制 系统 还增加 工频 与变频切 换 功能，另外 ，该控制系统采用变频器启动空气压缩机 电动机 ，避免 了启动冲击 电流和启动给空气压缩机带 来 的机械冲击 。 2 P L C外部 I ／ ／ O连接 根据 系 统 的 要 求 ，选 取 西 门 子P L C 7 - 2 0 0 C P U 2 2 4作为 控 制 核心 ，C P U 2 2 4的 I ／ O 点数 是 1 4 ／ 1 0 ，扩展了 1 个 E M 2 3 5模拟量输入模块 ，它是 A ／ D 转换模块 ，具有 4个模 拟量输入和 1 个模拟 量输 出， 1 2 位 A ／ D ，输入信号是由多路开关依次采集的，所 使用的数值是数字滤波器求取采样值的平均值速度， 气压传感器的输出信号，经过变送器调理和放大处理 后，成为0～ 5 V的标准信号，E M 2 3 5模块 自动完成 A ／ D转换 ；同时扩展 了 1个 E M 2 2 3的数字量 输入／ 输出模块，它有 4个 I ／ O个输入／ 输出点，作用是提 供附加的输入／ 输出点，这样完全可以满足系统的要 求 。 煤矿矿井通风控制系统的设计主要涉及了 8个数 字量输入 和 1 个 模拟量输 入 ，1 0个数 字量输 出 ，设 置 6个操作键、2 个开关量传感器和 1 个模拟量传感 器作输入信号。这 6个操作键是 自动方式开关 、手动 方式开关 、停机按钮 、消音按钮及 2 个在手动控制下 控制通风机运行按钮开关，2个传感器为反映拖动空 压机的电机堵转故障的热继电器开关 ，其 中扩充 了 1 个 E M 2 3 5的模拟量 输入模 块 ，主要是 用于测 量气压 值的 ，另外扩展了 1 个 E M 2 2 3的数字量输入／ 输 出模 块 ，以提供更多的输入／ 输出点数 。 表 1 P L C的 I ／ O地址分配 1 空压机启动 1 0 ． 0 2 空压机停止 1 0 ． 1 3 自动／ 手动转换 1 0 ． 2 4 报警解除 1 0 ． 3 5 1 风机控制 1 0 ． 4 6 1 } } 风机控制态 I 1 ． 0 7 l 风机电机状态1 1 ． 1 8 2 风机电 机状 I 1 ． 2 9 气压信号 A I W 0 1 故障显示Q 0 ． O 2 中高气压显示 Q o ． 1 3 低气压显示Q 嘎2 4 报警 Q o ． 3 5 继电器 K M 1 Q o ． 4 6 继电器 K M 2 Q o ． 5 7 l 撑 风机电机运行显示 Q 1 ． 0 8 2 g l, 机电机运行显示 Q 1 ． 1 9 手动状态显示 Q 2 ． 0 1 0自动状态显示 Q 2 ． 1 1 1压力模拟量输出 A Q W 0 3控制系统软件设计 该控制系统软件结构的流程 图如图 3 所示 。 图 3 系统软件流程图 该控制系统的软件设计主要是 P L C的 P I D程序 设计 。压 力 变 送 器 测 量 到 的 压 力 值 经 扩 展 模 块 E M 2 3 5模数转换 ，送人 P L C与 设定 好的压 力值进 行 比较 ，经 P L C内置 P I D调 节器 计算 出输 出信 号 ，用 以控制变频器的输出频率，使得供气压力维持在给定 压力值附近 ；再通过给定压力 和压力反馈 比较 ，得到 被控量气压 和期望值的偏差 ；该偏差再经 内置 P I D调 节器计算出输 出信号，经模数扩展模块 E M 2 3 5数模 转换 ，输入给变频器 ，变频器输出控制异步电动机转 速的交 流电频率值 ，并输 出相应频率 的交流电，控制 异步 电动机的转 速 ，直 到管路压力 和设定压力 相同。 这样得到的气压 相对恒定 ，且 波动 比较小。 7 - 2 0 0系 下转第 9 8页 9 8 机床与液压 第 3 8卷 而在 U G中铣 三维流 道 的方法 基本 上 和 M a s t e r - C A M相 同。但 在 U G中只需 在一个 操作 里设 置不 同 的加工层就可 以做 出来 ，这样更为方便。 5 三维 清角加工 不论是用 M a s t e r C A M还 是 U G ，三维 清角加工一 定要按 照从外 向 内的加 工方式 。在 M a s t e r C A M 里这 一 点 是 默认 的 ，在 U G里 需要 自己去选 取。M a s t e r C A M的清角 比 U G计算 稍微慢 些。但 U G里 的清角 ， 如果曲面不太好，或选用的刀具不合理，很容易过 切 ，需要特别注意。 6 刀具调用 在 Ma s t e r C A M 里 ，建 立一把 刀具 时就 把刀 具 的 直径 、刀具 的圆角半径 、主轴转 速 、进 给率等参 数 一 次性设定好 ，以后 调用此 刀 时 ，就不需要 再次 设 定转数 、进给 率 了。但 在 U G 中却 不 行 ，不 同 的操 作调用同一把刀具，转数和进给率等都要重新输 入 。 不过在 U G中 ，如果一个操作 的刀路 已经生成 出 来，可以事后修改转数、进给率，不必重新计算刀 路 ；还可 以选 择多 个操作 来一 次性修 改转 数 、进给 率、每齿进给量等等。这一点在 M a s t e r C A M做不到， 必须重新计算 。 7 仿真验证 M a s t e r C A M和 U G的加工仿真运行速度都 比较 慢，但 U G的仿真过程中可以实时调整观察的角度， 这点 比 M a s t e r C A M方便 。 8 后处理 不管是 U G还是 M a s t e r C A M，软件安装 完成之后 系统默认的后处 理均 为 F A N U C的后处 理器 ，因此在 应用这两个软件 的自动编程功能进行后处理生成数控 加工程序之前，必须先对这个文件进行编辑，才能在 执行后处理时生成符合 自己的数控系统需要和使用者 习惯的 N C程序 ，如果 没有全部更正 ，则可能造成 事 故。 Ma s t e r C A M的后 处理 器 修 改容 易 方便 ，生成 的 N C程序十分安全，可以放心使用。初学者很容易掌 握。 U G在这一点上就显得较 为复杂 。后处理器 的修 改较难掌握 ，需要 用专 门的 T C L语言进 行编 辑和设 定 。U G后处理通常 出现 的问题有 以下几个方 面 加 工出来的曲面精度不够，刀痕明显；加工过程中出现 不正常 圆弧 ，一般认为是后处理器的圆弧半径补偿设 定出现错误 ；走圆弧机床报警的问题 ，这可能是 由于 后处理 出来的 圆弧加 工代码里 面的 R值 的设置 方法 不符合机床的编程规则；加工曲面时出现刨铣、过切 的问题 ，这一点很 可能是由于进刀退刀方法设置不当 造成，需要用专门的软件如 V e r i c u t 来进行仿真验证。 因此，U G后处理器的修改对使用人员 的要求 较高 。 2结束语 从 以上的比较可 以看出 ，两个软件在数控加工功 能方面各有 自己的优点 ，相 比较而言 ，M a s t e r C A M更 容易掌握 ，而用 U G进行数控加工对使用人员提出了 更高的要求。只有当人们了解并掌握了这两个软件的 优点与不足之后，才能更好地使用这两个软件的数控 加工功能，避免数控加工中的问题 ，充分发挥自动编 程的优越性。 参考文献 【 1 】 黄毓荣， 陈大治． U G N X 4高级铣应用技术 [ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 7 ． 【 2 】张磊． U G N X 4后处理技术培训教程[ M] ． 北京 清华大 学出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 3 】 S I N U M E R I K 8 4 0 D ／ 8 4 0 D i ／8 1 0 D P r o g r a m m i n g G u i d e C y - c l e s P G Z 一1 1 ． 0 2 E d i t i o n [ M] ． 【 4 】 刘瑞新． M a s t e r C A M应用教程[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ． 2 0 0 2 ． 【 5 】来建良， 王道宏， 吴晓苏． 数控加工技术[ M] ． 杭州 浙 江大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． 上接第 8 2页 列 P L C中的 C P U 2 2 4提供了P I D运算指令，应用时与 P L C配套 的 S T E P 7 - Mi c r o ／ Wi n编程 软件通 过梯形 图 设定 P I D控制参数后 ，执行指令 P I D T A B L E 、L O O P 即可完成 P I D 运算 。该控 制系统 P L C的 P I D程序 流程略。 4结束语 利用 P L C和变频器实现对装配线气动控制系统 的节能改造 ，实际应用表明 ，该控制系统具有节约电 能、提高控制性 能 、减小 节 流损 失 、降低 原 系统 噪 声、延长设备使用寿命、降低维修费用等优点，提高 了企业的生 产效率 和经 济效 益 ，具 有一定 的推 广价 值 。 参考文献 【 1 】 彭桂力 ， 刘知贵． 集 中供热锅炉控制系统的 P L C控制 [ J ] ． 电力 自动化设备， 2 0 0 6 9 7 5 7 7 ． 【 2 】 文丽松． P L C 和变频器在矿山空气压缩机改造中的应用 [ J ] ． 采矿技术， 2 0 0 8 5 7 0 7 1 ． 【 3 】李国厚， 杨青杰， 余泽通． 球磨机润滑站控制系统的设计 [ J ] ． 金属矿山， 2 0 0 5 9 7 47 5 ． 【 4 】陈志新， 宗学军． 电器与 P L C 控制技术基于[ M] ， 北京 北京大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． 8 ． 【 5 】甘方成， 刘百芬， 吕福星． 空气压缩机节能分析及其控制 系统的设计[ J ] ． 工矿自动化， 2 0 0 9 3 7 2 7 4 ．