基于PLC的輕軌精整控制系統(tǒng)的設計方案及應用分析

1.引言
　　唐山鋼鐵公司中型廠是生產型鋼的企業(yè)，原有4套鉆、銑床設備，用于輕軌精整。其電氣控制系統(tǒng)采用繼電器及接觸器構成，控制手段比較落后，控制效果完全取決于操作工經驗和精神狀態(tài)，各道工序間連貫性差，費時又費力，故障率較高且維修困難，影響了生產效率。因此，有必要進行技術改造。 PLC控制具有可靠性高、柔性好、開發(fā)周期短等優(yōu)點，特別適合于機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。鑒于上述原因，我們利用PLC技術對原有電氣系統(tǒng)進行了全面技術改造。
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，實現(xiàn)的基本功能如下：
　　（1） 切換功能：可實現(xiàn)手動與自動控制的切換。在通常情況下使用自動檔，當需要檢修或調試的時候，切換到手動檔。
　?。?） 自動報警功能：發(fā)生異常情況，可隨時報警。當夾緊頭快下、動力頭快進、動力頭工進以及動力頭快退四個部分中任何一段出現(xiàn)異常情況時，與之相應的聲光報警就會動作，讓現(xiàn)場工作人員迅速采取措施，避免或減少事故所造成的損失。
　?。?） 自動記憶功能：配有“停車”及“繼續(xù)運行”按鈕。當工作過程中出現(xiàn)某些問題需要暫停運行時，按下“停車”按鈕后，機床停止運行，各部分均停留在原處不動。再按下“繼續(xù)運行”按鈕，則機床繼續(xù)運行。
　?。?） 緊急停車復位功能：配備有“緊急停車復位”按鈕。當在工作過程中發(fā)生異常，或中途突然停電后恢復時，按下此按鈕使機床各部件回到加工前的初始狀態(tài)。
　　為實現(xiàn)上述功能，需要對運行過程進行智能判斷，進行相應的控制。同時考慮到PLC的運算功能的限制，需要加入故障診斷模塊，并進行相應的顯示。
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現(xiàn)[1]，由可編程序控制器構成的輕軌精整智能控制系統(tǒng)結構如下：

圖1. 輕軌精整智能控制系統(tǒng)結構圖
　　該系統(tǒng)有輸入、控制運算和輸出三大部分組成。
　　1）輸入部分包括操作按鈕和信號檢測兩部分。
　　a.操作按鈕用來人工設置參數(shù)或進行手動操作，處理緊急情況。
　　b.信號檢測是由傳感器自動監(jiān)測生產線上機床的工作情況，一旦出現(xiàn)異常情況，馬上報警提示操作者，以進行相應的故障處理，如緊急停機處理等，從而避免事故的發(fā)生。
　　2）控制運算部分
　　控制運算部分主要由PLC來完成，由控制系統(tǒng)的應用軟件來完成信號的輸入、處理、控制輸出的主要功能。
　　3）輸出部分包括報警裝置、輸送和動力裝置、固定裝置
　　a.報警裝置由閃爍的紅、黃、綠三種顏色燈和報警鈴聲構成，三種顏色分別對應三種不同報警級別。綠色表示系統(tǒng)正常，黃色表示系統(tǒng)參數(shù)超范圍，但仍能工作，需要進行處理;紅色報警并伴隨報警聲音，必須緊急停機處理。
　　b.輸送裝置由PLC輸出的信號控制主電路，給電機發(fā)送指令，讓其自動完成原料的傳送與動力傳送。
　　c.液壓裝置是固定裝置，由PLC控制器給定的信號，經電磁閥控制液壓設備，將原料固定在某一位置，為原料加工服務。
4.系統(tǒng)軟件設計
　　4.1 PLC軟件設計考慮的問題
　　利用梯形圖編制控制程序，在 PLC軟件設計中要考慮以下幾個問題：
　?。?） 強電關斷優(yōu)先原則：在銑床軟件設計中，只要控制信號中有強電關斷的信號，則不管其它信號如何都要關斷強電。如圖2所示，只要關斷信號XO2= 1，則中間繼電器 M100 都要被關斷。 （2） 動作互鎖原則：有些控制不能同時動作，就要進行互鎖。如主軸正、反轉控制，圖 3為主軸互鎖控制示意圖，任何一個回路啟動后必須同時關斷另一 個回路，從而保證兩者不能同時動作。

圖2 

圖3

　?。?） 順序聯(lián)鎖控制原則：即有些控制要求次序不能顛倒，這就要求前一個動作常開觸點串在下一個控制動作中，同時將后一個動作中的常閉觸點串在上一動作的控制回路中，如圖4 所示。

圖4
　　總之，影響PLC控制系統(tǒng)的因素很多，只要我們在軟件設計時充分考慮到各方面因素，就可避免出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)的運行就會更加穩(wěn)定 [2] 。
　　4.2 PLC基本控制程序設計
　　具體銑床控制功能框圖如圖5所示,鉆床控制功能與之類似。

圖5. 銑床控制順序功能框圖
　　4.3 故障診斷模塊的程序設計
　　對于PLC系統(tǒng)，由于內存資源有限，復雜的智能診斷難于實現(xiàn)，為此加入了故障診斷智能模塊，該模塊以單片機為基礎，采用C51編程，可方便實現(xiàn)各種控制算法。
　　采用故障樹推理與專家經驗規(guī)則推理相結合的方法，利用智能模塊的I/O功能及內部信息進行故障診斷。[3][4]
　?。?） 故障結構分析
　在進行故障診斷設計時，首先必須對整個系統(tǒng)可能發(fā)生的故障進行分析，得到系統(tǒng)的故障層次結構，利用這種層次結構進行故障診斷部分的設計。圖6為系統(tǒng)的故障層次結構。

　?。?）程序設計
　　系統(tǒng)故障結構的層次性為故障診斷提供了一個合理的層次模型。在進行系統(tǒng)的程序設計時，應充分考慮到故障結構的層次，合理安排邏輯流程。在引入故障輸入點時應注意兩點：
　　a. 必須將系統(tǒng)所有可能引起故障的檢測點引入PLC，這主要是從系統(tǒng)的安全可靠運行考慮，以便系統(tǒng)能及時進行故障處理;
　　b. 應在系統(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信息為系統(tǒng)的故障自診斷提供服務。
5.結束語
　　經過在線調試和工業(yè)試驗運行階段后，該控制系統(tǒng)已于2004年正式投入運行,運行以來，效果良好,實現(xiàn)了預定的控制功能要求，克服了繼電器、接觸器控制帶來的局限，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、維護困難等問題。手動與自動切換方便，抗干擾能力強，適合鋼廠生產線的惡劣的工作環(huán)境,且易于計算機通訊，實現(xiàn)網(wǎng)絡監(jiān)控。
　　本文作者創(chuàng)新點：將PLC和單片機結合，設計了用于輕軌精整鉆、銑床設備的控制系統(tǒng)，并使之具有故障診斷和報警功能，系統(tǒng)結構簡單，操作方便。