西门子模块6ES7223-1BM22-0XA8品质好货
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。
对于原有注射机而言，绝大多数都没有此项装置，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。
一 工艺要求
(1)正常生产过程中，2台压缩机应至少有1台运行，在相互切换时，也不允许发生两台机器全部停止的现象。
(2)保持压缩机出口压力在预定值上。
(3)能实现对压缩机运行状态进行分析，以实现预测性检修。
二系统控制原理
(1)工艺设定压缩机管网正常出口压力为P1，而现场实际测定压力为P2，根据ΔP(=P2-P1)值大小由PLC内PID功能模块进行PID运算，控制变频器来改变电动机转速，达到所要求的压力。当ΔP＞0时，现场压力偏高，则提高变频器输出频率，使电动机转速加快，提高实际风压；当ΔP＜0时，现场压力偏低，则使转速降低，ΔP减小。这样不断调整，使ΔP趋于0，现场实际压力在设定压力附近波动，保证压力稳定。系统结构如图1。
(2)压缩机长期运行，造成各部件间隙变大，这样引起的振动会越来越大，容易造成压缩机各部件的损坏。由PLC对现场振动情况进行判断分析，可提前对压缩机进行计划性维护保养，这样可大大延长设备的使用寿命，提高设备运行可靠性，减少设备故障引起的非计划性停车。
三 设计方案
该方案主要由1台SiemensECO1-7500/3变频器、1台S7-200型PLC(CPU215/216，配套EM235扩展模块)以及接触器、操作按钮、1台现场压力变送器和2台振动测量装置(振动变送器)组成，用PLC实现压缩机出口压力单回路闭环PID控制以及压缩机起动、停止、切换、故障处理等各种电气控制功能，由振动变送器对压缩机状态进行监控分析，以实现预测性维护维修。主回路如图2。
(1)PID运算功能的实现
S7-200系列中CPU215/216具有32位浮点运算指令和内置PID调节运算指令等特殊功能。使用时，只需在PLC内存中填写1张PID控制参数表(见下表)，再执行指令：PIDTABLE,LOOP，即可完成PID运算。其中操作数TABLE使用变量存储器VBx，用来指明控制环的起始地址；操作数LOOP是控制环号(常数，0～7)。编号为2、4、5、6、7的参数固定不变，可在PLC主程序中设定；编号为1、3、8、9的参数具有实时性，须在调用PID指令时填入。
由于S7-200输入和输出为开关量，而变频器、压力变送器和振动变送器的信号为模拟量，EM235模块要实现D/A转换。一个EM235模块可扩展3路模拟量输入通道(接1路压力信号，2路振动信号)和1路模拟量输出通道(接至变频器)。
(2)起动
M1和M2各有两种起动方式，可通过转换开关选择变频/工频起动方式。
(3)运行
正常情况下，电动机M1处于变频调速状态，电动机M2处于停机备用状态。现场压力变送器检测管网出口压力(4～20mA模拟量信号)，并与预定值相比较，经PLC内部专用PID指令进行运算，得到变频器所需频率信号，自动调节电动机转速，达到所需管网压力。
(4)停止
按下“停止按钮”，PLC控制所有接触器断开，变频器停止工作。
(5)切换
当需从电动机M1切换到M2时，接触器KM2断开，KM1闭合，此时电动机M1工作在工频下，在变频器完全停止后，KM4闭合，变频器重新起动，电动机M2在变频器驱动下起动；完全起动后，KM1断开，电动机M1停止，切换操作结束。电动机M2切换到M1过程类似。
(6)报警及故障自诊断
通过PLC内部程序设定报警及联锁保护，一旦出现故障立即停止相应操作并报警。对于故障自诊断功能，考虑到成本问题，未设计上位机，只设置相应故障代码，通过4位数码管显示，使维修人员可根据故障信息方便查找到故障点。如：(a)压缩机油压低、水压低等故障信号，可由现场防爆电接点压力表测得，直接送至PLC，由PLC控制实现声光报警和延时停车；(b)增设现场振动传感器，并将信号送至PLC，对压缩机运行状况进行显示和诊断。
四 几点体会和设计中应注意的问题
(1)采用变频控制后，实现了压缩机的软起动，减小了起动电流对电网的冲击；节电效果明显，1年内可回收全部投资。
(2)采用PLC后，组成闭环自控系统，实现自动调节，运行更加稳定可靠。
(3)变频器、PLC、接触器等可安装在一台控制柜内，可就地或远控操作，方式简单灵活。
(4)系统可扩展性较好。若有多台压缩机在变频/工频供电方式下运行时，只需将增加信息或信号引至PLC，即可实现整个系统的自动控制；若生产需要，本系统也可方便接入DCS或上位机，建立人机界面的监控系统等。
(5)预测性维护检修可大大延长压缩机使用寿命，提高可靠性，减少停车损失，降低运行费用。
(6)PLC控制电动机在变频/工频供电方式下切换时，须保证各接触器闭合和断开顺序以及足够的延时，以防止电动机绕组产生的感应电动势加载到变频器的输出逆变桥上，造成损坏。
(7)PLC须实现KM2和KM4间的互锁，以防止2台电动机变频起动，使变频器因过载而损坏。
(8)因2台电动机会在短时间内分别在工频和变频下运行，故变频控制柜的总电源开关需按2台电动机负载量考虑
一 引言
可编程序控制器PLC因其技术指标先进、质量优、环境适应能力强、可靠性好；有完善的输入输出功能模块，系统能灵活处理模拟量、数字量和开关量；具有完善的软件系统，以实现过程检测、执行、控制、报警以及图形画面显示打印等功能。基于此,选用了OMRON公司CPM2A可编程序控制器实现了无锡海得鲁公司的矫直控制系统。
二 矫直机控制系统原理
根据工艺要求、设计的控制原理框图如下：
放卷机将铝管在矫直机牵引下自然放卷，通过一排双曲轮将弯曲的铝管矫直。将旋转编码器安装在传送带上，用于检测铝管传送速度，随铝管的运动而转动，其转动产生的脉冲送入PLC中，经过PLC的计算处理而得到切料的长度，当切料长度改变时，其编码器所测得的速度与输入数据进行比较，比较结果送入变频器中从而通过改变矫直电机的速度来达到改变切料长度。MPT显示、调整矫直速度、调整切料长度、显示已切根数。
三 硬件设计
根据控制要求，系统要求控制5个电磁阀开关，7个到位接近开关，5个控制按钮和2个指示灯，共控制16个I/O输入，7个I/O输出和一个模拟输出，共25个I/O控制点。采集参数为编码器对铝管运行速度的脉冲采样，输出参数为调速频率。考虑性价比，选择了OMRON公司的CPM2A-PLC扩展一个CPM1A-MADO2单元。控制设备和具体I/O对照如表1所示：
表1 矫直机控制系统I/0表
类型 序号 名称 地址 设备名称
DO 1 YA1 10CH00 左夹紧油缸夹紧电磁阀
2 YA2 10CH01 左夹紧油缸打开电磁阀
3 YA3 10CH02 右夹紧油缸夹紧电磁阀
4 YA4 10CH03 右夹紧油缸打开电磁阀
5 YA5 10CH04 切断油缸电磁阀
6 HE5 10CH06 系统准备好
7 HE6 10CH07 系统报警
DI 8 LS02 1CH00 左夹紧油缸夹紧到位接近开关
9 LS03 1CH01 左夹紧油缸夹紧到位接近开关
10 LS04 1CH02 右夹紧油缸夹紧到位接近开关
11 LS05 1CH03 右夹紧油缸打开到位接近开关
12 LS06 1CH04 切断油缸上位到位接近开关
13 LS07 1CH05 剪刀下切到位接近开关
14 LS08 1CH06 安全门关到位安全开关
15 SB7 1CH07 调速+按钮
16 SB8 1CH08 调速-按钮
17 SB9 1CH09 系统复位按钮
18 SB10 1CH10 暂停按钮
19 SB11 1CH11 计数清零按钮
20 SB12 2CH00 急停按钮
21 SB13 2CH01 手/自动切换
22 LS01 0CH00 旋转编码器A相
23 LS01 0CH01 旋转编码器B相
24 LS01 0CH02 旋转编码器C相
AO 25 13CH00 调速
四 软件设计
程序采用OMRON公司的CX-Programmer软件编写，程序设计上有如下特点：在程序中，利用标志位来表示不同的现场情况和程序的状态，增加了程序的可靠性和灵活性。模块化的程序设计，整个程序由不同的子程序构成，各子模块独立完成各自的功能互不干扰，程序结构清晰，便于修改。再就是定时器的使用，利用不同的定时器来设置不同设备的延时时间，可以灵活地根据控制要求进行延时时间的设定。主程序主要由程序初始化、计数清零、系统复位、增减变频、切长脉冲转换、速度、切料、暂停急停安全门八个子程序和一个切料中断子程序构成。下面介绍编码器高速计数程序设计及切料动作程序设计。
编码器旋转一周有1024个脉冲，其旋转半径为32.6mm，进行速度计数时，一个脉冲所走过的路径是0.2mm，为了保证其脉冲数为整数必须要进行数据处理。把DM5寄存区中放立即数5用来与DM0中的切料长度数据做双字节乘法放到DM15寄存区里。便得到切料长度所对应的脉冲整数。再用这个脉冲数与CM11中的脉冲比较表进行比较，当两者相等时，便可以驱动改变切长。切料脉冲转换程序流程如图2所示：
切料过程中要求：剪刀下切动作时，铝管必须被夹紧，以免在下切的过程中由于机械动作产生对铝管的冲力和拉力；切割时，剪刀必须跟随铝管一起等速运动（这属于机械装置上的问题，我们不考虑）；夹紧、下切、松开动作时，应该延时一段时间，以保证机械动作到位；每个动作都应该使用状态量控制，以保证系统工作的稳定和安全，可以监测故障和报警提示；对所切割铝管的根数和长度进行记录和送显，界面友好直观，功能齐全。
根据切料工序的要求和机械特性设计的切料程序流程图见图3
图3 切料动作程序流程图
五结束语
该设计已成功运用于海德鲁矫直机控制系统，具有良好的MPT显示界面，工作稳定、可靠、控制精度可达5%