基于PLC高压水倒空控制系统的设计.pdf

2 0 1 0年 1 O月 第 3 8 卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I C S 0c t ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 0 ． 0 2 5 基于 P L C高压水倒空控制系统的设计 姚 国年 ，卫军胡 ，魏登峰 ，孙 国基 1 ．西安交通大学系统工程研 究所机械制造 系统工程国家重点实验 室，陕西西安 7 1 0 0 4 9 ； 2 ．中国人民解放军 6 3 8 7 0部队，陕西华 阴 7 1 4 2 0 0 摘要为了提高弹体装药倒空系统的自动化程度，满足弹体装药倒空的效率要求 ，设计一套以P L C为主控单元、触摸 屏配合使用的高压水弹体装药倒空控制系统。阐述倒空控制系统的组成、工作原理和 P L C与触摸屏结合的控制方式；结合 高压水倒空 自动控制系统的特点，给出系统的软硬件结构设计。引入故障诊断和定位技术 ，并结合触摸屏进行故障报警和 相应处置。试验结果表明，系统能完成不同口径弹体的倒空，达到设计要求。目前该系统已投入试验使用，效果 良好 、可 靠性高，具有广泛的应用前景。 关键词 P L C ；高压水 ；倒空系统 ；控 制 中图分类号 T P 2 7 3 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 0 0 7 2 3 De s i g n o f Ex p l o s i v e Re mo v a l S y s t e m i n Hi g h - p r e s s u r e W a t e r J e t B a s e d o n PLC Y A O G u o n i a n ，WE I J u n h u ，WE I D e n g f e n g ，S U N G u o j i 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y f o r M a n u f a c t u r i n g S y s t e ms E n g i n e e r i n g ，S y s t e m s E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ， Xi ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ；Xi ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 4 9，Ch i n a ； 2 ． T h e 6 3 8 7 0 Un i t o f P L A，Hu a y i n S h a a n x i 7 1 4 2 0 0。C h i n a Ab s t r a c t A e x p l o s i v e r e mo v a l s y s t e m i n h i g h p r e s s u r e w a t e r j e t b a s e d o n P L C a n d t o u c h i n g s c r e e n w a s d e v i s e d i n o r d e r t o i m p r o v e t h e a u t o ma t i z a t i o n a n d me e t t h e e ffic i e n c y d e ma n d o f e x p l o s i v e r e mo v ． T h e s y s t e ma t i c c o mp o s i n g ， t h e w o r k i n g p r i n c i p l e a n d t h e c o n t r o l mo d e b a s e d o n P L C a n d t o u c h i n g s c r e e n we r e i n t r o d u c e d ． T h e h a r d w a r e a n d s o f t wa r e s t r u c t u r e w e r e d e v i s e d f o r t h e s y s t e m a c c o r d i n g t o t h e p e c u l i a r i t y o f t h e a u t o e o n t r o l s y s t e m i n h i g h p r e s s u r e w a t e r ． F a u l t d i a g n o s i s a n d l o c a t i n g t e c h n i q u e we r e u s e d i n t h e s y s t e m t o ma k e f a u l t a l a r m a n d c o r r e s p o nd i ng t r e a t me n t wi t h t he t o uc hi ng s c r e e n． The e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t he s y s t e m c a n r e m o v e e x p l o s i v e f r o m d i f f e r e n t c a l i b e r p r o j e c t i l e b o d y a n d a c h i e v e s t h e d e v i s i n g r e q u i r e m e n t s ．T h e s y s t e m h a s b e e n u s e d e x t e n s i v e l y i n t e s t ，whi c h h a s a g o o d e f f e c t ，hi g h r e l i a b i l i t y a n d b r o a d a p pl i c ab l e f o r e g r o u nd ． Ke y wo r d s P L C；Hi g h p r e s s u r e w a t e r j c t ；Ex p l o s i v e r e mo v a l s y s t e m；C o n t r o l 高压水 射流技术是 国际上兴起 的具有绝对优势的 一 项高科技工业及 民用技术 ，作为清洗工具 ，水射流 具有独特的优越性。高压水弹体倒空技术是利用高速 水射流的冲蚀破碎作用连续冲击弹体中的炸药 ，使炸 药破碎成一定尺寸 的炸药颗粒 ，脱离弹体 ，然后随水 流一起流出弹腔，实现弹药倒空的目的。由于高压水 射弹药倒空不产生粉尘和有害气 体 ，安 全卫生 ，劳动 条件好 ，对环境无 污染 ，在弹药销毁领域被 国内外广 泛应用 。 P L C是 2 0世纪 8 0年代发展起来的一种新型的电 器控制装置，它将传统的继电器控制技术和计算机控 制技术融为一体 ，具有功能强 、体积小 、成本低 、编 程简单等突出优点 ，目前在工业过程控制自动化等方 面得到了广泛应用 。 为了提高倒空系统的安全性、可靠性和自动化程 度，降低操作人员的劳动强度，作者充分利用 P L C 和高压水倒空技术的优点 ，研制了一套以 P L C为主 控单元 、触摸屏配合使用的高压水弹体倒空系统，该 系统 可靠性 高 ，具有广泛 的应用前景 。 1 系统的控制要求 该系统要求包括 1 自动或 手动 方式控 制倒 空 的全部过程 ； 2 能够实 时测 量监控 现场 的水压 、 油温 、油压和转速等参数 ； 3 能够产生 报警事件 ， 包括控制过程以及温度、压力过高、过低的报警等。 1 ． 1 系统的 工作过 程 弹体倒空流程图见图 1 所示 。试验时 ，将被倒空 弹体放在托弹架 上一 托弹架前进并上 升一 防爆 门打开 一机械手爪松开一机械手大臂伸出一机械手爪夹紧弹 体一机械手大臂收缩一防护门关闭一托弹架下降并后 退一机械手腕部旋转 3 0 。 ，使弹丸口部对准喷枪一清 收稿 日期 2 0 0 91 0 0 9 作者简介姚国年 1 9 6 6 一 ，男，在读博士生，主要从事常规武器试验工作。电话 0 9 1 3 2 3 0 5 0 6 5 ，Em a i l g n y a o 1 6 8 1 2 6 ．c o n。 第 2 0期 姚国年 等基于 P L C高压水倒空控制系统的设计 7 3 洗机截止阀开关打开，喷枪旋转 ，高压水喷出一滑 台前进，对弹体进行冲洗作业一冲洗完成后，截止阀 开关关 闭 ，喷枪停止旋转一滑 台后退到起始位置一机 械手腕部逆转 3 0 。 ，使弹体成水平状态一防爆门打开 一机械手大臂伸出到位一托弹架前进并上升托起弹体 一机械手爪松开一机械手大臂收缩到位一托弹架下降 并后退一卸下空 弹体 ，至此一发弹倒空完毕 ，下一发 重复此过程，直至全部结束。 旋 转3 0 。 {∈三 图 1 弹体倒空流程图 1 ． 2 机械手操作方式 机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作 方式 。 手动操作。用按钮操作 ，对机械手 的每一种运 动 单独进行控制。例如当选择防爆门开／ 关运动时，先 通过拨挡开关选择 “ 防爆 门” ，然后按下 “”按钮 ， 使防爆门关闭 ；按下 “一”按钮 ，使防爆 门打开 。 自动操作。按 “ 启动”按钮，按 照试验 流程， 系统从原点开始，根据给定的顺序 自动地、连续地进 行一个周期的操作 ，直至一发弹倒空完毕，回到原点 自动停止 。按下 “ 启动 ” 按钮 ，系统 又 重新 开 始 下 一 周期 的工作 。 在操作面板上，分布有 3 6个指示灯、9个按钮 、 4个旋钮、1 个急停 自锁按钮、1个触摸屏。各 自功 能分别为 1 指示灯指示机械手的运行状态，油 泵、清洗机 、背压泵启停状态； 2 按钮包括系统 按钮 、油泵 ，清 洗机 、背压 泵启 动按钮 ，复位按 钮 ， “ ” 、 “ 一 ” 逻 辑 控制 按 钮 ， 自动 状 态起 停 按 钮 ； 3 旋钮包括手／ 自动选择旋钮 、机械手动作选择旋 钮、托弹架升降／ 进退选择旋钮、喷枪正反转控制按 钮 ； 4 急停按钮功 能紧急停止 系统运行 ； 5 触 摸屏显示数据及报警。 2系统的结构设计 该系统共有 1 0 3点 开关 量输 入 5 0点 ，开关 量 输出5 3点；4路模拟量输入信号，选定 P L C为 日本 三菱公司的 F X 2 N 一 1 2 8 MR，它是集成 1 2 8点 I ／ O的箱 体式控制器 ，具有运算速度快 、指令丰富 、性 能价格 比高 、联机编程简单、扩展方便等优点 ，是三菱 F X 系列功能最强的小型控制器。有资料表明，该产品的 平均无故障时间达 3 0万小时，即可保证控制器连续工 作 2 0 年以上不出故障，因此，该产品具有高可靠性， 内有 R S 4 2 2通讯口，能满足较高性能的要求。 选用 1 个 F X 2 N 一 4 A D完成模拟量测量。 选用台达 D O P ． A S 5 7 B S T D 8型号 7寸触摸屏 ，实 现数据显示和相应功能，由于计算机的通信 口均为 R S - 2 3 2 ，三菱 F X型 P L C的通信 口是 R S - 4 2 2 ，因此 ， 计算机与 三菱 F X型 模 拟 量 石藕 P L C之 间 采 用 带 有 ⋯ 一 一 一 二[ ⋯一 一 R S ． 2 3 2 ／ R S 一 4 2 2 转换的 ’ - 1 垫塑卜 _ _ - r ． 1 丝 星l S C - 0 9的专用通信电 晏- - 叫 P L C r - 1 鱼 墨 J 缆 连接， 达到人机交 - ’ 匿 亘 卜 - 1 互 目的。系 统 结 构 组 图2 系统的结构组成框图 成框 图见图 2所示 。 3系统的软件设计 3 ． 1 系统控制程序设计 整个系统 的工作流程分手动 、自动两个部分 由选 择开关进行切换 。手动部分主要 用于系统调试 ，设置 系统初始工作状态。要实现以上功能，作者采用三菱 P L C特有 的 F N C 6 0 I S T指令 ，方 便地实 现手动 、 自动 、 原点恢复等动作。通过 I S T命令，不需要各动作模式 间的切换或重复控制程序 ，只要将重点放在编制状态 内的机械动作程序上，就可完成顺序设计。 应用 I S T令需要将程序分成 3个 一 部分 如图3 所示 ， 其中 公用模块I 竺 堡 苎 I 主要完成系统的初始化；当拨挡开关 l S O 手 动 程 序l 选择 “ 手动”状态时，手动程序完成 设备 的手 动操 作 ；当拨 挡 开关 选 择 “ 自动”状态时，自动程序按照倒弹图3 系统程 流程 ，设计系统动 作流程 ，以完成 系 序划分 统的 自动运行。 3 ． 2 系统模拟量测量程序设计 利用 F R O M指令将 A ／ D转换模块转换的数值量送 到 D 1 0 0 --D 1 0 3 ，P L C对其进行进一步的处理，使系统 完成控制任务。为 了保证采 样 的准确性 ，系统通 过 4 次采样取平均值的方法，其梯形图如图4所示。处理 后 的 数 据 从 D 1 0 o D 1 0 3取 出， 经 过 偏 置 l 1 和增益，将数值转换 为温度 与压 力 ，显 示 在触摸屏上。 鞠 图 4 测量梯形图 3 ． 3 系统的故障诊 断与报警程序设计 故障是任何系统都回避不了的问题，特别是设备 运行到一定年限，各种故障将频发 ，因此，如何发现 故障，并提示操作人员采取相应的措施 ，以减少不必 要的损失，是自动控制系统必须解决的问题。 7 4 机床与液压 第3 8卷 在界 面 中，设 有故 障 报警 功 能 ，以便 操 作人 员 依照报警提示作相应的处理。一旦系统在运行过程中 出现错误，系统将报警，并出现相应的界面。根据界 面的提示，应采取相应的措施，再按复位取消报警。 报警界面根据报警的内容调整 ，操作员可根据界面上 的提示，作一定的判断后进行维修。 报警分为三类 ，第一类是霍尔开关故障诊断及报 警。根据系统在正常状态下，确定每一操作步骤所需 要的时问 ，然后通过定时判断的方式完成每一操作步 骤的诊断。如某一操作环节出现问题 ，在规定的时间 接受不到相应的信号，则可认为该步骤出现故障，通 过相 应 界 面 显 示 可 能 出 现 的 问题 并 报 警 。P L C 中 9 1 2 -- 9 3 4 状 态寄存器分别对应 2 3 个霍耳传感器 。 第二类是模拟量超 限显示及报警 。系统 中，根据 被测的量值大小 ，比较上下 限，如果超限 ，系统报警 并提示操作人员采 取相应 的措施 ，防止意外发生。实 现 以上 功 能 ，首 先 应 将模 拟 量 经 过 F X 2 N 5 6 M F R o M K 0 K 5 D l I l Il K 4 4 A D转换成数字量， l c M D 1 o 0 K 5 。Ⅲ。 然 后 将这些数字 量送 l c M P D l 0 2 K l 0 0 M 4 6 入 P L C的内部数值寄 l C M P D l 0 3 K 2 0 0 M 4 9 存器 D 1 0 0 一D 1 0 3 ，并 9 4 }-- t 卜 _ 1 一C M P D 1 0 0 K 9 5 0 M 8 0 使用 比较 指令 判 断 是 f c M D 1 0 2 K 4 6 6 M 8 3 否超限，最后程序作 图5 模拟量转换与比较 出必要 响应 。程 序 如 图 5所示 第三类为 A ／ D转换模块故障及报警。利用 A ／ D 转换模块的状态信息 B F M 2 9的位操作功能，完成其 故障诊断。 4 结束语 介绍 了以 P L C为核 心 的高压 水 弹体装 药倒 空控 制系统 ，系统与触摸屏 配合使用 ，大大改善 了 P L C 控制 系统 的操作性能 ，故障诊断技术 的应用保证 了该 设备能够可靠地使用。目前系统已投入实际运行，经 过一年多的运行观察 ，整个系统 达到设计要求 ，运行 稳定，安全性 、可靠性高 ，操作简单。试验证明，该 系统处于 国 内同行业 领 先地 位 ，具有 显著 的军 事 效 益，在弹药倒空等领域具有很高的推广价值。 参考文献 【 1 】段苏振． 高压水射流除锈机 自动进给控制系统的研制 [ J ] ． 电气传动 自动化， 2 0 0 4 ， 2 6 2 2 32 8 ． 【 2 】 段仁君． 钢管生产线高压水射流除鳞 自动控制系统 [ J ] ． 控制工程， 2 0 0 7 ， 1 4 5 增刊 2 0 2 2 ． 【 3 】 吴健． P L C在油田油管清洗中的应用[ J ] ． 微计算机信 息 ， 2 0 0 5 ， 2 1 1 2 32 4 ． 【 4 】杨青杰． 三菱 F X系列 P L C应用系统设计指南[ M] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． 4 ． 【 5 】郭纯生． 可编程控制器编程实践与提高[ M ] ． 北京 电子 工业出版社 ， 2 0 0 6 ． 7 ． 【 6 】卢晓江． 高压水射流清洗技术及应用[ M] ． 北京 化学工 业出版社 ， 2 0 0 6 ． 1 ． 【 7 】岳庆来． 变频器、 可编程控制器及触摸屏综合应用[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 7 ． 2 ． 上接 第4 8页 由仿真结果可以看出，油压试验台在节能模式下 缩短了打压时间，提高了试验效率。同时，系统在节 能模式 下还 降低 了蓄能器释压过程 中对 系统元件及 回 油管路的冲击，并在一定程度上提高了系统的工作寿 命 。从蓄能器 P V关系仿真可以得 到蓄能器在普通 与 节能模式下存在同一种关系性能仿真曲线，油压试验 保压过程 中出现的掉压 现象正是 由于气体介质被压缩 造成 的热量损失和油液在 系统管路 中摩擦生成的热量 损失所致。为满足试验压力，在普通与节能试验过程 中都应采取减慢增压速度 、多次加压、及时冷却或适 当增大试验压力设定值等措施 。 3结论 1 根据试 验对 象蓄 能器 规格不 同，作 者提 出 了一种新型的蓄能器油压试验台控制方案 ，可以根据 不 同的系统压力和系统流量实 现多级控制 。由此避免 了蓄能器大规格打压时间过长 和小规格系统流量过大 等 问题 的发生 ，并基于蓄能器 自身的蓄能原理提 出了 油压试验 台的节能控制模式。 2 区别于常规液压系统设计思路，蓄能器油 压试验 台的设计充分利用 A ME S i r n软件仿真平 台对 其进行建模与仿真。作者通过 A M E S i m对试验台模 型在两种 模式下 蓄能 器 内部 气 体压力 、气 体压 力 一 容积关 系和 系统 回路 冲击 压 力进 行 了仿 真与 分 析 。 仿真结果 表明蓄能 器在节 能模 式 下可 以节 约泵 的打 压时间，提高油压试验台工作效率 ，并且降低了蓄 能器释压过程中对 回路的冲击，在一定程度上提高 了系统的工作寿命。通过仿真验证了系统节能模式 的可行性 。 参考文献 【 1 】 马雅丽， 黄志坚． 蓄能器实用技术[ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 6 1 ． 【 2 】 黄中华， 金波， 刘少军， 等． 皮囊式蓄能器快速增压过程 [ J ] ． 中南大学学报 自然科学版， 2 0 0 6， 3 7 2 i 3 0 6 3 09．