The design of the electric drive system for the vacuum tube roasting and eliminating and marking autiomatic production line

楊懷林，姚年春

YANG Huai-lin, YAO Nian-chun

（江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安 223003）

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真空管烤消打標(biāo)自動(dòng)線的電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

The design of the electric drive system for the vacuum tube roasting and eliminating and marking autiomatic production line

楊懷林，姚年春

YANG Huai-lin, YAO Nian-chun

（江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安 223003）

摘 要：建構(gòu)了以PLC為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了真空管烤消打標(biāo)自動(dòng)線的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、烤消溫度控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)智能化，設(shè)計(jì)了較好的人機(jī)界面；繪制了主電路和PLC控制電路，對(duì)系統(tǒng)主要程序進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：真空管烤消打標(biāo)；PLC控制；人機(jī)界面；自動(dòng)控制系統(tǒng)

0 引言

太陽能真空管在生產(chǎn)過程中有兩個(gè)重要的工藝流程，就是吸氣劑的烘烤（即烤消）和商標(biāo)的激光打碼（即打標(biāo)），目前生產(chǎn)企業(yè)，在兩個(gè)工藝流程大都采用單機(jī)作業(yè)，重復(fù)勞動(dòng)多，生產(chǎn)效率低，由于烤消與打標(biāo)不同步，工作復(fù)雜性增加，不能構(gòu)成生產(chǎn)線自動(dòng)完成運(yùn)行，而且由于吸氣劑焊接位置各個(gè)太陽能管有差異，在高頻線圈烤消的位置不相同，導(dǎo)致烤消溫度不同，吸氣劑起蒸時(shí)間往往要靠人工經(jīng)驗(yàn)，造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，次品率高。

本文設(shè)計(jì)的集熱管烤消、激光打標(biāo)自動(dòng)化生產(chǎn)線，采用三菱FX-3UPLC控制，有效實(shí)現(xiàn)烤消打標(biāo)的柔性控制，具有良好的人機(jī)界面，提高工作效率，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益。

1 總體結(jié)構(gòu)與運(yùn)行過程

1.1 總體結(jié)構(gòu)

傳輸裝置由電氣控制、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、感應(yīng)加熱、噴碼計(jì)數(shù)、機(jī)架體等組成；電氣設(shè)備安裝在電氣控制柜內(nèi)，由PLC、空氣斷路器、移相觸發(fā)器、中間繼電器、變頻器、觸摸屏等部件組成。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置由伺服電機(jī)、減速器、帶輪、同步帶、同步帶輪等組成，安裝在機(jī)架體一端；傳輸裝置由主、從動(dòng)端組件、鏈條、托架、鏈條張緊裝置等組成，安裝在機(jī)架體上；鏈條組件由鏈條、管卡、支架、橫撐組成；烤消加熱裝置由氣動(dòng)滑臺(tái)、感應(yīng)加熱器組成，與機(jī)架體固定連接；打標(biāo)計(jì)數(shù)裝置由打標(biāo)機(jī)、位置傳感器、計(jì)數(shù)器組成。如圖1所示。

通過伺服電機(jī)連接減速機(jī)，驅(qū)動(dòng)帶輪、同步帶、同步帶輪、鏈條傳輸帶，選用伺服電機(jī)作為動(dòng)力，便于控制，適合頻繁啟停慢速運(yùn)行，采用PLC作為控制器，方便調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行速度，調(diào)整烤消打標(biāo)時(shí)間，統(tǒng)一烤消打標(biāo)節(jié)拍。

圖1　真空管烤消打標(biāo)自動(dòng)線結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 運(yùn)行過程

系統(tǒng)啟動(dòng)，伺服電機(jī)運(yùn)行，減速器、帶輪、同步帶、同步帶輪及主動(dòng)端組件轉(zhuǎn)動(dòng)，傳輸線開始轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行，放置在傳輸線鏈條管卡上的太陽能集熱管隨之移動(dòng)；當(dāng)集熱管移動(dòng)到烤消工位時(shí)，傳輸帶停止，氣壓滑臺(tái)作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，氣壓滑臺(tái)上的高頻感應(yīng)圈也隨之移動(dòng)，套上太陽能真空管的烤消部位，進(jìn)行烤消（同時(shí)，激光打標(biāo)機(jī)可對(duì)相應(yīng)工位上集熱管進(jìn)行打標(biāo)）；烤消完畢，高頻感應(yīng)圈退回到原始位置（同時(shí)打標(biāo)也應(yīng)完畢），傳輸帶啟動(dòng)、行走，當(dāng)下一根集熱管到達(dá)烤消工位時(shí)，重復(fù)烤消過程。在集熱管烤消的同時(shí)，打標(biāo)工位上集熱管同時(shí)進(jìn)行打標(biāo)。

2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

1）伺服電機(jī)。在集熱管由上料系統(tǒng)進(jìn)入傳輸帶后，啟動(dòng)電機(jī)，工作完畢停止，在工作過程中如發(fā)生過載、定位不準(zhǔn)、短路等故障時(shí)可自動(dòng)停機(jī)；在工作過程中，由控制系統(tǒng)決定電機(jī)的啟停和速度。系統(tǒng)由PLC作為控制器，根據(jù)要求，產(chǎn)生信號(hào)，通過變頻器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)行，可以調(diào)速，可以準(zhǔn)確啟停。

2）烤消。當(dāng)集熱管到達(dá)烤消工位時(shí)，立即停止移動(dòng)，系統(tǒng)啟動(dòng)氣壓滑臺(tái)移動(dòng)，感應(yīng)線圈伸出，感應(yīng)線圈套上集熱管烤消部位進(jìn)行烤消，烤消完畢，氣壓滑臺(tái)向后滑動(dòng)，感應(yīng)線圈復(fù)位，同時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。

3）打標(biāo)。當(dāng)太陽能管到達(dá)打標(biāo)工位時(shí)，傳輸帶停止，啟動(dòng)打標(biāo)機(jī)進(jìn)行打標(biāo)，打標(biāo)完成關(guān)閉打標(biāo)機(jī)；在打標(biāo)的同時(shí)，也可以對(duì)到達(dá)烤消工位的集熱管同步進(jìn)行烤消。步進(jìn)電機(jī)的啟停由烤消時(shí)間決定?？鞠痛蛳戤叄斔蛶Ю^續(xù)運(yùn)行。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，通過工位距離的調(diào)節(jié)讓打標(biāo)與烤消開始時(shí)間同步，因?yàn)榇驑?biāo)時(shí)間節(jié)拍比烤消時(shí)間節(jié)拍短，所以打標(biāo)結(jié)束的集熱管要在原地停頓，等待烤消結(jié)束。然后傳輸線將集熱管送至出料口。

4）人機(jī)界面。以觸摸屏為上位機(jī)，以PLC為下位機(jī)，通過觸摸屏以PLC進(jìn)行控制，顯示系統(tǒng)運(yùn)行的一些重要參數(shù)和故障。

圖2　真空管烤消打標(biāo)控制系統(tǒng)主電路圖

2.2 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：空氣開關(guān)、PLC、開關(guān)電源、中間繼電器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、變頻器等安裝在電氣控制柜內(nèi)；高頻感應(yīng)爐的感應(yīng)線圈固定在氣動(dòng)滑臺(tái)上，可以沿著太陽能集熱管軸線前后移動(dòng)，光電開關(guān)A固定在傳輸線另一側(cè)，與烤消工位上的太陽能集熱管在同一條軸線上，光電開關(guān)B與光電開關(guān)A的同一側(cè)，與打標(biāo)工位上的太陽能集熱管在同一條軸線上，打標(biāo)機(jī)接受啟停由中間繼電器KA1控制。

控制原理如下：?jiǎn)?dòng)，PLC輸出脈沖信號(hào)，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，拖動(dòng)傳輸線運(yùn)行，固定在傳輸線上的集熱管隨之移動(dòng)；當(dāng)集熱管到達(dá)烤消工位時(shí)，光電開關(guān)A檢測(cè)后輸入信號(hào)給PLC， PLC輸出停止信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)停車；同時(shí)PLC輸出驅(qū)動(dòng)中間繼電器KA2閉合，電磁閥A工作，高頻感應(yīng)線圈隨氣動(dòng)滑臺(tái)作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，到達(dá)太陽能集熱管烤消位置止，啟動(dòng)感應(yīng)線圈進(jìn)行烤消；同樣，光電開關(guān)B在打標(biāo)工位上也檢測(cè)到集熱管，通過PLC輸出信號(hào)讓步進(jìn)電機(jī)停車（與光電開關(guān)A作用相同，同時(shí)產(chǎn)生作用），集熱管打標(biāo)；烤消完畢，PLC輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)中間繼電器KA3閉合，電磁閥B工作，感應(yīng)線圈隨氣動(dòng)滑臺(tái)退回，恢復(fù)原位；PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)行走，下一根集熱管到達(dá)烤消工位，系統(tǒng)重復(fù)烤消過程，同時(shí)，進(jìn)行打標(biāo)工位上的集熱管打標(biāo)。如果烤消工位上沒有要加工的太陽能集熱管，那么光電開關(guān)A不起作用，當(dāng)光電開關(guān)B檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，將信號(hào)送至PLC輸入端，通過PLC輸出端Y4產(chǎn)生輸出信號(hào)讓步進(jìn)電機(jī)停止。

同時(shí)通過中間繼電器KA1送至計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。兩工位上都有工料時(shí)兩光電開關(guān)都起作用，雙重信號(hào)確保電機(jī)停止；當(dāng)烤消工位無物料時(shí)，光電開關(guān)B起到停車打標(biāo)的作用。

2.3 主電路的設(shè)計(jì)

圖2是電氣控制的主電路。本電氣柜使用交流電220V電源，由空氣開關(guān)引出分別送給開關(guān)電源、變頻器、PLC、觸摸屏；開關(guān)電源輸出端分別接入PLC的電源端子；再由中間繼電器KA0送給高頻爐，由中間繼電器KA1送給打標(biāo)機(jī)、由中間繼電器KA3送給電磁閥A、由中間繼電器KA4送給電磁閥B。當(dāng)電光開關(guān)B檢測(cè)到集熱管時(shí)，發(fā)送信號(hào)經(jīng)PLC產(chǎn)生脈沖，A1閉合計(jì)數(shù)；伺服電機(jī)停止。

2.4 控制電路的設(shè)計(jì)

1）PLC選擇

根據(jù)生產(chǎn)線的控制要求分析，整個(gè)生產(chǎn)線主要控制系統(tǒng)有4～6個(gè)開關(guān)量輸入，子系統(tǒng)4～5個(gè)開關(guān)量輸入，約有和5～8個(gè)開關(guān)量輸出，我們選擇FX3U-32MR-ESAPLC作為系統(tǒng)核心控制器。FX3U系列PLC是第三代微型可編程控制器，容量大速度快，能在RUN狀態(tài)下修改程序，具備豐富的指令，支持程序的遠(yuǎn)程調(diào)試。

圖3　真空管烤消打標(biāo)控制系統(tǒng)PLC硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2）PLC硬件接線

PLC的控制電路。如圖3所示，從開關(guān)電源引出24V電源接到PLC的電源端；開關(guān)電源公共端和PLC公共端相連；PLC輸入端X0接啟動(dòng)按鈕；PLC輸入端X1接停止按鈕；輸入端X2接光電開關(guān)A；輸入端X3接光電開關(guān)B；PLC輸出端Y0，接中間繼電器KA0，至高頻爐；PLC輸出端Y1，接中間繼電器KA1至打標(biāo)機(jī)；PLC輸出端Y2， 接中間繼電器KA2，至電磁閥A；PLC輸出端Y3，接中間繼電器KA3，至電磁閥；PLC輸出接線端子Y4，接變頻器的輸入端；中間繼電器KA0、中間繼電器KA1、中間繼電器KA2、中間繼電器KA3線圈分別接到開關(guān)電源的P24和N24端。

2.5 PLC程序設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)線的工藝和控制要求,確定了傳輸線、氣動(dòng)滑臺(tái)、烤消感應(yīng)圈、打標(biāo)裝置等動(dòng)作的先后次序和相互關(guān)系，確定PLC各輸入與輸出間的邏輯關(guān)系。程序分主機(jī)程序和子程序兩部分，也有一些設(shè)備調(diào)試和故障處理程序。本系統(tǒng)主程序的流程圖如圖4所示，太陽能管烤消溫度控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)在以下章節(jié)中說明，其他子系統(tǒng)程序不再說明。

圖4　系統(tǒng)主程序的流程圖

3 人機(jī)界面

為使得本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，且能直觀顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，所以本系統(tǒng)使用了北京昆侖通態(tài)研發(fā)的TPC7062K型人機(jī)界面。它是一款在實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE環(huán)境中運(yùn)行，使用MCGS嵌入式組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)。

通過觸摸屏的操作界面，可以方便地控制和顯示本控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)和變頻器的運(yùn)行參數(shù)的變化，如伺服控制系統(tǒng)運(yùn)行的速度以及位置，也可以通過手動(dòng)調(diào)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行速率以及變頻器運(yùn)行時(shí)候的電壓，電流以及頻率等參數(shù)。顯示的畫面色彩柔和、圖案清晰，所有操作界面和提示信息可全部中文顯示，操作過程一目了然。觸摸屏的設(shè)計(jì)包括創(chuàng)建畫面和信息，并將它們和PLC程序相配合，根據(jù)系統(tǒng)功能要求，設(shè)計(jì)了狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)定、報(bào)警控制和加密處理等界面組成。運(yùn)行監(jiān)控畫面，按照系統(tǒng)運(yùn)行要求實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示伺服驅(qū)動(dòng)器和變頻器的工作狀態(tài)以及故障狀態(tài)顯示在觸摸屏上。如圖5觸摸屏組態(tài)所示，可以把系統(tǒng)故障報(bào)警以及控制的各類信息組態(tài)到觸摸屏上進(jìn)行集中管理和控制。

圖5　觸摸屏組態(tài)信息

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了真空管烤消打標(biāo)自動(dòng)線的電氣控制系統(tǒng)，進(jìn)行自動(dòng)化流水線作業(yè)，節(jié)省了勞動(dòng)力，減低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度；可以根據(jù)不同太陽能集熱管的烤消時(shí)間，采用PLC控制電機(jī)傳輸速度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，通過觸摸屏設(shè)計(jì)的人機(jī)界面，可以方便地控制和顯示本控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)和變頻器的運(yùn)行參數(shù)的變化，直觀形象，操作方便，提高了烤消質(zhì)量好，生產(chǎn)效益高，使用維護(hù)方便，安全性能高。

通過設(shè)計(jì)，制作成樣機(jī)，在運(yùn)行時(shí)又作了多次調(diào)試，如烤消和打標(biāo)工位位置的調(diào)整，光電傳感器位置的調(diào)整，整機(jī)運(yùn)行動(dòng)作協(xié)調(diào)，特別是前后兩光電開關(guān)要相互統(tǒng)一，在真空管上機(jī)試驗(yàn)時(shí)將程序也作了一定的調(diào)整，這樣整機(jī)運(yùn)行才符合設(shè)計(jì)要求。如圖6所示是電氣控制柜部分實(shí)物圖。

【下轉(zhuǎn)第147頁】

作者簡(jiǎn)介：楊懷林（1967 -），男，江蘇淮安人，副教授，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)殡姎馀cPLC控制技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)。

基金項(xiàng)目：淮安市科技支撐計(jì)劃（工業(yè)）（HAG2010057）

收稿日期：2015-10-30

中圖分類號(hào)：TH39

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)01-0133-04