基于PLC的喷射成形管坯设备控制系统设计.pdf

2 0 1 3年 5月 第 4 l 卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE T0OL ＆ HYDRAUL I CS Ma v 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 1 0 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 0 ． 0 4 7 基于 P L C的喷射成形管坯设备控制系统设计 史先传 ，涂建平 ，李小平 ，廖威 、 1 ．常州大学机械工程学院，江苏常州 2 1 3 0 1 6 ；2 ．江苏技术师范学院材料工程 学院，江苏常州 2 1 3 0 0 1 摘要喷射成形技术是一种提高材料性能、降低成本的新型金属成形技术。研制了基于三菱 F X 3 U系列 P L C的管坯设 备控制系统 ，对喷射成形过程进行监测和控制。介绍了喷射成形管坯设备结构及工作原理、控制系统的硬件组成、P L C程 序设计和触摸屏界面设计。试验结果表明该控制系统运行稳定可靠 ，能够满足管坯的自动化加工要求。 关键词喷射成形；可编程控制器 P L C ；管坯；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 3 l O一1 4 0 3 De s i g n o f PLC- ba s e d Co nt r o l Sy s t e m o f Equ i pme n t f o r S pr a y Fo r mi ng Tube S HI Xi a n c h u a n ，T U J i a n p i n g ，L I Xi a o p i n g ，L I AO W e i 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，C h a n g z h o u U n i v e r s i t y ，C h a n g z h o u J i a n g s u 2 1 3 0 1 6，C h i n a ；2 ． S c h o o l o f M a t e ri a l s E n g i n e e ri n g ，J i a n g s u T e a c h e r s U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，C h a n g z h o u J i a n g s u 2 1 3 0 0 1 ，C h i n a Abs t r ac t S p r a y f o r mi n g i s a n o v e l t e c h no l o g y t o p r o du c e ne a r ne t s ha p e me t a l pa r t s wi t h h i g h p e r f o rm a nc e a n d l o we r c o s t ． A c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n F X3 U s e ri e s P L C w a s d e v e l o p e d t o mo n i t o r a n d c o n t r o l t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s o f s p r a y f o rm i n g t u b e ． T h e s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p ri n c i p l e o f t h e e q u i p me n t f o r s p r a y f o rm i n g ， h a r d wa r e c o n f i g u r a t i o n o f t h e c o n t r o l s y s t e m， P L C p r o g r a m d e s i g n a n d i n t e r f a c e d e s i g n o f t h e t o u c h s c r e e n w e r e i n t r o d u c e d ． E x p e rime n t al r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h e d e v e l o p e d c o n t r o l s y s t e m i s r e l i a b l e t o me e t t h e r e q ui r e me nt f o r t h e a u t o ma t i o n o f s p r a y f o r mi ng t u be ． Ke y w o r d s S p r a y f o rm i n g ；P r o gra m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r P L C ；T u b e ；C o n t r o l s y s t e m 喷射成形 技术是在传 统快速 凝 固／ 粉末 冶金技术 基础上发展起来 的新型成形技术。利用该技术制备 的 坯件具有组织均匀细化、致密度高、氧化程度小等高 性能。工业发达国家已经利用喷射成形技术制备相关 产品，并应用于航空航天、汽车、电子、兵器等关键 领域 。然而，国内喷射成形技术与工业发达国家 相 比有很大差距 ，还基本处 于实验室材料研究或 中试 阶段 ，早期 喷射成形设备控制甚 至采用手动按钮操 作 ，造成工艺参数控制不稳定 、劳动强度 大 ，难 以获 得形状精确 和组 织均匀 的沉 积坯 。鉴于 P L C具有 抗 干扰能力强、维护简单等优点 ，并且已在工业控制中 得 到广泛应用 ，作者选择 P L C作为控 制器 ，研制 了管坯生 产设备 的控制 系统 。 1 管坯设备结构及工作原理 图 1和图 2分别是管坯设备照片和结构图。该设 备的工作原理交流电动机 1 通过减速机 2 驱动丝杠 旋转，由丝杠螺母 3带动整个托架 9在导轨 1 0上做 左右往复移动，滚筒 1 3 、减速机 1 4和交流电动机 1 5 随托架一起左右移动 ；交流 电动 机 1 5通 过减速机 1 4 驱动滚筒 1 3旋转 。在 滚 筒旋 转 和往 复 运动 的同 时 ， 铝水从漏包 1 1 底部 的喷嘴 流 出，经 过高压惰 性气体 雾化为锥状的固液两相高速射流 ，沉积在滚筒上 ，形 成管坯 1 6 。通过调节行程 开关 5 、7的位 置可 以控 制 管坯长度 ， J 。行程开关 4 、8是限位开关。为 了便于 将滚筒从沉 积室 1 2中取 出 ，设 置 了 中点 开关 6 ，当 中点开关 6 有效 时 ，滚筒恰好停 留在沉积室仓 门的中 间位 置。 图 1 喷射成形管坯设备照片 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 0 9 作者简介史先传 1 9 7 2 一 ，男，博士，副教授，主要从事特种加工、机电控制方面的研究。Em a i l s h i x i a n c h u a n S O h u ．c o mo 第 1 0期 史先传 等基于 P L C的喷射成形管坯设备控制系统设计 1 4 1 r ⋯ ID j l 一交流电动机1 2 一减速机3 --丝杠螺母 4 、 5 、 7 、 8 一行程开关 6 一 中 点开 关9 一托 架 l 0 一 导轨l l 一 漏包l 2 一 沉积 室 1 卜 滚筒 l 4 ～减速机 l 5 一交流 电动机 2 1 6 一管坯 图2 喷射成形管坯设备的结构图 2 控制系统的硬件组成 控制系统的硬件结构框图如图3所示，控制系统 选用三菱 F X 3 U系列可编程控制器 F X 3 U - 3 2 MR作为 控制系统 的核心 ，以扫描方式执行梯形 图程序 ；选用 北京昆仑通态公司的 1 5英寸触摸屏 T P C 1 5 6 1 H作为 人机交互设备，输入操作数据和操作指令，显示沉积 室压力、温度及运动参数等信息。同时，选用 F X 3 U 系列的模拟量模块 F X 3 U - 4 A D读取沉积室的压力值； 选用温度传感 器输 入模块 F X 2 N - 4 A D ． P T读取沉 积 室 的温度值；选用三菱变频器 F R ． E 7 4 0对交流电动机 调速 。F X 3 U 一 3 2 MR与变频器之 间选用 R S - 4 8 5通讯适 配器 F X 3 U - 4 8 5 A D P连接 ，采用 三菱专 用通 讯协 议控 制变频器 。 几 _ ] _ - - 4 1 ．4 { U P l F X 3 U - 3 2 M R l 1 ． T 往 复 移 动 旋 转 运 动 图 3 硬件结构框 图 3 控制系统软件设计 3 ． 1 P L C程序设计 采用 G X D e v e l o p e r 编写 P L C程序。为 了便于编 程 和系统升级 ，将 P L C程 序按 功能 划分 为 多个 程序 块 ，主要 包括 自动加 工 程序块 、手动 调试 程序块 、 P L C与变频器通信程序块、模拟量处理程序块。 1 在 自动加 工程 序块 中，实 现 自动 回 中点 和 设备 自动 化 加工 运行 功 能 ，其顺 序功 能 图如 图 4所 示 ，并采 用 “ 以转换 为 中心 ’的编程 方法 编 写对 应 的梯形 图。 2 在手动调试程序块中实现调试功能，可 以 通过触摸屏上设置的软开关按钮操纵各执行机构，便 于系统调试、维修或事 故操作，该程序也 是采用 “ 以转换为 中心” 的编程方法编写梯形 图。 二 爹 开始加工 互亟 _L_左边行程 l 开关X12 --{ 右 边行 程 开关 Xl l ， 继续 加工 一 M 3 0 中点 开关 X1 4 一M 6 图4 自动加工程序的顺序功能图 3 在 P L C与变频器通信程序块中，使用三菱 专用通讯协议 ，进行 参数 设定 、监 视 、运 行等操 作 ， 该程序采 用普通 的梯 形 图编 写。在 P L C与变 频器 通 信之前 ，必须对变频器和 P L C进行相应的设置，也 就 是 ，通 过变频 器操作 面板对变频器进行初始参数设 定 ，初始 参数包 括变频 器站号 、通讯协议 ，其他参数 可 以在通 讯 时 由 P L C程 序设 定 ；在 G X D e v e l o p e r的 参数设置窗口中设置 P L C端的通信协议。 一 中 点 M 开 6 关 xl 4 4 模拟量处理程序块 的功能是对沉积室的温 度和压力进行 检测 ，该程序采用普通 的梯形 图编 写 。 3 ． 2触摸屏界 面设计 触 摸屏界面采用组态软件 MC G S 设计 。采集现场 数 据 ，经 处理后 以图形 或数据的方式 直观地 显示在 触 摸屏上 ，并将控制数据发送给现场硬件设备 ，对执行 机构实施控制或调整控制参数 。该界面结构框图如