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印花機(jī)PLC控制系統(tǒng)及設(shè)計(jì)
印花機(jī)PLC控制系統(tǒng)及設(shè)計(jì)
MD-11型毛巾印花機(jī)是毛巾織造行業(yè)的主要設(shè)備，由于采用了很多機(jī)械渦輪渦桿傳動(dòng)和落后的繼電器控制,，致使整機(jī)噪聲大,、效率低、機(jī)件損壞嚴(yán)重,，且操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,、產(chǎn)品質(zhì)量差。現(xiàn)配合機(jī)械傳動(dòng)部分的改造,，采用變頻器和PLC對(duì)其電氣部分進(jìn)行了全面改造,，重新設(shè)計(jì)制作了電氣控制系統(tǒng)。
一,、工藝要求及設(shè)計(jì)思路
印花機(jī)的正常工藝流程共有6步,，周而復(fù)始的循環(huán)
其工作過程為：開始時(shí)印花網(wǎng)框上升，升到位后導(dǎo)帶帶動(dòng)毛巾前進(jìn),，到位后導(dǎo)帶再慢速運(yùn)行并定位停車,，然后印花網(wǎng)框下降壓在毛巾上面，接著刮板帶著顏料正刮一次對(duì)毛巾印花,，正刮到位后再反刮一次,，如此完成一個(gè)印花周期6個(gè)工步的循環(huán)，再返回開始處進(jìn)入第二個(gè)周期的運(yùn)行,。
除了以上自動(dòng)運(yùn)行的流程外,，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到為了調(diào)試及檢修的方便，還要系統(tǒng)能分別對(duì)每一工步單獨(dú)進(jìn)行點(diǎn)動(dòng),、單步和正反轉(zhuǎn)運(yùn)行,，或只運(yùn)行某幾步程序。綜合以上工藝流程要求和控制設(shè)想,，我們對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了調(diào)試,、手動(dòng),、單步、周期及自動(dòng)等五種操作方式：
1．調(diào)試：各工步都可單獨(dú)分別運(yùn)行,，運(yùn)行到位后即停止,；
2．手動(dòng)：各工步都可單獨(dú)點(diǎn)動(dòng)，按鈕釋放即停止運(yùn)行,；
3．單步：按下啟動(dòng)按鈕,，運(yùn)行一個(gè)工步，到位即停,。再按啟動(dòng),，則進(jìn)入下一工步運(yùn)行；
4．周期：從初始位置開始,，按啟動(dòng)按鈕,，程序自動(dòng)完成一個(gè)周期的6步動(dòng)作后返回到第一步開始位置停止。
5．自動(dòng)：按啟動(dòng)按鈕,，程序完成一個(gè)周期的6步動(dòng)作后又接著從第一步開始運(yùn)行,，自動(dòng)循環(huán)。在自動(dòng)方式下,，中途若按下復(fù)位按鈕,，則系統(tǒng)要繼續(xù)運(yùn)行到第一步開始位置才停止；若按下停止按鈕,，則運(yùn)行立即停止,，此時(shí)若再按啟動(dòng)，系統(tǒng)即從該位置運(yùn)行到第一步開始處停止,。
整個(gè)印花機(jī)組采用三臺(tái)交流電機(jī)拖動(dòng),，其中網(wǎng)框電機(jī)M1為1.5KW，正轉(zhuǎn),；導(dǎo)帶電機(jī)M2為3.5KW,，需快、慢速運(yùn)行及正反轉(zhuǎn),；刮板電機(jī)M3為2.5KW,，正反轉(zhuǎn)。由于導(dǎo)帶電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)工藝要求隨時(shí)調(diào)節(jié),，故考慮M2采用變頻器來拖動(dòng),。
毛巾印花工序的濕度較大，同時(shí)為了保證印花機(jī)定位準(zhǔn)確,，提高產(chǎn)品質(zhì)量,，各工步到位檢測擬采用密封無觸點(diǎn)的傳感器。
二、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
為了使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,，控制核心部分的PLC及變頻器均選用進(jìn)口器件,。
根據(jù)工藝流程和控制要求，系統(tǒng)中設(shè)有8個(gè)位置傳感器,，15個(gè)按鈕和轉(zhuǎn)換開關(guān)，1個(gè)變頻器故障信號(hào),，計(jì)24個(gè)輸入信號(hào),；輸出控制5 個(gè)接觸器和電磁閥、9個(gè)指示燈,，控制變頻器4點(diǎn),，計(jì)數(shù)器1點(diǎn)，需19個(gè)輸出信號(hào),，共計(jì)43個(gè)I/O 點(diǎn),。考慮預(yù)留部分余量,，所以PLC采用富士的NB1—P56型,。該機(jī)的是每一個(gè)I/O點(diǎn)都可由用戶程序任意設(shè)定，且I/O繼電器全部做成超小型可拔插的模塊型式,，每一點(diǎn)都可根據(jù)需要拔插更換不同類型的I/O繼電器,，維修簡單；同時(shí)該機(jī)型擴(kuò)展靈活,，存貯器后備電池為可充電的鋰電池,。
為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，PLC的輸入繼電器我們選用無觸點(diǎn)的光電耦合輸入模塊,，用以隔離現(xiàn)場干擾,，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。
富士變頻器有如下特點(diǎn)：
1．接線簡單,，噪聲低,，安裝使用維護(hù)方便。
2．啟動(dòng)或制動(dòng)的轉(zhuǎn)速,、時(shí)間,、轉(zhuǎn)矩都可以人為設(shè)定，電機(jī)可在低速下以大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng),，加速或減速過程更平穩(wěn)迅速,，沖擊小。
3．可通過面板編程設(shè)定各種功能,，來控制電機(jī)運(yùn)行,。還可通過編程設(shè)置多步頻率，最多可達(dá)15步的不同頻率值，以適應(yīng)各種復(fù)雜的調(diào)速要求,。
4．完善的保護(hù)功能,。變頻器運(yùn)行時(shí)的電流、電壓,、頻率,、轉(zhuǎn)矩和功率等參數(shù)都可以在線監(jiān)視，若超過設(shè)定值就會(huì)自動(dòng)報(bào)警或保護(hù)停機(jī),。對(duì)地短路,、過熱及內(nèi)部電路故障等也都會(huì)使保護(hù)功能動(dòng)作而強(qiáng)制性停機(jī)，有效的保護(hù)了電機(jī)和變頻器本身的安全,。
各工步到位傳感器采用NJK-5002螺栓型霍爾開關(guān),，其安裝調(diào)試簡單方便，靈敏度高,。8個(gè)霍爾開關(guān)傳感器的直流電源取自PLC的+24V直流輸出,。
對(duì)系統(tǒng)五種操作方式的轉(zhuǎn)換我們采用的是5檔萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)，這樣既減少了軟件程序編制的麻煩,，又使得操作方式轉(zhuǎn)換更加直觀,，穩(wěn)定可靠。
為了便于統(tǒng)計(jì)毛巾產(chǎn)量,，控制箱面板上還裝置了電子數(shù)顯式計(jì)數(shù)器,，由反刮到位信號(hào)（也就是一周期第6個(gè)工步的結(jié)束信號(hào)，它表示印刷完一條毛巾）驅(qū)動(dòng)其計(jì)數(shù),。每班上班時(shí)先將其顯示數(shù)據(jù)復(fù)零,，再開始統(tǒng)計(jì)本班產(chǎn)量。
在控制箱面板上設(shè)置了各工步到位及電源,、故障等相應(yīng)的指示燈,，給值車工一個(gè)醒目的提示，以避免錯(cuò)誤操作,。由于主要操作按鈕都在控制箱面板上,，為方便使用，在機(jī)臺(tái)操作位置上還增設(shè)了啟動(dòng)和急停兩個(gè)按鈕,。
考慮到工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境,，干擾較大，我們對(duì)PLC 交流供電采用380/220V的隔離變壓器（變壓器級(jí)間屏蔽層接地）,，對(duì)其進(jìn)行懸浮供電,，以隔離由電網(wǎng)引入的干擾。
在PLC的每個(gè)輸出端都要并聯(lián)上RC阻容吸收網(wǎng)絡(luò),，以吸收抑制接觸器,、電磁閥等感性負(fù)載開斷時(shí)所產(chǎn)生的過電壓,；線路敷設(shè)時(shí)，將PLC控制信號(hào)線與交流電源線分開布線,，最大限度的降低靜電和電磁感應(yīng)干擾,。從圖2中可見，我們把PLC的上部I/O端口000—01B分配為輸入端,，把下部I/O端口01C—037分配為輸出端,，這樣做的好處是把輸入和輸出、強(qiáng)電和弱電明顯隔離分開,，進(jìn)一步減小干擾,，同時(shí)也避免了接線錯(cuò)誤。
在控制箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),，要充分注意到變頻器的散熱問題,，對(duì)此我們采取了如下措施：一是變頻器四周留有足夠的空間以利于散熱,，同時(shí)因熱量向上散發(fā),，變頻器應(yīng)安裝在控制箱上部，且其上方不再安裝其它設(shè)備,；二是由于變頻器運(yùn)行時(shí),，底部散熱板的溫度可達(dá)90０C，所以要把變頻器安裝在耐高溫的金屬底版上,；三是因考慮防塵問題,，控制箱體需要密閉，如若周圍環(huán)境溫度較高,，影響變頻器散熱的話,，在控制箱體上還應(yīng)設(shè)置散熱風(fēng)扇。本系統(tǒng)控制箱由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、元件排列時(shí)考慮了設(shè)備散熱的影響,，所以未設(shè)置散熱風(fēng)扇。
三,、軟件程序設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的主要控制功能都是由PLC來實(shí)現(xiàn)的,，圖3為PLC主程序流程框圖，整個(gè)程序用富士PLC的梯形圖編制,。系統(tǒng)中的5種操作方式由兩部分程序控制,，其中的調(diào)試和手動(dòng)操作方式由手動(dòng)部分程序完成，單步,、周期及自動(dòng)操作方式由自動(dòng)部分程序完成,。
系統(tǒng)上電后，程序進(jìn)行初始設(shè)置,，移位寄存器清零,，同時(shí)啟動(dòng)變頻器,，然后根據(jù)選定的操作方式運(yùn)行程序。
手動(dòng)部分程序較簡單,，類似于繼電器控制方式,，只是需要考慮好各動(dòng)作之間的聯(lián)鎖互鎖關(guān)系。
自動(dòng)部分程序中采用移位寄存器輸出作為各工步程序的轉(zhuǎn)換信號(hào),，開機(jī)初始設(shè)置完成后,，按下啟動(dòng)按鈕，移位寄存器被置1,，運(yùn)行第一步程序,。接著移位寄存器由啟動(dòng)按鈕信號(hào)或各工步到位傳感器信號(hào)驅(qū)動(dòng)移位。單步,、周期,、自動(dòng)這3種操作方式在程序流程中的區(qū)別是：單步操作時(shí)寄存器移位受啟動(dòng)按鈕信號(hào)控制，每按一次啟動(dòng)按鈕寄存器移位一步,，運(yùn)行一步程序,，到位即停止。若再按啟動(dòng)按鈕寄存器又移位運(yùn)行下一步程序,；周期操作時(shí)寄存器的移位由各工步到位信號(hào)控制,，每一工步到位寄存器就移位一步，并運(yùn)行下一步程序,，第6步到位后寄存器清零并保持,，系統(tǒng)在初始位置停止運(yùn)行，等待下一次操作,；自動(dòng)操作時(shí)寄存器移位方式與周期操作時(shí)相同,，只是第6步到位后寄存器清零的同時(shí)又置1，重新開始下一周期的移位及程序運(yùn)行,。
輔助部分程序主要有：根據(jù)工藝要求進(jìn)行刮板上跳控制,、變頻器及PLC故障指示、各工步到位指示,、各程序步指示以及系統(tǒng)工作計(jì)時(shí)器等,。
導(dǎo)帶電機(jī)（3.5KW）由變頻器拖動(dòng)，由于其運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低,，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也不大,，對(duì)變頻器的啟動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)就按默認(rèn)設(shè)置。因印花機(jī)工藝對(duì)導(dǎo)帶電機(jī)調(diào)速要求不高,，慢速只是為使毛巾準(zhǔn)確定位而已,，所以變頻器就只設(shè)計(jì)了快、慢兩種速度,，并通過對(duì)變頻器的多步頻率1和多步頻率2（即C05,、C06）兩參數(shù)的設(shè)置來實(shí)現(xiàn),，具體設(shè)置C05為40HZ、C06為5HZ,。導(dǎo)帶電機(jī)工作運(yùn)行時(shí)間較短（每一個(gè)循環(huán)周期中導(dǎo)帶快速運(yùn)行4—5秒,，接著再慢速運(yùn)行1—2秒后停止），因此變頻器的加速和減速時(shí)間也相應(yīng)的設(shè)得較短,，設(shè)置加速時(shí)間為1秒, 減速時(shí)間為0.5秒, 在實(shí)際調(diào)試時(shí)再根據(jù)毛巾產(chǎn)品工藝要求作適當(dāng)調(diào)整,，能準(zhǔn)確定位停車即可。
四,、其它應(yīng)考慮的問題
盡管系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采取了多種措施,，提高了容錯(cuò)能力，但有時(shí)變頻器和PLC發(fā)生故障也是在所難免的,。我們除了設(shè)置使變頻器故障保護(hù)性停機(jī)外,，還將變頻器故障和PLC故障信號(hào)引入到PLC初始設(shè)置程序中，若發(fā)生故障就立即停止所有輸出,，避免故障范圍擴(kuò)大,。
值得注意的是，NJK-5002型霍爾開關(guān)內(nèi)部是晶體管輸出,，輸出有NPN和PNP型兩種方式,，也就是分為集電極輸出和發(fā)射極輸出,，PLC的輸入光耦模塊也有正負(fù)極性之分,，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要購買合適極性的霍爾開關(guān)，在現(xiàn)場連接時(shí)也應(yīng)注意正確接線,，以避免帶來不必要的損失,。還有PLC的+24V直流電源輸出容量有限，當(dāng)傳感器較多所用電流較大時(shí)應(yīng)考慮另設(shè)直流電源,。
由于PLC及傳感器的電源最終都取自于隔離變壓器,，所以應(yīng)合理選擇其容量，避免超載運(yùn)行而影響系統(tǒng)的安全,。
PLC的運(yùn)行速度很快,，其控制輸出的時(shí)間不超過1毫秒，而交流接觸器等電磁器件的反應(yīng)速度在10毫秒以上,，所以在如電機(jī)正,、反轉(zhuǎn)連鎖互鎖控制等場合應(yīng)充分注意到二者的速度差異所帶來的影響，避免因后者反映速度慢造成正,、反轉(zhuǎn)接觸器同時(shí)吸合而產(chǎn)生電源短路的故障,。解決的辦法一是除在PLC程序中設(shè)置互鎖外，還要利用接觸器的常閉觸點(diǎn)互鎖,；二是在某些接觸器無常閉觸點(diǎn)的特殊場合,，可考慮在PLC程序中正,、反轉(zhuǎn)動(dòng)作切換之間設(shè)置0.5秒左右的延時(shí)，即正,、反轉(zhuǎn)切換時(shí)要延時(shí)0.5秒再進(jìn)入反向運(yùn)行,，確保轉(zhuǎn)換安全可靠。