西门子6ES7214-2AD23-0XB8诚信交易

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电机、小型变压器、继电器、接触器上都需要用到线圈。这些设备要求线圈具有一些特殊的性能，比如机械强度、绝缘性能、防潮、防腐、耐高温等，一般在线圈表面加涂漆层以达到要求。真空压力浸漆设备就是在真空加压状态下把漆涂到线圈表面的一种设备。与一般的浸漆技术相比，它的主要优点在于漆膜均匀致密，附着牢固，处理后的线圈绝缘性能较好。PLC具有可靠性高、控制功能强、编程方便、易于使用、工作环境要求比较低，广泛用于工业控制。本文主要讨论三菱公司的PLC在真空压力浸漆设备控制中的应用。

一 真空压力浸漆控制系统的工艺流程及设备控制要求

1. 真空压力浸漆的工艺流程

真空压力浸漆过程的工艺流程如图所示。

a. 储漆罐抽真空

在储漆罐大气阀、浸漆罐真空阀、干燥罐真空阀及通风阀关闭的情况下，储漆罐真空阀、真空机组真空阀自动打开，真空机组水环泵进水阀、进气阀自动打开，在冷却水压达到0.1MPa以上时真空机组自动启动，开始对储漆罐抽真空，当真空度达到1333～4000Pa后，停止抽真空，储漆罐真空阀、真空机组真空阀自动关闭，真空机组水环泵进水阀、进气阀自动关闭，真空机组停止运行。保真空1～2h后，开储漆罐大气阀，罐内外压力平衡后，关储漆罐大气阀。

b. 储漆罐加热(用于北方寒冷地区，南方不使用此功能)

触动“启动加热水”按键，加热水管道泵启动，触动“启动搅拌电机”按键，搅拌电机启动，当漆温达到30～50℃时停止加热及搅拌。

c. 浸漆罐装工件

打开浸漆罐的大气阀，按下“液压站油泵电机启动”按钮，启动液压站，按下“浸漆罐罐盖开盖”按钮，打开浸漆罐罐盖，吊装工件进罐。按下“浸漆罐罐盖关盖”按钮，将浸漆罐罐盖关到位，按下“浸漆罐罐盖旋紧”按钮，转箍旋转复位，按下“液压站油泵电机停止”按钮，停止液压站油泵电机，关浸漆罐的大气阀。

d. 浸漆罐预抽真空

在浸漆罐罐盖关闭并旋紧、大气阀、储漆罐真空阀、干燥罐真空阀及通风阀关闭的情况下，浸漆罐真空阀、真空机组真空阀自动打开，真空机组水环泵进水阀、进气阀自动打开。

在冷却水压达到0.1MPa以上时真空机组自动启动，开始对浸漆罐抽真空。当真空度达到400～600Pa后，真空机组自动停止运行，也可以触动“抽真空停止”按键，浸漆罐真空阀、真空机组真空阀自动关闭，真空机组水环泵进水阀、进气阀自动关闭，真空机组停止运行，抽真空过程停止。保真空0.25～0.5h。

e. 输漆

开储漆罐和浸漆罐视孔灯，开储漆罐大气阀，按下“输漆”按钮，输漆阀打开，开始输漆。观察漆面，当到达工艺规定值后，断开“输漆”按钮，输漆阀关闭，停止输漆，关视孔灯。

f. 压力浸漆

打开浸漆罐的大气阀破真空，完毕后关上浸漆罐的大气阀。断开“输漆”、“回漆”按钮，使输漆阀、回漆阀关闭。手动打开浸漆罐旁边的加压阀开始加压。当浸漆罐罐内压力达到0.3～0.4MPa时，手动关闭加压阀。当罐内压力下降到一定值后，又手动打开浸漆罐旁边的加压阀，加压到0.3～0.4MPa，保压0.5～1h后，压力浸漆过程停止。

g. 回漆

开储漆罐和浸漆罐视孔灯，开储漆罐大气阀，控制浸漆罐大气阀使浸漆罐泄压至0.15～0.2MPa按下“回漆”按钮，回漆阀打开开始回漆。观察漆面变化，当漆面接近罐底时，点动“回漆”按钮2～3次，防止压缩空气进入储漆罐。

h. 滴漆

打开浸漆罐的大气阀滴漆，滴干净后关阀。触动“排风”按键，通风阀、浸漆罐真空阀自动打开，排风机自动启动。按下“液压站油泵电机启动”按钮，启动液压站。按下“浸漆罐罐盖旋松”按钮，转箍旋转至开位，按下“浸漆罐罐盖开盖”按钮，打开浸漆罐罐盖至10°，继续滴漆并排除有害气体。滴漆干净后，触动“排风停止”按键，通风阀、浸漆罐真空阀关闭，排风机停止运行。

i. 卸工件

打开浸漆罐大气阀，触动“排风”按键，通风阀、浸漆罐真空阀自动打开，排风机自动启动。按下“浸漆罐罐盖旋松”按钮，转箍旋转至开位，按下“浸漆罐罐盖开盖”按钮，打开浸漆罐罐盖，吊出工件。按下“浸漆罐罐盖关盖”按钮，将浸漆罐罐盖关到位，按下“浸漆罐罐盖旋紧”按钮，转箍旋转复位，按下“液压站油泵电机停止”按钮，停止液压站油泵电机。触动“排风停止”按键，通风阀、浸漆罐真空阀关闭，排风机停止运行。

j. 储漆罐降温保存

启动制冷机组，然后触动“启动搅拌电机”按键，搅拌电机启动。当漆温降到要求温度值后，触动“搅拌停止”按键，停止搅拌，停止制冷机组。

k. 干燥罐固化

启动液压站，打开干燥罐的大气阀，打开干燥罐罐盖，工件吊入罐内，关闭干燥罐罐盖，关闭干燥罐的大气阀，关闭液压站，然后工件在干燥罐里进行固化，固化完后，启动液压站，打开干燥罐的大气阀，打开干燥罐罐盖，工件吊出干燥罐，然后再关闭干燥罐罐盖，关闭干燥罐的大气阀，关闭液压站。

二 真空压力浸漆控制系统的PLC选型和I/O地址分配

从工艺流程可看出真空压力浸漆控制系统是一个开关量顺序控制系统，共有输入信号33点，输出信号30点。本系统选用三菱公司的FX2N-80MR整体式PLC。FX2N-80MR控制着整个系统按照控制要求有条不紊的运行。同时FX2N-80MR采用交流220V供电，并且自带40个数字量输入点和40个数字量输出点，完全能满足真空压力浸漆设备控制的要求，因此不再需要另外的电源模块、数字量输入/输出模块。模块上的输入端子对应的输入地址是X000～X047，输出端子对应的输出地址是Y000～Y047。该系统I/O点没有用完，留有余量，以备系统扩展功能用。I/O地址分配如表所示。

三 真空压力浸漆系统的PLC控制及程序设计

真空压力浸漆控制系统是一个开关量顺序控制系统。三菱公司的FX2N系列PLC有两条步进顺控指令，并且有大量的状态元件，可用顺序控制设计法，用SFC语言的顺序功能图或者状态转移图方式编程。当机组无故障时，由PLC控制开机组，然后储漆罐抽真空、储漆罐加热、储漆罐降温保存、干燥罐固化，完成真空压力浸漆工艺流程，后停机组。如系统在运行过程中由于水环泵过载、冷却水压低，整个系统停止。

四 结语

真空压力浸漆设备采用PLC控制，由用户程序代替继电器控制电路，可以灵活方便地通过用户程序的改变来实现控制功能的改变，接线简单，故障点减少，可靠性大大增强。

目前，市场上流行的注塑机专用机械手就控制系统而言都是使用专用的微处理机加接口组成的小控制系统。在机械构造方面，当定位精度要求不高时采用时规皮带传动，行走部分配置滑线导轨，由变频调速器调速控制。本文提出一种基于PLC控制的注塑机专用机械手，充分利用PLC灵活控制的特点，行走部分配置滑线导轨，采用斜齿轮齿条传动和变频调速控制;是一种高性价比的机电一体化设备。文章分别从机械构造和电气控制两个层面对该机作了较为完整的论述。

1 引言

在塑胶制品中，以制品的加工方法不同来分类，主要可以分为四大类。一为注塑成型产品;二为吹塑成型产品;三为挤出成型产品;四为压延成型产品。其中应用面广、品种多、精密度高的，当数注塑成品产品类，小到日常生活用品中的锅瓢碗盏、儿童玩具，大到精密工业设备上的零部件，随着各种高分子新材料的不断涌现，许多金属零部件亦有不断被这些新材料逐步取代的趋势。为配合注塑成型产品自动化生产要求，为保证制品的高品质高效率，必须尽量减少人工的干预，基于上述思想，许多注塑机生产厂家将注塑机专用机械手的装置列入了客户辅助选用件的范围。

然而,对于原有注射机而言，绝大多数都没有此项装置，因此，开发适合注塑机使用的专用辅助机械手，就成了提升厂家产品的竞争力的一种重要手段和必然选择。

2 行业状况

各种类型机械手是自动化生产中必不可少的重要设备。尤其是在危险场合，在严重威胁人们安全和健康的环境下，采用机械手代替人，具有十分重要的意义。

珠江三角洲地区塑胶工业是十分发达的，在国内居地位，在国际上珠三角也有世界工厂之称。目前，该行业使用的注射机专用机械手以台湾生产的居多，如台湾劲力公司生产的劲力牌机械手、台湾威得客国际股份有限公司生产的“威得客”W255系列注射机专用机械手,等等。

剖析此类机械手的结构，其电气控制系统一般均采用微型计算机小系统或单片机系统，机械手驱动部分采用气动驱动，变频调速驱动和伺服驱动。在机械构造方面采用滑线导轨结构配时规皮带传动，或用滚珠齿轮齿条结构配滑线导轨。总体设计思想，都是尽量采用成熟的控制技术和机械零件与机构搭配而成。

3 基于PLC控制的注塑机专用机械手

上述注塑机专用机械手, 就机械手制造厂家而言, 由于是专用辅助设备因而售价较高, 尤其用于对原有注塑机的设备改造上, 经济上似乎“得不偿失”之嫌。所谓“高性能价格比”的注塑机专用机械手就成了所有注塑制品生产厂家利用原有注塑机设备提升产品质量的重要选择和大需求。

3.1 以PLC为核心的控制系统

PLC是一种以微处理器为核心, 并综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型工业自动控制装置。它的大特点就是体积小, 功能强, 响应速度快，可靠性高。控制过程均通过以梯形图的方式编程。随时可依生产工艺的不同要求而随机修改，还具有可扩展性。现在由于PLC均由世界上有名的电气控制设备制造商化研究开发和批量生产, 故由于生产成本低而导致价格便宜。随着全球经济一体化进程的加快, 市场竞争导致其价格有进一步下调的空间, 为各行业上广泛采用此种控制系统提供了有利条件。其控制系统原理图如图1所示。

图1 PLC控制系统框图

图中人机界面亦采用技术上及工艺上均已十分熟悉的5.7"单色触摸屏, 采用手持式结构, 通过对话式操作界面，全中文模式，简单易学。内建程序可以随心所欲的搭配使用, 可自动监测故障并纪录。可随时修改三个坐标轴的运动参数及横行轴变频调速器的各项参数，以满足产品工艺要求。PLC通过读取注塑机的开合模信号和顶针信号，通过程序运行从而保证机械手与注塑机工作安全协调。

3.2 机电一体化机械传动模式

在当今技术更新愈来愈快的时代，谁跟上技术发展的脚步，谁就有可能获得市场。目前，市场上流行的注塑机专用机械手，无一不是沿用上述思路来设计的。本文将上述思想引伸为一种设计模式:积木式结构。即将系统中相对独立的部件，在满足系统工艺要求的前提下，采用高性能价格比的机构予以配置。针对本系统的结构，横行轴采用变频器马达配减速机构驱动;上下轴及引拔轴使用气缸驱动。在横行、引拔、上下行走机构上均使用进口的高刚型线性滑轨。上下行轴及引拔轴装配支座均使用市售高刚型的铝合金型材，横行轴采用斜齿轮齿条传动。，高性价比的机械配置加高性价比的控制系统，由此催生了极具市场竞争力的注塑机专用机械手。

根据上述设计思想，以OMRON公司的CPM2AE为例，该型号是专为中国客户推出的PLC，具有极高的性价比，笔者以此为核心，配上触摸屏和LG变频器，再辅以上述机械传动部件，即构成了注塑机专用机械手的硬件部分，而软件编程则以应用工程师十分熟悉的梯行图语言来编写，相信也并非难事。该注塑机专用机械手已应用于生产。造价较市场上同类型机低近2万元。

4 结束语

实践证明，利用十分成熟的PLC技术和变频器调速技术以及十分成熟先进的机械传动构件，采用积木式架构，应用工程师就可以迅速地为企业设计制造出生产急需的机电一体化设备。成为在设备改造、升级，提高产品质量，参与市场竞争的有力武器。

1、引言

西门子S7系列PLC以其可靠性高、软件功能丰富、编程简便，尤其是其组网能力强大等优点而越来越广泛地应用于工业自动化控制系统中，从S7-200、S7-300至S7-400，西门子PLC提供了PPI、MPI、Profibus、Industrial Ethernet及AS-i等系列网络解决方案，从而满足了管理层、客户层、现场层到传感器/执行器等各种层面的通讯需求。本文以我厂炭素成型连续混捏机改造为例，阐述了PLC如何实现混捏机调速控制、混捏过程的实时监控、显示、操作等功能。保障了生产过程的连续性，降低了劳动强度，改善了劳动条件，实现少人或无人巡视的目标，达到了对大型、关键设备的安全、可靠运行的目的。

2、被控对象

中铝青海分公司炭素连续混捏机是八十年代中期从德国BUSS公司引进的铝电解预焙阳极专用大型设备。其混捏方式采用动、静搅刀相对运动和搅拌轴前后移动实现糊料混捏目的。其混捏机总控制系统如图1所示。

图1 混捏机控制及辅助装置的系统控制图

3、PLC控制系统设计

一个设计良好、性能优越的控制系统，必须有高质量、高性能的硬件配置才能保障佳控制目的实现。由于混捏机控制系统的实际控制量较少，采集的参数种类较多的特点，采用S7-200 PLC能完全满足其控制要求。另外S7-200 PLC是以Profibus-DP为通讯模式，其高速（数据传输率高达12Mbps）且优化的通讯方式，适合现场级控制系统与分布式I/O及其它设备之间的主从通信。其PLC的主要配置分别为：处理器选用CPU315-2DP；数字输入模块6ES7 321-1FH00-0AA0 6块；模拟输入模块6ES7 331-7NF00-0AB0 2块；数字输出模块6ES7 322-1FH00-0AA0 4块；模拟输出模块6ES7 332-5HD01-0AB0 1块；模块前连接器6ES7 392-1BJ00-0AA0 13块；IM365本地扩展模块（6ES7 365-0BJ01-0AA0）1块；电源模块PS307 5 1块；DP总线连接器（6ES7 972-0BB50-0XA0）2块；监控装置为触摸屏TP270（10寸带Profibus接口）。其原理如图2所示。

图2 PLC控制混捏机及其辅助系统原理图

由于数字输入模块具有各组之间、组与数据总线间均设为相互隔离，其输入信号可直接接至模块上，也可用继电器隔离后接入模块，其输入模块内部原理如图3所示。

图3 PLC数字信号输入模板接线图

另外，由于模拟输入模块各通道之间、通道与数据总线间随具有隔离功能，但因混捏机调速系统、辅助控制系统以及现场各信号采样传感器电源回路、电压高低不同，为使PLC系统工作安全、可靠，一般要求其各输入信号必须隔离。此外对于远程采样信号，为提高测量准确性，其输入信号均采用电流信号输送。对于无源输入信号，而且传输距离短的传感器信号，可直接输入。其模拟输入模块的内部原理如图4所示。

图4 PLC模拟量输入模板接线图

在模拟模块输入接线中，要考虑实际采用的传感器的引线根数，对于多数4芯传感器接线，则采用图5接线方式；对于2芯传感器接线，则采用图6接线方式。

图5 热敏电阻与模拟输入模块的四线连接

图6 热敏电阻与模拟输入模块的两线连接

3.1 混捏机控制及保护系统的设计

在混捏机调速控制系统中，除调速系统硬件设有过压、过流、限速、短路、可控硅击穿等保护措施外，还设置了多个PLC软件保护功能。如速度给定大速率限制（设置以5r/s变化；防止升、降速过快问题），高、低速度限制设置，紧急停车机及失误操作等其它不正常操作。通过严密的逻辑关系和软件监测，实现了混捏机操作互锁、运行监控及故障报警功能；特别是对混捏机瞬间过电流的监控，解决了混捏料中因金属硬质物混入导致的搅刀被打断的问题，避免了混捏机的重大故障的发生或故障扩大的问题。

保护系统是设备应具备的基本功能，尤其是重大关键设备，其这方面的要求更加重要。在实际中，根据设备的运行安全的要求、现场复杂性以及对操作人员产生的可能伤害等要求，采取可靠的保护措施和防止手段，是设备控制必须的性能。为此，在混捏机电控系统中，应用PLC实现如下保护措施，完全满足了混捏机实际运行要求。

（1）电枢电流的上限设置。根据混捏机的实际工作要求，对其电机电枢电流的上限设置为两种保护功能：对于较小范围的过流（如负载扰动引起的过流），设置电枢电流达到设定的电流值360A（相对于混捏量为16T/h而言。由于混捏料量多少不同，其电机电枢电流相应的也不等，应根据实际混捏料量确定；如混捏量为17.2T/h，其工作电流上限设为380A较为适合），允许过流时间设定为45秒（可在10～300秒内选择），超过设定时间，电枢电流仍然处于过载范围，则PLC给混捏机调速装置发出故障信号，系统立即封锁主整流可控硅触发脉冲，使电枢主电路输出中断，并启动报警器工作；第二种保护设置是防止混捏机突发故障，引起主电机电枢电流超过一定值（如410A对应的混捏量为16T/h；若混捏量为17.2T/h，则动作电流值设为435A才能满足实际要求）的特殊情况，则设置立即启动保护功能（由于PLC扫描周期为100ms，故系统实际会延时100ms后才动作）。在实际中，导致这种大电流出现的原因一般有以下几种情况；如电机电枢绕组绝缘损坏、可控硅击穿、闭环控制系统出现大的振荡、电机集电器或炭刷等处短路、混捏机传动机构工作异常、混捏筒体内有螺栓或金属硬质物混入等异常故障，引起混捏机瞬间大电流出现。由于这类突发故障会造成混捏机整体机构严重的破坏和损害，故其控制系统要有灵敏的、高可靠的保护措施。例如2005年6月1#混捏机发生的11付动、静搅刀被混入混捏料中的螺栓打断的故障，造成数百万元的经济损失。另外又必须避开混捏机正常实际生产中小负载波动的情况。

（2）自动爬行速度和高速度的设置。混捏机属重负载设备，其启动后必须设置自动爬行速度功能。即混捏机启动后，其调速系统自动进入速度从零加速到一定的转速运行状态。另外对于减速操作，换设置了当进行减速操作时，电机速度下降到爬行速度时，会自动停止速度递减，保持低速度运行，直到停止按钮按下后系统才会停车，这种设置是为了防止混捏机工作在堵转大电流异常状态。

高转速限制。混捏机在进行升速操作过程中，有时因操作失误、或其它原因，会使调速系统给定无限增大，导致电机转子实际转速超过电机的额定值。为防止这种异常情况发生而设置的一种控制功能，当升速操作使电机转速达到额定值98%时，升速操作则失效。

（3）超速保护。混捏机拖动电机转子额定转速为1500r/min。而直流电机实际运行中，由于各种原因（如负载突然降低、弱励磁、失磁等异常）其转速有时会超过额定转速，在设备安全要求下，必须采取一定的措施。为此混捏机主电机设置有超速保护功能，当实际转子转速超过额定值的105%时，PLC采样到的实际转速信号与设定值比较，监测超速后立即向调速装置发出超速保护信号，系统立即封锁可控硅触发脉冲，使其输出（输出电压和电流）降为零，PLC同时启动报警系统工作。另外，混捏机还设置了第二级机械式超速保护措施，其转速离心保护器与主电机转子轴相连，当其转速达到1500r/min时，离心开关动作，断开系统主电源，实现超速保护功能。

（4）励磁欠磁保护。直流电机励磁工作电流一般不允许低于规定的值。较低和波动较大的励磁电流会引起电机失速，甚至飞车现象，故须采取可靠的欠磁保护装置。混捏机直流主电机励磁额定电流为7.8A，低于5.6A属弱磁(欠磁)运行状态。虽然主调速系统采用了欠磁继电器（其释放电流在40%—90%范围内可调）保护。当励磁电流低于设定值时，其欠磁继电器会释放，断开系统控制电源，达到欠磁保护目的。但欠磁继电器灵敏度低，误差大。为此在PLC控制设计中，应用可编程控制器的软件程序，实现励磁电流的检测、比较、异常报警等监控功能，提高了欠磁保护的准确性和灵敏度。

（5）热交换器控制及保护设置。中、大容量直流电动机均设有独立的自冷却系统，是一种封闭的、自循环冷却装置，采用PLC实现启、停及运行状态监控，使冷却装置工作更加安全、可靠。当PLC检测到机构工作状态异常（如冷却水断流、过滤网堵塞或循环风机停机等异常）时，立即向操作室工作人员发出声光报警，工作人员可及时采取必要的处理措施，报警状态持续180秒后（故障还未排除），则PLC自动使混捏机降速至停机。

3.2 辅助设备的控制设计

连续混捏机的辅助设备减速机冷却油给定、各润滑点的周期性喷油以及液压系统等控制均采用PLC控制和实现，解决了原系统因采用时间继电器、延时器等控制器实现的控制中存在的多故障、保护不完善，润滑不到位、工作不稳定的问题，增加了润滑系统工作的可靠性和保护系统的安全性，也是其电路简单，便于参数调整和维修。

（1）润滑装置的监控设置。混捏机润滑装置、减速机冷却机构的可靠工作，对于混捏机正常运行至关重要，每一处的润滑异常都会引起混捏机的机械装置重大损坏，甚至导致重大事故发生。因此其各个润滑点的喷油时间、间歇时间设定适当，工作可靠、稳定。由于润滑参数的设置与工作环境、设备运行状况等有关，环境温度越高、粉尘浓度越高等环境越恶劣，机械磨损程度越严重，则其润滑周期应越短，喷油量要多些（但过多又会出现设备漏油和润滑油浪费问题）。其润滑时序如图7所示。

图7 混捏机各润滑点喷油时序图
注：1.tn-1为喷油时间tn-2为间歇时间；

由于润滑装置的给油量一定，同时只允许多两个喷油嘴供油。

混捏机主轴上设有5个润滑点，其采用间歇、周期性、自动喷油方式润滑。在混捏机运行中，润滑机构工作异常（如每一喷油量不足，或间隔时间设定不合理），会使润滑点润滑不良，引起局部过热现象，PLC检测到该处温度超过设定值时（一般设定为55℃），则发出故障报警，故障持续6分钟后，PLC会自动降速并停机。

（2）冷却装置的监控设置。混捏机减速机冷却装置也是重点监控的重点之一，由于混捏机的工作制是连续长期运行方式（每个生产周期均达到50多天），其减速机承担着两种运行方式（大轴自转和前后移动）的减速和转换工作，且负载非常重，其发热量十分大，故要求冷却装置的工作必须可靠、运行良好，监控及时、准确。为此在应用PLC实现其控制中，对6个冷却点的油路流量、压力进行测量，监测有断流（断流时间不允许超过180秒）、或供油不足，则发出报警。由于冷却系统工作不正常会引起机械部件局部高温，导致齿轮、轴承等部件退火，加速机械磨损等现象。故其供油装置的油泵运行、各管路内油流量、减速机温度（6处）均要求设置监控点。

4、结束语

根据三个生产周期的（6个月）运行，并对混捏效果、电机参数、工艺条件等指标长期测量和监控，以及对阳极混捏料质量测定、比较，其结果证明改造效果良好。每个生产周期内混捏机的电控系统故障平均降到1.2%（改造前每个生产周期平均为11.6～19.2%）；其次，应用PLC实现了混捏机可靠调速操作和的多级保护功能，电机主电流两级保护的设置，解决了混捏料中因混入的金属物，而使多组搅刀被打断的重大设备事故的发生；此外，PLC的应用，提高了润滑、冷却等辅助装置的工作可靠性，改进了原控制系统的缺点和多故障问题。该厂连续混捏机控制系统应用PLC完成改造后，取得了显著的效益。达到了高质量、低成本、稳定可靠的设备运行目的