1.引言

唐山鋼鐵公司中型廠是生產(chǎn)型鋼的企業(yè)，原有4套鉆、銑床設(shè)備，用于輕軌精整。其電氣控制系統(tǒng)采用繼電器及接觸器構(gòu)成，控制手段比較落后，控制效果完全取決于操作工經(jīng)驗(yàn)和精神狀態(tài)，各道工序間連貫性差，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，故障率較高且維修困難，影響了生產(chǎn)效率。因此，有必要進(jìn)行技術(shù)改造。 PLC控制具有可靠性高、柔性好、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于機(jī)床控制和故障自診斷系統(tǒng)，可以大大減少繼電器等元器件的數(shù)量，提高電氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，從而，用PLC控制系統(tǒng)替代體積大、投資大、耗能大的繼電器是電氣控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。鑒于上述原因，我們利用PLC技術(shù)對(duì)原有電氣系統(tǒng)進(jìn)行了全面技術(shù)改造。

2.系統(tǒng)功能

輕軌精整PLC智能控制系統(tǒng)包含銑床和鉆床控制，實(shí)現(xiàn)的基本功能如下：

（1） 切換功能：可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)控制的切換。在通常情況下使用自動(dòng)檔，當(dāng)需要檢修或調(diào)試的時(shí)候，切換到手動(dòng)檔。

（2） 自動(dòng)報(bào)警功能：發(fā)生異常情況，可隨時(shí)報(bào)警。當(dāng)夾緊頭快下、動(dòng)力頭快進(jìn)、動(dòng)力頭工進(jìn)以及動(dòng)力頭快退四個(gè)部分中任何一段出現(xiàn)異常情況時(shí)，與之相應(yīng)的聲光報(bào)警就會(huì)動(dòng)作，讓現(xiàn)場(chǎng)工作人員迅速采取措施，避免或減少事故所造成的損失。

（3） 自動(dòng)記憶功能：配有“停車(chē)”及“繼續(xù)運(yùn)行”按鈕。當(dāng)工作過(guò)程中出現(xiàn)某些問(wèn)題需要暫停運(yùn)行時(shí)，按下“停車(chē)”按鈕后，機(jī)床停止運(yùn)行，各部分均停留在原處不動(dòng)。再按下“繼續(xù)運(yùn)行”按鈕，則機(jī)床繼續(xù)運(yùn)行。

（4） 緊急停車(chē)復(fù)位功能：配備有“緊急停車(chē)復(fù)位”按鈕。當(dāng)在工作過(guò)程中發(fā)生異常，或中途突然停電后恢復(fù)時(shí)，按下此按鈕使機(jī)床各部件回到加工前的初始狀態(tài)。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，需要對(duì)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行智能判斷，進(jìn)行相應(yīng)的控制。同時(shí)考慮到PLC的運(yùn)算功能的限制，需要加入故障診斷模塊，并進(jìn)行相應(yīng)的顯示。

3. 系統(tǒng)組成

PLC選用三菱公司的FX2N系列可編程序控制器實(shí)現(xiàn)，由可編程序控制器構(gòu)成的輕軌精整智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

圖1. 輕軌精整智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)有輸入、控制運(yùn)算和輸出三大部分組成。

1）輸入部分包括操作按鈕和信號(hào)檢測(cè)兩部分。

a.操作按鈕用來(lái)人工設(shè)置參數(shù)或進(jìn)行手動(dòng)操作，處理緊急情況。

b.信號(hào)檢測(cè)是由傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)線(xiàn)上機(jī)床的工作情況，一旦出現(xiàn)異常情況，馬上報(bào)警提示操作者，以進(jìn)行相應(yīng)的故障處理，如緊急停機(jī)處理等，從而避免事故的發(fā)生。

2）控制運(yùn)算部分

控制運(yùn)算部分主要由PLC來(lái)完成，由控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件來(lái)完成信號(hào)的輸入、處理、控制輸出的主要功能。

3）輸出部分包括報(bào)警裝置、輸送和動(dòng)力裝置、固定裝置

a.報(bào)警裝置由閃爍的紅、黃、綠三種顏色燈和報(bào)警鈴聲構(gòu)成，三種顏色分別對(duì)應(yīng)三種不同報(bào)警級(jí)別。綠色表示系統(tǒng)正常，$表示系統(tǒng)參數(shù)超范圍，但仍能工作，需要進(jìn)行處理;紅色報(bào)警并伴隨報(bào)警聲音，必須緊急停機(jī)處理。

b.輸送裝置由PLC輸出的信號(hào)控制主電路，給電機(jī)發(fā)送指令，讓其自動(dòng)完成原料的傳送與動(dòng)力傳送。

c.液壓裝置是固定裝置，由PLC控制器給定的信號(hào)，經(jīng)電磁閥控制液壓設(shè)備，將原料固定在某一位置，為原料加工服務(wù)。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC軟件設(shè)計(jì)考慮的問(wèn)題

利用梯形圖編制控制程序，在 PLC軟件設(shè)計(jì)中要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1） 強(qiáng)電關(guān)斷優(yōu)先原則：在銑床軟件設(shè)計(jì)中，只要控制信號(hào)中有強(qiáng)電關(guān)斷的信號(hào)，則不管其它信號(hào)如何都要關(guān)斷強(qiáng)電。如圖2所示，只要關(guān)斷信號(hào)XO2= 1，則中間繼電器 M100 都要被關(guān)斷。 （2） 動(dòng)作互鎖原則：有些控制不能同時(shí)動(dòng)作，就要進(jìn)行互鎖。如主軸正、反轉(zhuǎn)控制，圖 2為主軸互鎖控制示意圖，任何一個(gè)回路啟動(dòng)后必須同時(shí)關(guān)斷另一 個(gè)回路，從而保證兩者不能同時(shí)動(dòng)作。

圖2

3） 順序聯(lián)鎖控制原則：即有些控制要求次序不能顛倒，這就要求前一個(gè)動(dòng)作常開(kāi)觸點(diǎn)串在下一個(gè)控制動(dòng)作中，同時(shí)將后一個(gè)動(dòng)作中的常閉觸點(diǎn)串在上一動(dòng)作的控制回路中，如圖3所示。

圖3

總之，影響PLC控制系統(tǒng)的因素很多，只要我們?cè)谲浖O(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到各方面因素，就可避免出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)的運(yùn)行就會(huì)更加穩(wěn)定 。

4.2 PLC基本控制程序設(shè)計(jì)

具體銑床控制功能框圖如圖4所示，鉆床控制功能與之類(lèi)似。

圖4. 銑床控制順序功能框圖

4.3 故障診斷模塊的程序設(shè)計(jì)

對(duì)于PLC系統(tǒng)，由于內(nèi)存資源有限，復(fù)雜的智能診斷難于實(shí)現(xiàn)，為此加入了故障診斷智能模塊，該模塊以單片機(jī)為基礎(chǔ)，采用C51編程，可方便實(shí)現(xiàn)各種控制算法。

采用故障樹(shù)推理與專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)規(guī)則推理相結(jié)合的方法，利用智能模塊的I/O功能及內(nèi)部信息進(jìn)行故障診斷。

（1） 故障結(jié)構(gòu)分析

在進(jìn)行故障診斷設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)可能發(fā)生的故障進(jìn)行分析，得到系統(tǒng)的故障層次結(jié)構(gòu)，利用這種層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行故障診斷部分的設(shè)計(jì)。圖6為系統(tǒng)的故障層次結(jié)構(gòu)。

（2）程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)故障結(jié)構(gòu)的層次性為故障診斷提供了一個(gè)合理的層次模型。在進(jìn)行系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到故障結(jié)構(gòu)的層次，合理安排邏輯流程。在引入故障輸入點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意兩點(diǎn)：

a. 必須將系統(tǒng)所有可能引起故障的檢測(cè)點(diǎn)引入PLC，這主要是從系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行考慮，以便系統(tǒng)能及時(shí)進(jìn)行故障處理;

b. 應(yīng)在系統(tǒng)允許的條件下盡可能多的將最底層的故障輸入信息引入PLC的程序中，以便得到更多的故障檢測(cè)信息為系統(tǒng)的故障自診斷提供服務(wù)。

5.結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)在線(xiàn)調(diào)試和工業(yè)試驗(yàn)運(yùn)行階段后，該控制系統(tǒng)已于2004年正式投入運(yùn)行，運(yùn)行以來(lái)，效果良好，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的控制功能要求，克服了繼電器、接觸器控制帶來(lái)的局限，避免了原控制系統(tǒng)輔助元件多、故障率高、工作噪聲大、控制方式單一、維護(hù)困難等問(wèn)題。手動(dòng)與自動(dòng)切換方便，抗干擾能力強(qiáng)，適合鋼廠生產(chǎn)線(xiàn)的惡劣的工作環(huán)境，且易于計(jì)算機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：將PLC和單片機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)了用于輕軌精整鉆、銑床設(shè)備的控制系統(tǒng)，并使之具有故障診斷和報(bào)警功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。