西门子6ES7221-1BH22-0XA8保内产品

承加脂加盖机器是轴承加工行业的主要设备，集机、电、气等技术于一体，主要用于单面盖、双面盖、铁盖或橡胶盖的成型加工。轴承加脂加盖生产流水线机械结构复杂，工位比较多，实际生产中要求工位可灵活选择设定，并能及时检测生产中的故障进行停机排查。传统的轴承加脂加盖机器控制系统通常采用继电器接触器控制，但由于继电器系统线路复杂、故障率高、维修工作量大，导致系统控制精度低、控制灵活性差、操作不直观，故很少能实现单双面可选，加脂加盖在一条生产线上进行。为此，本文采用可靠性高、灵活性好的PLC作为系统的主控元件，并采用触摸屏对系统进行参数设置和故障监控，提高系统的自动化程度。

　　2双面轴承加脂加盖机介绍

　　2.1设备组成

图1轴承加脂加盖设备实物图

　　如图1所示，轴承加脂加盖设备实物图。多工位双面轴承加脂加盖设备，主要由机械系统、气动控制系统和电气控制系统组成。

　　机械系统主要有上料装置、工位送料装置、注脂、脂检、加盖、压盖、盖检、旋转翻身装置和均脂装置等组成。上料装置采用圆盘供料和PU带传送上料。工位送料采用夹持式送料方式，避免了轴承的磕碰伤。注脂采用非接触式注脂定位技术，保证了在注入油脂时注脂头不接触保持架。采用工业视觉系统进行油脂透光检查，可检查出保持架不良品。加盖采用串料杆上料方式，可适应铁盖或塑盖。压盖采用气液增压缸压盖，通过可设定上、下限的线性电位器进行盖平面高度检查。翻身采用步进驱动定位技术，保证每次完成180度工件旋转。匀脂采用时间长短可调的旋转均脂方式。

　　气动控制系统采用自适应式气液增压技术，在压头和防尘盖接触后加力实现无冲击静力压盖，压盖力连续可调。

　　电气控制系统采用和利时公司PLC控制器和触摸屏人机界面，可进行各种故障自动识别，自动声光报警，自动停机保护。

　　2.2工位选择工艺原理

　　完整的双面轴承加脂加盖生产流水线依次要进行送料、加脂、脂检、空操作、A面加盖、空操作、A面盖检、A面压盖、翻身、空操作、B面加盖、空操作、B面盖检、B面压盖、删除和均脂等16个工位动作，其工序过程如图2所示。只有前一个动作检测执行成功，后面才能执行，如果前面动作执行不成功，则对应此产品的后面工位均不执行，并且执行不成功的这个不良产品将一直移到删除工位进行删除。例如：产品脂检不合格，则后面工位均不动作，移至删除位删除不良品。

图2 工序流程图

　　各工位开或关选择有两种模式：

　　（1） 触摸屏内手动选择

   各工位开或关可在触摸屏内修改。比如，在触摸屏内设定‘是否需要加脂’这个条件，设定为加脂则执行加脂程序，设定不加脂则加脂程序不执行，依次类推，直至均脂。

　　（2） 自动循环过程自动选择

　　自动循环过程各工位除了要根据触摸屏内设定的工位选择条件执行外，还要依赖脂检、盖检的结果自动选择后续工位是否执行。譬如，如果某产品做A面盖检后发现不合格，则此不良品移至后续的工位时，动作都不执行，在删除工位进行不良品删除。

　　3监控系统方案设计

　　3．1 PLC介绍

　　3.1.1 PLC工作原理

　　PLC工作方式又扫描方式和中断方式，所谓扫描方式是周而复始的执行一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期，其扫描的工作过程如下：

　　（1）读输入：将物理输入点上的状态复制到输入过程映像寄存器中。

　　（2）执行逻辑控制程序：执行程序指令并将数据存储在变量存储区中。

　　（3）处理通讯请求：即执行通讯任务。

　　（4）执行CPU自诊断：检测固件、程序存储器和扩展模块是否工作正常。

　　（5）写输出：在输出过程映像寄存器中存储的数据被复制到物理输出点。

　　中断方式是指当中断事件发生时则立即执行一次相应的中断服务程序，不受扫描周期的影响，响应速度快，从而提高了PLC控制的可靠性。中断事件不发生时，不扫描中断服务程序，这样可以节约扫描时间，减少扫描周期。

　　3.1.2 PLC特点

　　（1）PLC逻辑判断和控制能力强，抗干扰能力强，可靠性好。PLC从硬件上采用隔离、滤波措施有效地抑制和消除了干扰。

　　（2）扩展性和柔性好，且可移植性好，在不改变硬件的情况下，只改变软件的程序就可以实现不同的功能。

　　（3）编程语言丰富，可以采用不同语言编写程序，®LM系列PLC支持6种编程语言，包括：梯形图（LD）、指令表（IL）、结构化文本（ST）、功能块图（FBD）、顺序功能图（SFC）和连续功能图（SFC）。给编写程序带来很大方便。

　　3．2 监控系统方案

　　16工位双面轴承加脂加盖机器的电气控制系统是整机系统的一个重要组成部分，其中各工位的开或关选择是保证控制系统整体性能的关键所在。根据各工位的具体控制要求，本文采用可编程控制器和触摸屏相结合的控制方案。其中PLC完成对各工位接近开关、传感器信号的采集和逻辑运算，实现对各电磁阀、步进电机等输出装置的动作控制；触摸屏实现各种参数的设置、显示以及故障报警。

　　3．3 控制系统硬件设计

图3 控制系统结构

　　分析设备工艺要求，系统需要36路数字量输入，25路数字量输出和2路模拟量输入，需要一点高速脉冲输出实现步进电机运动控制。系统选用和利时公司的LM系列可编程控制器LM3106A、LM3210、LM3212、LM3221和LM3310实现控制。 控制系统结构如图3所示。

　　LM3106A本体集成14通道24VDC输入，10通道晶体管输出，可连接4个扩展模块。具有2点100KHz高速脉冲输出，一个RS-232串行通讯接口，支持ModbusRTU从站协议，可与和利时触摸屏进行串口通讯。

　　LM3210是8通道数字量输入扩展模块，LM3212是16通道数字量输入扩展模块，M端为模块各自的外接DI公共端，可接24VDC传感器电源的正端或负端，以适应源型\漏型的DI。

　　LM3221是16通道晶体管输出扩展模块，输出额定负载电压为24VDC。

　　LM3310是4通道的模拟量输入扩展模块，4个通道可独立配置为0-10V标准电压信号输入或者0-20mA、4-20mA可选标准电流信号输入。

　　触摸屏选用和利时公司5.7″彩色显示屏。

　　4 程序设计

　　4.1 主站程序设计

　　触摸屏主要实现人机交互，对轴承加脂加盖机器进行工位开或关选择，负责系统的在线监视、控制、调试、维护。完成数据显示、数据分析和操作保护三类功能，可分为以下几个方面：

　　（1）参数设定、实时数据的收集处理和显示及命令控制界面，如图4所示。

　　（2）为保证监控系统的安全性，对于某些特殊的控制参数设有多级密码保护功能，以确保控制参数及系统的安全性。

　　（3）实现系统手、自动控制，即达到系统的自动控制，又便于设备的调试与维护。

　　（4）具有报警和故障显示功能，对系统达到预警提示及安全控制的功能。如图4-图7。

4.2 PLC程序设计

4.2.1 PLC应用程序

　　根据多工位双面轴承加脂加盖机工作过程对控制系统提出的要求，整个PLC应用程序分公共程序、手动模式程序、自动模式程序、工位控制程序和报警程序。

　　（1）公共程序主要对系统工作参数进行设定，实现良品和不良品的计数统计。

　　（2）手动模式程序可单独进行各工位的开或关选择设定，并可以单独对各工位进行动作测试，全部为点动。在自动模式运行前，需要先在手动模式下进行设备初始化操作。

　　（3）在自动循环模式下，按启动按钮，每次检测到有送料信号时，产品在流水线上的每个工位进行移位传递，完成要求的工位动作和检测，如此循环。

　　（4）工位控制程序是整个系统的核心，根据触摸屏上工位开或关的设定和自动过程中脂检和盖检的结果，控制各工位16位操作数相应位置1或0，执行循环移位，以实现对各工位动作的控制。

　　（5）报警程序进行包括设备运行不到位超时、产品在流水线积压、缺料等各种故障自动识别，自动声光报警，触摸屏显示，必要时进行自动停机保护。

　　4.2.2 工位选择控制编程思路

　　此生产线一共有16个工位，可以对应定义16个16位的word型掉电保持区操作数%MW300-%MW330，分别对应各工位的控制位：1号%MX300.0,2号%MX302.1,3号%MX304.2，4号%MX305.3……15号%MX329.6,16号%MX331.7。1号送料工位装有光电传感器，通过该传感器对16个操作数进行移位控制，每次1号工位检测到新送过来一个产品，做一次移位，把工件位置确定下来。在需要检测工作的位置也就是3、7和13号位置装有检测传感器，产品检测到不合格时，将各操作数对应此检测位置的控制位置0，那么当移位到各工位控制位时，就不执行工位操作。

　　例如：0000，0000，0000，0001表示个产品刚进来，当这个产品走到工位4，操作数是0000，0000，0000，1111，此时若脂检工位(工位3)有不合格检测信号则将各操作数的第3控制位%MXm.2均置0，操作数是0000，0000，0000，1011，下一个新产品送到移位后操作数是0000，0000，0001，0111，此时%MXm.3位（4号工位控制位）是0，则4号工位不执行工位动作。依次类推，直至此不合格产品终在删除工位进行删除。

     前言

某工厂有多台上世纪90年代从台湾购进的真空成型机，主要用来制作玩具、五金、仪器等产品的包装袋。这些设备控制电路均采用传统继电器控制，操作复杂，定型时间不准，成型温度不稳定，漂移厉害。控制柜内部接线复杂，给设备维护和故障处理带来了很大的不便。为此该厂准备对改批设备进行改造。

包装袋的生产过程中，成型的温度和加热、冷却时间是极重要的环节，要求温度能够自稳定保持，加热、冷却时间可以设定显示，并要能够存储多种不同产品的成型时间。

针对该情况，在设备的改造过程中该厂采用PLC和触摸屏作为核心控制器。永宏FBS系列的PLC以其体积小，可靠性高，NC定位jingque，通讯功能强大等特点，在工业控制领域得到了广泛的应用。FBS系列PLC目前有3种机型：经济型主机MA\MAT、高功能型MC\MCT、NC定位型MN\MNT。本文采用FBS-40MA主机+GP37W2触摸屏来实现成型机生产过程中加热盘的加热时间、成型时间、冷却时间的设定和显示监控以及不同模具生产过程中所需工艺时间的存储和调用，实现了成型机的自动化。

2          设计与实现过程

该控制系统的操作部分采用触摸屏，核心控制部分采用FBS-40MA，受控对象有加热管、汽缸和拉料电机。控制系统组图如下：

2.1         温度控制部分的实现

成型机的加热系统由6组加热管组成，由温控器和固态继电器来控制。

永宏PLC根据控制过程的需要，配合永宏的其它功能模块，灵活组合，可以实现多种控制需求。单台主机可以实现32路的温度测量，并有常用的热电偶及白金电阻等2大类共5种温度模块，选取永宏的8EAT晶体管输出部分和温度采集模块TC6，经由温度PID控制指令FUN：TPCTL来实现成型机的恒温控制。

温度PID控制利用温度模块配合温度规划表格将成型机加热盘内的当前温度同设定值进行比较，依据存在的偏差，经由软件PID数学式运算后，将运算结果转换为时间比例ON/OFF（PWM），由晶体管输出点输出控制SSR所推动的加热回路，从而使加热盘内的温度保持在SV±1℃。

TC模块的温度采集由温度规划表格来实现，如下图：

6路温度的采集由K型热电偶和TC6模块来实现，6路温度值储存在R30~R35这6个寄存器内，即6组加热管的当前值，6组温度设定值储存在R60~R65内部。

程序部分用TPCTL指令来完成，温度设定值，偏差值，各路的P、I、D均通过屏幕来设定：

PLC内部执行过程中的P、I、D有默认参数，可以根据需要进行修改：

2.2         成型时间的存储和使用

不同的模型需要有不同的成型时间，需要PLC对不同模型的时间进行记忆。可以通过画面来进行设置和调用。该功能由触摸屏和PLC内部的寄存器配合实现。

屏幕界面如下：

程序部分可以放于子程序区，参数需要修改时才调用该部分的程序，可以节省PLC的扫描周期时间。档案1号的程序存储、查询、调用程序如下，其它档案的程序部分依次类推。永宏PLC具有将近7000多个普通的R寄存器、4000多个普通D寄存器，还有8192个档案缓存器可供使用，对于数据的存储绰绰有余。

2.3         PLC的I/O点位图

（1）主机FBS-40MA部分

     bbbbb                                                    OUTPUT

X0  加热盘右限位                                         Y0  刹车                                  

X1  加热盘左限位                                         Y2  底模下                        

X2  底模下限                                                Y3  底模上                               

X3  底模上限                                                Y4  压料下                 

X4  拉料电机前限                                         Y5  压料上                 

X5  拉料电机后限                                         Y6  左加热盘                           

X6   压料下限                 

　1 引言

　　基于伺服电机直接驱动的折弯机数控技术是九十年代发展起来的高新技术,属于先进制造技术前沿。它的研究和开发工作对于提高国产设备综合性能指标和打破国外在这一技术上的垄断位置有重要意义。随着PLC和触摸屏技术的发展，在折弯机中的应用都得到了很快的发展，为折弯机控制系统提供了新思路、新方法，也为生产效率的提高、为人类上产和生活水平的提高有着重要意义。PLC和触摸屏均采用开放性的编程方式，为折弯机的灵活性和创新性的控制方法提供了基础。

　　2液压板料折弯机介绍

　　2．1液压板料折弯机设备结构

　　液压板料折弯机设备外形见图1，其结构主要由机架、脚踏开关、折弯角度定位机构、水平挡料定位机构、下压折弯机构和电气控制系统等组成。

　　折弯角度定位机构由伺服电机和链条传动机构组成，可根据设定的折弯角度微调或自动进行高度调整，保证了高度定位的精度。水平挡料机构由伺服电机和丝杠传动机构组成，进行折弯工件的宽度定位，可微调定位也可自动定位，连续折弯中可进行多工步自动选择，依次实现对多个位置的定位折弯。下压折弯有液压机构执行，配合脚踏开关可进行点动、单次和连续三种工况。

　　2.2液压板料折弯机工作过程

　　折弯机工作过程可分为点动、单次和连续三种工作方式。

　　点动：选择点动操作档位，踩下脚踏慢进，下压折弯机构自动下压，碰下行程开关停止下压；下压过程松脚踏慢进，停在当前运行位置；下压过程踩下脚踏回程，下压折弯机构自动回程，碰上行程停止回程；回程过程松开脚踏回程，停在当前回程位置。

　　单次：设定保压时间，卸压时间，水平挡料进、退距离，调整好水平挡料位置；选择单次操作档位，下压折弯机构不在上行程开关位，自动回上行程开关位；踩下脚踏慢进，下压折弯机构自动下压；碰下行程开关时，水平挡料机构后退设定距离，自动进行保压；保压时间到自动进行卸压，卸压时间到下压折弯机构自动回程，水平挡料机构自动前进设定距离；碰上行程开关，单次折弯动作结束。

　　连续（工步）：

　　（1）设定保压时间，卸压时间，水平挡料进退距离，调整好水平挡料位置；

　　（2）设定工步数以及每个工步的挡料位置、折弯张数；

　　（3）选择连续操作档位，下压折弯机构不在上行程开关位自动回上行程开关位；踩下脚踏慢进，下压折弯机构自动下压；碰下行程开关时，水平挡料机构后退设定距离，自动进行保压；保压时间到自动进行卸压，卸压时间到下压折弯机构自动回程，水平挡料机构自动前进设定距离；碰上行程开关，一次折弯动作结束，进行下一次折弯。

　　（4）当前工步折弯次数完成，碰上行程开关，水平挡料位置自动进行调整，进入下一工步折弯动作。

　　（5）所有工步动作完成，碰上行程开关，连续折弯动作结束。

图3 工步工作流程图

　　3监控系统设计

　　液压板料折弯机控制系统由控制部分、驱动部分和监控部分组成。系统结构如图4所示。

　　3．1PLC介绍

　　3.1.1PLC工作原理

　　PLC工作方式又扫描方式和中断方式，所谓扫描方式是周而复始的执行一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期，其扫描的工作过程如下：

　　（1）读输入：将物理输入点上的状态复制到输入过程映像寄存器中。

　　（2）执行逻辑控制程序：执行程序指令并将数据存储在变量存储区中。

　　（3）处理通讯请求：即执行通讯任务。

　　（4）执行CPU自诊断：检测固件、程序存储器和扩展模块是否工作正常。

　　（5）写输出：在输出过程映像寄存器中存储的数据被复制到物理输出点。

　　3.1.2PLC特点

　　（1）PLC逻辑判断和控制能力强，抗干扰能力强，可靠性好。PLC从硬件上采用隔离、滤波措施有效地抑制和消除了干扰。

　　3．2监控系统方案

　　监控系统要实现功能主要是：（1）控制参数的设置；（2） 状态和数据显示；（3）液压板料折弯机控制。本系统采用主、从站方式，通过MODBUS标准协议实现该监控系统的通讯功能，其中主站选用和利时触摸屏。考虑到控制系统的安全性和抗干扰性要求，结合PLC的特点，该系统控制部分采用PLC控制。从站选用LM系列PLC。其结构图如图4所示。

图4 控制系统结构图

　　3.3控制系统硬件

　　3.3.1PLC选型

　　本系统采用LM系列专用高速运动控制模块LM3106A控制。LM3106A是专为实现高速运动控制而设计的模块，主要用于实现步进或伺服电机的定位控制。

　　LM3106A本体集成14通道24VDC输入， 10通道晶体管输出，其输出有2个公共端，输出通道采用5-24VDC驱动电源供电，具有两路高速输出，可做PWM(100KHz)或PTO(50KHz)使用，还可以通过RS-232通讯口与和利时触摸屏进行通讯。

　　表1为控制系统的I/O配置。

　　表1 系统I/O分配表

　　3.3.2驱动电机选型

　　液压板料折弯机驱动部件主要包括挡料伺服电机、角度伺服电机和竖直液压气动装置。

　　伺服电机及驱动器均采用和利时公司的产品，其中“蜂鸟（Hummer）”系列低压无刷伺服电机驱动器是北京和利时电机公司新推出的适合低压直流供电的、小体积、高性能全数字伺服驱动器。硬件上采用32位高速RISC专用控制芯片,高效功率变换技术，以及创新编码器反馈技术；软件上采用先进的电机控制策略，完全以软件方式实现了电流环、速度环、位置环的闭环伺服控制；驱动器嵌入了运动控制功能，通过通讯接口即可完成如多段点到点、直线插补、圆弧插补等功能。挡料和折弯角度分别采用伺服电机进行定位，达到了jingque定位和角度调整，保证了设备控制要求及运行效果。

　　往复下压折弯动作由油泵和气动装置完成，通过PLC控制电磁阀的得、失电进行。

　　3.3.3监控部分

　　上位监控部份由一台和利时触摸屏，配以监控软件来完成，触摸屏上可以进行动作操作，运行参数设定，工作状态选择以及显示PLC的输入输出点工作状态。图5和图6为触摸屏部分监控画面。

　　4液压板料折弯机特点

　　液压板料折弯机适用于大型钢结构件，铁塔、路灯杆、高灯杆、汽车大梁、汽车车货箱等相关行业。基于和利时公司PLC和伺服自动控制系统的液压板料折弯机有以下特点：

　　(1) 采用电液伺服全闭环控制系统，折弯精度、重复定位精度达到很高的水准。

　　(2) 直接进行角度编程，具有角度补偿功能。

　　(3)每步程序可设定板料折弯位置（后档料X，相当于伺服的位置）、凸模具下压位置（Y值，相当于凸模具下降的距离）、折弯次数、保压时间4个参数。

　　(4)具有多工步编程功能，可实现多自动运行，每一步执行完后，触摸屏都要自动把下一步参数输入PLC和伺服，实现多工步零件一次性加工，提高生产效率。

　　该系统已投入生产使用，运行稳定可靠，控制精度高，维护使用方便，受到用户青睐。

　　5 结语

　　设备采用性价比极高的和利时PLC提供了整体解决方案，替代了原来的单片机控制系统，避免了干扰和不稳定因素的影响，保证设备运行达到好的控制效果。设备对角度调整和挡料定位精度要求较高，采用伺服电机进行角度调整和挡料自动定位控制，走位准确，能够满足复杂工艺的要求。