西门子6ES7221-1BF22-0XA8参数选型
基于PLC控制的气动物料搬运系统的研制
本文先容了采用气动元件的物料搬运系统的结构、气动系统及其PLC控制系统。物料的搬运方式具有可抓可吸的多用途功能；气动系统电磁换向阀采用汇流板集装方式，减少了占用空间；PLC控制具有单步、自动等多种工作方式。
由于气压传动具有气源使用方便、不污染环境、动作灵活迅速、工作安全可靠、操纵维修简便以及适于在恶劣环境下工作等特点，在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温环境下作业，机床上、下料，仪表及轻工行业中小零件的输送和自动装配等作业，食品包装及输送，电子产品输送、自动插接，弹药生产自动化等过程中被广泛应用。气压传动是一种易于推广普及的实现产业自动化的应用技术。气动系统的应用，引起了产业界的普遍重视，气动行业已成为产业国家发展速度快的行业之一。
作为气动系统的控制装置目前多数采用可编程控制器（PLC）。可编程序控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，其可靠性好，操纵简便。在实际应用中，控制系统很轻易实现。一般是由受控设备的动作顺序和工艺要求，构成工步状态表，形成梯形图，再编制PLC指令。
一、物料搬运系统结构设计
物料搬运系统原理图如图1所示。该系统由左右移动气缸1、复位进退气缸2、升降气缸3、夹手或真空吸盘4、物料块5、传感器6、圆柱导轨7、支架8、底座9、微动开关10等组成。夹手或真空吸盘4可以夹住或吸住物料块5，抓取物料的部分采用夹持式和吸附式两种形式，选用不同的形式，可分别完成工件的抓取和吸附，以适应不同种类的物料搬运。夹手采用电磁铁吸合与断开方式夹持物料。夹手或吸盘在升降气缸3的作用下可以上下移动；夹手或真空吸盘连同升降气缸在左右移动气缸1的作用下沿着圆柱导轨可以左右移动；在复位进退气缸2的作用下将物料块送回原始位置，为下一个工作周期预备，以实现循环。此系统能够实现物料在一个平面内的搬运。左右移动行程为300mm，上下移动行程为80mm，根据行程选择不同的气缸，气缸1、2行程为300mm，气缸3行程为80mm。气缸选用法兰式安装。为了防止工件偏移，在左右移动气缸1运动路径两边安置导向圆柱导轨7，将圆柱导轨用螺钉固定在支架8上；支架用螺栓固定在底座9上。
图1 物料搬运系统原理图
在左右移动气缸1的缸体上安装了两个磁性开关6用于左右极限位置检测；在底座上安装了一个微动开关10用于物料块下限位置检测。
操纵面板安装在电控箱上，与实验装置主体是分离的。PLC可编程序控制器，电磁阀，真空发生器等均放置在电控箱里。
二、气动系统设计
气动原理图如图2所示。
图2 气动原理图
气源出来的气体经过二联件处理后进进到汇流板。通过相应的电磁换向阀可进进气动执行元件，分别驱动气缸1的左右移动、气缸2的推料动作、气缸3的上升下降运动、吸盘4的抓料和松料动作。整个气动系统的3个气缸全部采用出气节流调速；电磁阀采用3个二位五通阀和1个二位二通阀。选用集装式电磁换向阀，将所有电磁换向阀由汇流板集装在一起，以减小占用空间。
三、程序流程图及软件设计
实现功能。物料搬运系统具有左右移动、上下移动及对物料的夹紧和放松、推料进退功能，在PLC控制下可实现单步、自动等多种工作方式。物料被夹手搬运完成以后，为满足连续动作需要，还必须将此物料运送回原点位置，以供下次搬运需要。系统可完成的各种工作方式如下。
单步：可实现“上升”，“下降”，“左移”，“右移”，“夹紧”，“放松”，“推料进”，“推料退”等八种点动操纵；
连续：按下“启动”按钮后，夹手从原点位置开始连续不断地执行搬运物料的个步。
根据上述任务，先设计主程序框图，如图3所示。
图3 主程序框图
物料搬运系统实现的动作：下降→抓料→上升→右移→再下降→松料→再上升→左移→推料进→推料退。
在这个系统中，我们只实现一个物料的循环动作，故在机械手回原点后，需将物料推回原来位置。
在PLC控制下可实现单动、连续动作工作方式。
系统上电后，通过旋转按扭选择是单动还是连动，假如是单动则执行单动程序，否则执行连动程序。
单动工作方式：利用按钮对夹手每一动作单独进行控制。
连续：按下启动按钮，夹手从原点开始，按工序自动循环工作，直到按下停止按钮，夹手在完成后一个周期的工作后，返回原点，自动停机。如图4所示。
图4 连续动作顺序流程图
四、结论
基于PLC控制的物料搬运系统能够实现物料的自动循环搬运。此系统既可以使用夹手夹持物料，又可以使用真空吸盘吸附物料，具有多种用途功能；气动系统的电磁换向阀采用汇流板集装，减少了占用空间；在PLC的控制下可以实现单动和连动两种执行方式，完成物料的搬运。
PLC脉冲控制步进电机技术
一、步进电机、脉冲与方向信号
步进电机作为一种常用的电气执行元件，广泛应用于自动化控制领域。步进电机的运转需要配备一个专门的驱动电源，驱动电源的输出受外部的脉冲信号和方向信号控制。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度，这个角度称为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了旋转的速度。方向信号决定了旋转的方向。就一个传动速比确定的具体设备而言，无需距离、速度信号反馈环，只需控制脉冲的数量和频率即可控制设备移动部件的移动距离和速度；而方向信号可控制移动的方向。对于那些控制精度要求不是很高的应用场合，用开环方式控制是一种较为简单而又经济的电气控制技术方案。
步进电机的细分运转方式非常实用，其步距角受到机械制造的限制，不能制作得很小，但可以通过电气控制的方式使步进电机的运转由原来的每个整步分成m个小步来完成，以提高设备运行的精度和平稳性。控制步进电机电源的脉冲与方向信号源常用数控系统，但对于一些在运行过程中移动距离和速度均确定的具体设备，采用PLC（可编程控制器）是一种理想的技术方案。
二、控制方案
图1 PLC脉冲控制步进电机系统示意图
在操作面板上设定移动距离、速度和方向，通过PLC的运算产生脉冲、方向信号，控制步进电机的驱动电源，达到对距离、速度、方向控制的目的，见图1。操作面板上的位置旋钮控制移动的距离，速度旋钮控制移动的速度，方向按钮控制移动的方向，启/停按钮控制电机的启动与停止。
在实际系统中，位置与速度往往需要分成几挡，故位置、速度旋钮可选用波段开关，通过对波段开关的不同跳线进行编码，可减少操作面板与PLC的连线数量，也减少了PLC的输入点数，节省了成本。一个n刀波段开关的多挡位可达到2n。在对PLC选型前，应根据下式计算系统的脉冲当量、脉冲频率上限和大脉冲数量。
根据脉冲频率可以确定PLC高速脉冲输出时需要的频率，根据脉冲数量可以确定PLC的位宽。考虑到系统响应的及时性、可靠性和使用寿命，PLC应选择晶体管输出型。
步进电机细分数的选择以避开电机的共振频率为原则，一般可选择2、5、10、25细分。
编制PLC控制程序时应将传动系统的脉冲当量、反向间隙、步进电机的细分数定义为参数变量，以便现场调整。三、应用实例
笔者应用PLC脉冲控制步进电机的技术，对生产上引法无氧铜管的设备进行了电气控制。
上引法无氧铜管的生产过程是：将电解铜加入工频感应炉，使其熔化成铜液，在铜液中浸入1个通有冷却水的结晶器，流入结晶器的铜液经过0.5～3s后，便结晶成了固态铜管。一边由引棒将固态铜管从结晶器中导出，一边重复上述结晶过程，慢慢地将固态铜管牵引至摩擦压轮，以后根据工艺间隔时间由步进电机带动摩擦压轮，将固态铜管源源不断地从结晶器中牵引出来。牵引出来的铜管依次进入校直、轧管、盘管、冷拉等工序，生产出不同规格的自来水管或空调、冰箱的热交换器用铜管。设备应满足如下的生产工艺要求：引管距离6挡/（mm·次-1）：2、2.5、3、3.5、4、5；引管速度7挡/（mm·min-1）：115、130、140、150、160、170、180；牵引与结晶时间比：1∶1；引管方式：间歇式；牵引方向：不变；设备运行：连续。可见，距离开关为6挡，速度开关为7挡，组合后共有42种牵引方式。根据计算，距离、速度信号各需3个输入点就能达到设定的挡数要求，启/停按钮需1个输入点。根据工艺要求，牵引方向不变，故操作面板上不设置方向按钮，步进电机的旋转方向不通过PLC来控制，而是采用直接跳线来完成设置。脉冲信号需1个输出点，信号灯需2个输出点。步进电机采用25细分工作模式，以避开电机的共振频率区。PLC选用了具有8个数字量输入点、6个数字量输出点的SIEMENS公司生产的SIMATICS7-200 CPU222。在控制程序中用多段管线操作设计了电机的升降过程，以满足大负载启动的要求。电气控制原理见图2。
图2 电气控制原理
制作时，将面板上的距离、速度波段开关按图2进行跳线，完成二进制编码，这样节省了7个PLC输入点，简化了连接，提高了系统可靠性，也降低了设备的制造成本；将各波段开关、按钮的输出与PLC相连。设备运行时，PLC根据操作面板上各开关的设定位置，由控制程序产生某一频率和数量的高速脉冲，并将其输出至PCB，由PCB完成电平转换。转换后的电平信号送至步进电机驱动器，拖动步进电机按设定的速度旋转相应的角度，终达到控制距离和速度的目的。
四、结论
该设备经3个多月的运行考核，证明将PLC脉冲控制步进电机技术应用于中、小功率牵引设备中，具有控制简单、稳定、成本低等特点，是一种切实可行的电气控制方案
PLC+高压变频器在矿井提升机中的应用
摘要：本文主要介绍了HIVERT高压变频器+PLC对矿井提升机的电控改造过程与效果，事实证明，PLC+高压变频器的交流调速技术方案是提升机电控系统改造的优选方案，克服了传统电控系统的缺陷，调速精度高，运行可靠，节电效果显著，具有非常明显的经济效益和社会效益，在矿井提升系统中值得推广应用。
关键字：高压变频器；提升机；PLC；电控系统
一、 矿井提升机概况
冀中能源峰峰集团有限公司薛村矿（风井区）副井提升系统，担负着地面至三水平之间人员、物料、矸石的提升任务，提升机在整个煤矿安全生产中占有重要的地位。要求矿井提升机电力拖动系统具有良好的安全可靠性、控制精度及调速性能。
矿井提升机作为矿山大的电气设备之一，其耗电量占矿山总耗电量的30%—40%，并且运行特性复杂，速度快，惯性大，一旦提升机失去控制，不能按照给定速度运行，就可能发生超速、过卷等重大安全事故，造成设备损坏甚至人员伤亡。矿井提升机的电控系统的技术性能和可靠性直接影响着矿井的安全生产。
目前，副井提升机电控系统多采用交流电动机转子回路串电阻调速，由于采用常规继电器控制，导致系统调速精度低，可靠性差，维护费用大，电机启动电流及切换电流冲击大，设备运行不平稳，易引起电气及机械冲击；且控制线路复杂，工作稳定性和可靠性差，缺少故障诊断功能，排查故障困难；转子回路串接金属电阻，白白消耗电能造成能源浪费；电机滑环处容易发生接触不良，引起设备故障，造成维护工作量增加及维修材料费用升高；并且所有接线端子裸露在外，暴露在空气中，给提升安全带来极大的危害。对该类型提升机电控调速系统进行改造升级是非常必要的。
二、技术改造的理由
随着薛村矿原煤产量的不断提升，开掘工作量急剧上升，特别是三水平重点工程，随着该工程的快速开拓，矿井排矸量也相应地增加，在现有提升条件下，副井提升系统只能采用压缩检修时间来满足生产需要。
三、 方案实施
拆除原有电控系统的电力拖动部分，重新安装一套全数字高压变频提升机电控系统。全套提升电控主要由高压配电系统、高压变频器、低压电源柜、提升数控柜、全数字高压变频系统、网络化操作台及计算机监控系统组成。操作系统选用西门子公司原装PLC（S7系列）作为操作控制中心，采用PLC实现对提升机的工艺控制和安全保护；安全保护采用以软件、硬件两路安全回路实现双重保护。
该电控系统具有活跃前端能量回馈特性的四象限变频器，直接向鼠笼式交流电机供电，构成高性能、数字化的高压变频调速系统。具有优于直流电动机的优良机械特性，不仅提升工艺过程优良，具有启动力矩大，过载能力强、调速范围宽等优点，节能效果显著，使得整机效率大大提高。
采用6KV/1250KW的高压变频调速装置将50Hz工频变成0~50Hz连续可调的变频电源，电动状态时从电网吸取能量，使电动机产生电动力；制动状态时工作于逆变状态，将能量返回电网，使电动机产生制动力，完成对电机启动、调速、验绳、低于额定速度运行等控制过程。调速柜柜门上设置有触摸屏控制主界面（12寸真彩汉显操作面板），具有运行参数的实时记录，运行故障查询和参数设定功能。
全数字高压变频提升机电控系统具有如下特性：
1）采用具有活跃前端能量回馈特性的四象限变频器，1、具有启动力矩大，调速范围宽，动态特性精度高等优点；2、具有能量回馈电网功能。电动状态时从电网吸取能量，使电动机产生电动力；制动状态时工作于逆变状态，将能量返回电网，节能效果显著。
2）具有接近于1的功率因数和大于95％的能量转换效率，电流谐波成份少，无须功率补偿器和谐波抑制设备。
3)通过改变送入主电机的电源频率和电压实现对系统速度的控制。
4）全系统实现无极调速， 自动控制运行速度。
5）在系统运行的加、减速阶段，变频系统根据速度要求自动调整输出功率，满足负荷需求，使电能得到充分利用。
6）在负力提升、控制速度运行及减速时，变频系统可将提升系统的机械能部分转变为电能回馈电网，实现节能降耗。
7）启动平稳，无冲击，降低了电机的噪音和故障率，实现系统的软启动，软停止。
8）节能效果明显，大大降低了用电量，节约了运输设备对电能的损耗。