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I 匐 似 P L C 在摩擦材料生产线上的应用 The appl i cat i on o f PL C i n t he pr oduct i on l i ne of f r i ct i on m at er i al s 杨新军 Y A NG Xi n - j u n 山东英才学院 机械制造与自动化学院，济南 2 5 0 1 0 4 摘要为实现摩擦材料生产线的自动化，设计了自动投料系统。采用高精度传感器进行称重。采用数 控滑台控制料杯的位置 ，用P L C 控制步进电机来实现滑台的位置控制。并对系统硬件结果和软 件系统进行设计，制作了样机。实践表明，该系统运行稳定 ， 成本低廉，适合推广使用。 关键词摩擦材料；P ／ C；步进电机；高速脉冲输出 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 1 1 下 一0 0 9 5 0 4 Doi 1 0． 3 9 6 9 ／ J 『 ． i s s n． 1 0 0 9 -0 1 3 4． 2 0 1 2 ． 1 1 下 ． 2 7 0 引言 摩擦材料是生产汽车刹车片和离合器片的主 要材料，它的主要功能是通过摩擦来吸收或传递 动力 ，它可以使机械设备和机动车辆安全可靠地 工作 ，可以说 它是汽车行业 的一种非常关键的材 料。据数据显示，摩擦材料有 8 0 ％ 应用于汽车刹 车片生产 ，再加上我 国汽车行业 的蓬勃发展 以及 汽车零部件 的大量 出口，对摩擦材料 的需求也是 节节攀升。但是相对汽车行业来说 ，摩擦材料行 业 的发展却是相对滞后的。摩擦材料 生产过程 中 需要将各种粉尘状配料按一定比例 投入到混料机 中， 目前 都还 是手工称 重投料 。这 种生产 工艺 ， 工作效率 低，工人的劳动强度大，并且 由于配料 多为粉尘状 ，工人极易吸入，危害人身健康 u ] 。通 过 自动化设备改手工投料为 自动 投料可以大大提 高工作效 率，降低工人 的劳动强度。为此，我们 设计并实现 了摩擦材料生产线 自动投料系统 。 1 工作原理 该 系统 主要 由两部分组成 ，一 为称重，一为 自动投 料 。 1 ． 1 称重系统 本 系统采用高精 度称重传感器对原料进行 自 动称重。其原理 是高精度称重传感器 采用应变筒 作为双 向受力弹性体 ，与电阻应变计构成一体后 ， 成为双 向测力元件。在外加激励电压后，能根据 受力大小，给出相应的电动势。 1 ． 2 自动投料 该系统设计了 1 6 个储料杯 ，如图 l 所示。 图1 投料 顺序 图 以 1号料杯为原点 ，设计使 初始位置 时料 斗 在 1号料杯正上方。设备启动后 ，开始称重配料 。 料 斗 门开启信 号到来后，等待卸料，时 间到使 2 号料杯移动 到原 点位置 ，即料斗门下方。然后是 3号料杯 ，4号料杯 ，依次类推 ，最后投放 l 6号 料杯。1 6号料杯投放结束 ，使 1 号料杯 回到原点， 完成一个工作循环。料杯整体安装在一个十字滑 台上 ，通过滑台的移动来带动料杯 移动 。滑台可 以在 x和 Y两个方向上移动，这两个方向上的移 动 是通过 步进 电机带动滚珠丝杠副来实现 的。步 进电机采用 P L C来进行控制。 1 ． 3 控制要求 系统设手动和 自动两种工作模式。滑台不但 可 以在 1 6个工位 之 间来 回往返 运行 ，还可 以进 行手动调 整。自动模式下，按启动按钮滑台开始 收稿日期2 0 1 2 -0 5 -1 6 作者简介杨新军 1 9 7 7 一，女，山东临清人，讲师，硕士，主要从事 自动控制领域的研究。 第3 4 卷第1 1 期2 0 1 2 1 1 下 【 9 5 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 启动，按停止按钮 ，滑 台走 完一步后停止。手动 模式下 ，设 四个方 向控制按钮 点动 ，x 、x一 、 Y 、Y _ ，按任一按钮滑台移动 ，松按钮滑台立即 停止。 2 控制方案设计 2 ． 1 硬件实现 如图 2所示为该系统的组成框图。 可 编 程 控 制 器 步进 电机 驱动 器 X 步进 电机 驱动 器Y X向 步进 电机 Y向 步进 电机 X向 滚珠 丝杠 Y向 滚珠 丝 杠 图2系统组成框图 X向 滑 △ Y向 滑 口 该系统 的特点 1 采用步进电机驱动十字滑台 步进电机 是一种将 电脉冲信号转变为角位移 或线位移的开环控制 元件。它作为执行元件的一 个显著特点就是快速启停及定位准确。如果负载 不超过步进电机 所能提供 的动态转矩值 ，就能在 瞬 间使步进 电机启停。并且它的转速与停止位置 只取决于脉冲信号的频率和脉冲数 ，而不受 负载 等其它环境 因素的影响，因为得到了广泛应用 。 采用 步进 电机控制十字滑台相对于液压滑台和机 械滑台来说 ，精度高 ，体积小，可靠性高 ，维修 工作量小。 2 采用软 一 硬结构对步进电机进行控制 步 进 电机 的控 制 和驱 动方 法很 多，按 找 控 制 结构 可分 为 硬 脉冲 生成器硬 脉 冲分 配器 结 构 硬 一 硬结构 、软脉冲生成器软脉冲分配器结 构 软 一 软结构 、软脉冲生成器硬脉冲分配器结 构 软 一 硬结构 。该 系统采用软 一 硬结构。采用 P L C生成脉冲信号 ，脉冲分配和功率放大是通过 步进电机驱动器实现 的。这种控 制驱动方法 ，电 路结构简单，维护方便 ，可 以实现复杂的控制功 能 ，大大缩短 了系统开发周期 ，并且 占用 C P U时 间较 少 。 3 采用 P L C本机 自带的高速脉冲输 出端实现 脉冲信号输出 现在绝大多数 P L C都 自带了高速脉冲输出端 ， 输 出脉冲频率在 2 0 k H Z到 1 0 0 k H Z之 间，完全可 [ 0 6 1 第3 4 卷第1 1 期2 0 1 2 1 1 - F 以满足一般的步进电机 的控制要求。这样就不需 要采用单独的位控模块 ，位控模块 的成本又比较 高 ，节约了成本。 2 ． 2 P L C的选择 2 _ 2 _ 1确定所需I ／ O点数 该系统需要以下输入信号 一个手 ／ 自转换开 关 2点用来控制滑台的工作方式。 一 个 启动信号按钮 ，一个停止信号按钮 。四 个点动按钮分 别控制滑 台的 x 、x 、Y 、Y - 四 个方 向上的运动 。一个 原点限位 开关 ，x 向、Y 向丽个终点限位开关。共需 1 1 个输入点。 该系统需要以下输 出信 号两个高速脉冲输 出端分别用于驱动 x 向和 Y 向两个方向上的步进 电机。两个方 向控制位控制滑台的运动方向 即 步进电机转向 ， 一个运行指示灯 ，一个停止指示 灯。共需 6个输 出点。 2 ． 2 ． 2 P L C 机型选择 根据 以上分析 ，我们选用西 门子 S 7 2 0 0系列 的 C P U2 2 4 D C ／ DC ／ DC型 P L C，它共有 1 4个输入 点，1 O个输 出点，2 5 6个 定时器 ，2 5 6个计数器 ， 2个高速脉冲输 出端 ，最高频率为 2 0 k Hz 。它是一 种紧凑型的 P L C，最多可以扩展七个模块 】 。其 I ／ 0分配表如表 1 所示 表 1 I ／ O分配表 输入 功能 输 出 功能 I O ．0 启动按钮 Q O ．o x向脉冲 1 0 ． 1 停止按钮 Q0 ． 1 Y向脉冲 I O - 2 手／ 自按钮 手动 方式 Q 0 ． 2 x向方 向控制 I O ． 3 手／ 自按钮 自动方式 Q0 ．3 Y向方向控制 滑 台X向 移 I 【 1 l4 Qo ．4 运行指示灯 动按钮 滑 台 x一 向 移 1 0 ．5 Qo ． 5 停止指示灯 动按钮 滑 台 Y向移 1 0 ．6 动按钮 滑 台 Y． 向移 1 0 ．7 动按钮 原 点 限 位 开 I 1 ．0 关 I 1 ． 1 x向限位 开关 I 1 ．2 Y向限位开关 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l lI 似 2 ． 2 ． 3步进电机和驱动器的选择 步进电机选用德国 H a m d e r b u r g 公司 2 3 0 4 HS 4 2 A1 型 电机 ，该电机是两向混合式步进电机，与之配套 的驱动器选用 AS D 一 5 4 5 E两相步进电机驱动器。比市 场上其他普通驱动器具有更低的电机发热、运行噪 声和更高的平稳性 ，以及更低的成本。其微步细分数 有 1 5 种 ，最大步数为 2 5 6 0 0 P u l s e ／ r e v ；其工作峰值电 流范围为 1 ．0 A _ 4 ． 5 A，输出电流共有 8档，电流的分 辨率约为 0 ． 5 0 A；具有自动半流 ，过压和过流保护等 功能。 2 3 0 4 HS 4 2 A1 型两相混合式步进 电机步距角为 1 ． 8 。 ，即在无细分的条件下 ，2 0 0个脉冲使步进 电机转一 圈 2 0 0 1 ． 8 。 3 6 0 。 。通过驱动器设 置细分精度 ，最高可以达到 2 5 6 0 0个脉冲转一圈。 硬件接线图如图 3所示。 C PU2 2 4 1 M 】 L AS D-5 4 5 E SB1 一 1 0 0 Q O 0 PUL- A S B 2 A _ 一 1 0 1 Q0 1 坠 一 1 0 2 Q O 2 D I R B B 一 1 0 3 Q0 3 S B3 一 r 0 4 S B4 I O 5 S B5 1 0 ． 6 AS D-5 4 5 E S B6 PUL 一 1 0 7 A 2 M A S O1 一 一 I I ． 0 DI R B S 02 2 L _1 一一 I 1 1 B一 S O3 Q0 ． 5 一一 I l 2 I l 3 Q 0 4 、一一 L H - - - -_一 L - - - - 一 M 2 4 V 2 4 V M 图3 硬件接线图 2 ．3软件设计 2 ． 3 ． 1参数计算 由系统 结构 知，滑 台的行程正 比于步进 电机 的总转 角，因此，只要控制步进 电机 的转 角即可 控制 滑台上料杯 的位置 ，使其 依次到达原 点位置 接料。而步进电机的转角正比于所输入的脉冲数。 因此可以根据料杯 间距确定 P L C需输 出的脉冲个 数 川 N 1 式中 L料杯间距 mi i l ； 脉冲当量 m m／ 脉冲数 。 脉冲当量的计算方法 fi 2 式中 s 滚珠丝杠的导程 mm； M 步进电机旋转一周所需的总步数 。 系统选用 的丝杠导程 为 4 m m，选择 的步进电 机细分数 为 1 6 0 0 P u l s e ／ 转 ，要求滑 台的运动速度 为 2 0 mm／ s ，料 杯 间距为 8 0 mm。 则 脉 冲 当量 1 6 T_ 0 0-O ． O 0 2 5 mm ／ Pz ， 移动一个料杯间距所需脉冲数 ， 2 8 0 ra m 3 2 0 0 0U U ， 2 0． 0 0 25 系统正常运行时的脉冲频率 厂 8 0 0 0 pu l s P ／ r⋯一 口， J 6 0 0 0 2 5 2 ． 3 ． 2程序设计 软件采用模块化程序设计方法 ，主要 由主程 序、手动控制程序、 自动控制程序 、初始化子程 序四个模块组成。 1 主程序设计 程 序 如下 LD S M 0 ． 1 R Q O ． 0 ， 2 CALL SBR0 ／ ／ 将 Q O ． 0和 QO ． 1 清零并调用初始化子程序 LD 1 0 ． 3 CALL SBR1 ／ ／ 调用手动子程序 LD 1 0． 2 CALL SBR2 ／ ／ 调用自动子程序 2 初始化子程序 初始化子程 序的 目的主要是 完成程序的初始 化 ，设置包络表。 步进 电机 的转 速与脉冲频 率成正 比，对于步 进电机 来说 ，对启停速度和最 大运行速度是有要 求的。启动频率太高会造成步进电机失 步，停止 频 率太高会使步进 电机超速 ，频率太低又会造成 振荡 。步进 电机的最高运行频率是限制步进 电 第3 4 卷第1 1 期2 0 1 2 -1 1 下 [ g Z l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、I 訇 化 机高速运行 的极限条件。超过这个条件，电动机 动 态转矩下降 ，负载 能力变差 ，转子 受转动惯量 的影 响会超 出稳定区造成失 步。所以在步进 电机 的控制中，必须建立包络表，确定 启动频率、恒 速运行频率和停止频率。 步进电机的启停 曲线如 4所示 图4 启停 曲线 设置包络表如下 ，以 X向步进电机为例 VB5 0 0 3 VW 5 O1 5 00 VW 5 03 1 VW 5 05 3 75 VW 5 09 1 25 VW 51 1 O VW 5l 3 31 25 6 VW 51 7 1 25 VW 51 9 1 VW 5 21 3 75 3 手动子程序 LD 1 0． 4 S Q0 ． 2 ， 1 ／ ／ 将方向控制位 Q 0 ． 2置 1 ， 滑台X向移动 LD 1 0． 5 R Q 0 ． 2 ， 1 ／ ／ 将方向控制位 Q 0 ． 2复位 ， 滑台 X一 向移动 LD 1 0． 6 S Q0 ． 3 ， 1 ／ ／ 将方向控制位 Q 0 ． 3置 1 ， 滑台 Y 向移动 LD 1 0． 7 R Q 0 - 3 ， 1 ／ ／ 将方向控制位 Q 0 ． 3复位 ， 滑台 Y _ 向移动 LD 1 0． 4 O 1 0． 5 S SM 6 7． 7．1 PLS 0 ／ ／ 按下点动按钮，发脉冲 x向 [ 9 8 1 第3 4 卷第1 1 期2 0 1 2 1 1 下 LD l O．4 O 1 0． 5 ED O I 1 ． 1 R S M 67 ． 7．1 P L S 0 ／ ／ 松开点动按钮，或到达 X向极限位置 停发脉冲 X向 LD 1 0 ． 6 0 1 0 ． 7 S S M 7 7． 7 ．1 PLS 1 ／ ／ 按下点动按钮 ，发脉冲 Y向 LD 1 0． 6 0 1 0． 7 ED 0 I 1 ． 2 R S M 77 ． 7 ．1 PLS 1 ／ ／ 松开点动按钮 ，或到达 x 向极限位置 停发脉冲 Y向 4 自动子程序 采用顺序控制程 序设计 方法 ，顺序控制程序 设计法 是 P L C的一种非常重要的编程 方法 ，它采 用类似于程序流程 图的功能流程 图进行编程 ，它 既有流程图的直观，又有利于复杂控制逻辑关 系 的分解和综合。 功能流程 图如图 5所示 图 5 自动 程序的功 能流程 图 【 下转第1 4 0 页】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 造 訇 化 这样可以统 一的身份认证机制就应该被 采用 ，同 时，对各收费终端、客服坐席实行营业员 I D与终 端 I P地址绑定 ，即使营业员账号被窃取 了，没有 终端的地址一样无法侵入到应用系统中， 自己的 账号 、密码可 以让营业员可通过身份认证 查。这 样 ，对于系统安全，包括相关的终端 管理 、口令 管理、用户操作等方面的安全得以保证。 4 ．4数据备份和恢复 计 费网中可能 出现各种灾难 ，主 要包括 系统 故障、计算机病毒还有人为破坏等等 ，数据 备份 和恢复就是对于此过程中造成 的数据连续性和可 靠性破坏的一种防范措施。数据备份可以采用 H P 一 6 0 3 0 MS L磁带库 、E MC硬盘阵列作为介质 ，利用 V E RI T AS公司的 NB U软件对数据备份进行管理 ， 制定备份策略对计费数据、系统文件等进行增量 备份和一级全备份，并将定期备份的磁带异地存 放 ，定时更换，确保系统紧急灾害时及时恢复。 5 计费系统的管理方面 第一，应该加强基础设施和营造运 行环境建 设 。严格管理计算机机房，并实施监控处理 ；供 电、通信线路规范 ，要求牢靠连接 ； UP S不间断电 源供 电应该对于所有计算机设备要求；自动灭火 系统的安装 ；另外 ，机 房环境还应该要求干净和 整洁，从而保证特定的环境要求。 第二 ，建立相关的安全管理内控制度，对于 相关 的计算机密码管理、计算机 系统使用相关 的 管理 规定进行严格进行 ；同时 ，做好专人 负责授 权重要数 据的处理操作 ，并进 行登记处理 ；对于 公用和公开密码相关禁止操作 ；另外 ，专人分工 保管核心程序及数据 结构 ，力争从根本上杜绝 内 部安全隐患问题。 第三，设备管理和使用应该 进一步加 强。主 要包括应该定期进行相关设备运行环境状 况的检 查 ，对于相关的规章 制度和操作规程 进行熟悉分 析，及时发现问题 ，并解决 问题，对于设备购置、 使用、维修等 内容的规章制度做到及时更新处理 和 检查 。 第四 ，对于 员工 思想和安全意识教育进一步 加 强。素 质教育和业务培训 对于 员工成长来说 ， 是一个必不可少的环节 ，一方面使得 员工的思想 道德水平和法制观念教 育不断提高，能够做到不 违法和不犯 罪；另外一 方面 ，员工 的安全防范意 识和能 力也需要进一步提高，这样使得但罪犯分 子的可乘之机大大减少。 6 结束语 信息安 全 的基本 目标是 实现信 息的机密性、 完整性、可 用性 以及资源的合法使用，而网络安 全 是信息安全的基 本保证 ，是企 业网络正常运行 的前提。网络安全不单是单点的安全，而是整个 企业信 息网 的安全，需要从 物理、网络、系统、 应用和管理方面进行立体的防护。 参考文献 【 1 】李索 朵． 某 企业网全局网络安 全体系解决方案 【 J ] ． 制造 业 自动化， 2 0 1 1 ， 3 3 2 ． 【 2 】赵玉 亭， 张治， 李立欣， 等． 安全R A DI US 认证 、授权 、计 费系统的构建[ J 1 ． 计算机工程， 2 0 0 6 ， 3 2 9 ． [ 3 ]王堑，吴蒙． 一种基于激励的融合网络安全计费方案[ J 】 ． 南京邮电大学学报 自然科学版 ，2 0 0 8 ， 2 8 3 ． 蠡 | I‘ ． 蠡● 岛● 蠡- ． k ． ． 蠡‘ 岛‘ 蠡I 岛‘ 岛‘ 童‘ 童● 蠡I 岛‘ 岛‘ 量‘ {盘‘ 蠡● 出‘ 蠡‘ 岛‘ 蠢‘ 【 上接第9 8 页 】 3 结束语 该 系统将 P L C用于摩擦材料生产线 ，操作方 便 ，可 靠性高，成本低廉。经实 践验证 ，该系统 大大地提高 了摩擦材料生产线 的生产效率，降低 了工人 的劳动强度，并且避免 了粉尘对工人健康 的危害 ，值得在相关行业推广使用。 参考文献 【 l 】王珊珊 ， 王利 宁． 摩擦材料生 产过 程的配料及调 度 自动 [ 1 4 0 1 第3 4 卷第1 1 期2 0 1 2 - 1 1 - F 控制 系统 ， 长春大学学报2 o o 7 1 O ． [ 2 】李清新． 伺服系统与机床电气控制【 M] ． 北京机械工业出 版社2 0 0 1 ． 【 3 1 S 7 2 0 0 可编程序控制器系统 手册 ． 2 0 0 8 ． 【 4 】李移伦 ． 一种基于P L C 控制 的步进 电机 防失 步运行策略 自动化技 术与应用， 2 0 0 8 0 9 ． [ 5 】方石银 ． 步 进电动机 起动过 程 中脉 冲频率 的优化控 制， 吉林师范大学学报 自然科学版 2 0 0 8 0 4 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m