Design of Control system Basing on S7-200PLC Low Pressure Casting

Abstract:  According to technological process of low pressure casting, and through hardware architecture and hardware selection to PLC control system basing on low pressure casting, the software design of the control system is completed. Practice has proved that selection and control scheme of the design is feasible, and it overcomes the drawback of original low pressure casting control system that is vulnerable to the external environment disturbance, high failure rate and difficult maintenance difficulties, and improves the production efficiency and product quality. PLC control system has high production efficiency, simple operation, convenient parameter set, safe and reliability, and economic practicality.

Key words: Low pressure casting;PLC;Control system;Design

鑄造是人類社會發(fā)展過程中掌握最早的一種金屬熱加工成形工藝，同時也是現(xiàn)代制造工業(yè)最為基礎(chǔ)的工藝。由于低壓鑄造的液體金屬在充型過程中要求平穩(wěn)、保壓性好、鑄件成形性好，輪廓比較清晰、表面光潔、鑄件組織致密，同時它的適應(yīng)性較廣，且具有較好的綜合機(jī)械性能，因而得到了較為廣泛的應(yīng)用[1]。

傳統(tǒng)的低壓鑄造控制系統(tǒng)的控制器主要采用電子邏輯元器件以及繼電器、接觸器組成的順序控制器作為控制系統(tǒng)的核心，因而控制系統(tǒng)比較容易受到環(huán)境的干擾，可靠性較低，維修困難，不能滿足現(xiàn)代制造工藝發(fā)展的需要。本文采用的PLC控制技術(shù)，對低壓鑄造控制系統(tǒng)進(jìn)行了徹底改造，實(shí)踐證明，本文采用的PLC控制系統(tǒng)能夠使生產(chǎn)過程高效的運(yùn)行。目前，我國許多制造類企業(yè)還有相當(dāng)多的老設(shè)備、老生產(chǎn)線，其機(jī)械構(gòu)造較好，如果采用可靠性高的PLC對其進(jìn)行技術(shù)改造，是一條投資少、見效快、收益高、易推廣的技術(shù)之路[1-2]。

1 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

本文所采用的控制系統(tǒng)以PLC為中心，輔以輸入單元、輸出單元、人機(jī)界面、編程器、傳感器等六部分組成，其系統(tǒng)架構(gòu)圖詳情見圖1。

圖1 PLC控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

Fig.1 architecture diagram of PLC control system 

S7-200PLC是整個低壓鑄造控制系統(tǒng)的核心，它根據(jù)需要按照控制要求完成硬件和軟件的相關(guān)功能；輸入單元是所有的輸入設(shè)備的輸入信號，它包括按鈕開關(guān)狀態(tài)、轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)以及每個壓力表的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)；輸出單元包括電磁閥、比例閥等，可以完成氣路的通斷以及氣壓大小調(diào)節(jié)；人機(jī)界面可以完成數(shù)據(jù)的輸入與顯示、參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)或設(shè)備的操作狀態(tài)方面的實(shí)時信息顯示、報警處理及打印等功能；編程器是根據(jù)控制系統(tǒng)的需求，編制程序，進(jìn)而將程序存儲在PLC的EEPROM中；傳感器分為壓力傳感器與溫度傳感器，其將壓力的變化或者溫度的變化傳遞給PLC，使PLC按照設(shè)定的程序做出實(shí)時處理。

1.2 控制系統(tǒng)硬件選型

(1) 根據(jù)成本與功能各個方面的綜合考慮，本文選用了S7-200 CPU224，其有14個輸入點(diǎn)，10個輸出點(diǎn)，可以滿足我們的控制要求。

(2) 根據(jù)PLC的要求，控制系統(tǒng)選用西門子壓力傳感器QBE9000-P16，其主要用于測試液體和氣體的壓力。測試過程不受溫度變化影響，高溫條件下比較穩(wěn)定，無機(jī)械性老化和漏電現(xiàn)象；同時，控制系統(tǒng)也使用PT100溫度傳感器，利用它可以實(shí)現(xiàn)兩路現(xiàn)場溫度的采集，利用其自身的RS-485總線串行通信接口可以方便地和環(huán)境監(jiān)控主機(jī)或其他工控主機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。

(3) 人機(jī)界面（簡稱HMI）是人與機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對話窗口，它實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。根據(jù)需要，控制系統(tǒng)選用的是Emerson EZ600系列的產(chǎn)品。

(4) 電磁閥是用來控制流體的自動化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行元件。并且在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中也可以調(diào)整介質(zhì)的方向、流量以及其他的參數(shù)。電磁閥可以配合不同的電路來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制要求，控制的精度和靈活性也可以得到充分的保證。本文控制系統(tǒng)選用DH-H-A系列不銹鋼螺紋活塞直動式電磁閥。

(5) 比例閥閥芯的運(yùn)動是采用比例電磁鐵控制，其輸出的壓力或流量與輸入的電流成正比。所以可以改變輸入電信號的方法對壓力、流量進(jìn)行連續(xù)控制。本文控制系統(tǒng)選用的日本生產(chǎn)的油研系列EDG-01V-C-PNT-13型比例閥。其是—種高性能的調(diào)節(jié)閥，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受40～200mA控制信號，進(jìn)而改變閥門的開度，同時將閥門開度的隔離信號反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對壓力、溫度、流量、液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)。

2 控制系統(tǒng)的工作過程

低壓鑄造的循環(huán)工作過程是按鑄造工藝曲線進(jìn)行的。其工藝曲線包含7個階段[4-7]，詳情見圖2。

圖2 低壓鑄造工藝的七個階段

Fig.2 The seven stages of the low pressure casting process

其工作過程如下：

（1）控制裝置上電。合上柜內(nèi)空氣開關(guān)；把控制裝置面板的電源開關(guān)打到“上電”位置。交流電源、直流電源的指示燈都亮。同時人機(jī)界面顯示出監(jiān)視畫面。

（2）擴(kuò)充氣路選擇。若需要擴(kuò)充氣路運(yùn)行，則需要把控制裝置面板的擴(kuò)充氣路開關(guān)打到“擴(kuò)充”位置。否則擴(kuò)充氣路開關(guān)打到“停止”位置。

（3）設(shè)定工件壓力參數(shù)。

（4）讀工藝曲線參數(shù)或修改工藝曲線參數(shù)。點(diǎn)擊“工件參數(shù)”按鈕，進(jìn)入工件參數(shù)設(shè)置畫面。把設(shè)定好的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)調(diào)到工藝參數(shù)活動區(qū)。如果參數(shù)不合適，在工藝參數(shù)活動區(qū)域直接修改數(shù)據(jù)。

（5）懸浮手動調(diào)整。如果懸浮不需要調(diào)整，則進(jìn)入下一步。

（6）氣缸工作。按控制裝置面板上的“氣缸下降”按鈕，使氣缸下降到位。

（7）循環(huán)工作。把控制裝置面板上的控制選擇開關(guān)打到“循環(huán)”位置。按下控制裝置面板上的“充型開始”按鈕，循環(huán)工作按工藝曲線自動完成。這時需要注意觀察觸摸屏的曲線和壓力顯示值及指示燈工作狀態(tài)。

（8）開模。工藝曲線的泄壓時段結(jié)束后，蜂鳴器發(fā)出聲音，提示已進(jìn)入開模狀態(tài)。此時需要注意觀察工藝曲線，其也應(yīng)該處于開模時段。按下控制裝置面板上的“氣缸上升”按鈕，使氣缸上升到位，然后取出鑄件。

（9）循環(huán)結(jié)束。一個循環(huán)結(jié)束后，等待操作人員進(jìn)行下一個循環(huán)操作。

一個循環(huán)工作之后，坩堝中金屬液體少了一個鑄件的重量，下一個循環(huán)的工藝曲線參數(shù)需要自動補(bǔ)償。其補(bǔ)償值的大小要以工件壓力參數(shù)區(qū)的功能來確定；在一個循環(huán)工作過程中，出現(xiàn)緊急情況時，務(wù)必按下“急停按鈕開關(guān)”。使泄壓閥打開，比例閥輸出壓力為零，其它控制閥全部關(guān)閉。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 組態(tài)軟件的設(shè)計

組態(tài)軟件設(shè)計主要根據(jù)預(yù)測完成的低壓鑄造工藝曲線的要求，完成升液、充型、結(jié)殼、加壓、保壓、泄壓以及開模這幾個階段。這樣就要求PLC輸出不同的模擬電壓，來控制電流源輸出相應(yīng)的電流，以改變比例調(diào)節(jié)閥的流量使驅(qū)鑄造液體在該電流曲線下動作。

3.2 PLC程序的設(shè)計

（1）西門子STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP6編程軟件介紹

西門子STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP6編程軟件，具有專用性強(qiáng)、執(zhí)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，其支持梯形圖（LAD）、語句表（STL）、功能塊圖（FBD）三種編程語言，并且三種編程語言之間可以隨時切換，使用起來簡單、高效、快捷。

（2）PLC程序設(shè)計流程

PLC程序分模擬量輸入/輸出兩大部分。輸入/輸出應(yīng)符合鑄造要求的工藝曲線。輸出電壓應(yīng)符合圖3所示的U-T模擬電壓曲線圖[5-6]。

圖3 U-T模擬電壓曲線圖

Fig.3 U-T analog voltage graph

根據(jù)U-T模擬電壓曲線，PLC程序的設(shè)計流程圖如圖4，按照流程圖編制梯形圖程序，梯形圖程序略。

圖4 程序設(shè)計流程圖

Fig.4 Programming flowchart

4 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

整個控制過程在控制臺上進(jìn)行按鈕操作。首先點(diǎn)擊開關(guān)按鈕，向PLC發(fā)出開關(guān)信號，使控制系統(tǒng)開始運(yùn)作。PLC控制電磁閥通過進(jìn)氣管向坩堝內(nèi)注入氣體，坩堝內(nèi)的氣壓逐漸增大，隨著壓力的增大，坩堝內(nèi)的液態(tài)金屬進(jìn)入升液管，開始充型。同時，壓力傳感器向PLC發(fā)出模擬信號，位于進(jìn)氣口的電磁閥和比例閥打開。充型過程分三個階段，在這三個階段中，比例閥根據(jù)PLC發(fā)出的脈沖數(shù)量來改變其閥門打開的比例，以此完成充型。然后是結(jié)殼，其壓力增加少許，結(jié)殼完畢后進(jìn)入開始增壓階段，壓力快速增大，在達(dá)到結(jié)晶所需的壓力時，通過壓力傳感器的反饋信號使PLC的控制比例閥和電磁閥關(guān)閉，此時型腔內(nèi)保持壓力至結(jié)晶結(jié)束，然后打開比例閥和電磁閥開始泄壓，直至恢復(fù)到外界大氣的壓力，泄壓完畢后打開型腔取出鑄件。

實(shí)踐證明這個設(shè)計選型和控制方案是可行的，應(yīng)用的效果也非常顯著，并且具有較高的性價比。同時操作更加簡單、參數(shù)的設(shè)置更加方便、運(yùn)行更加穩(wěn)定[3-4]。

5 結(jié)束語

采用PLC技術(shù)對傳統(tǒng)的低壓鑄造控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)之后，其克服了由電子邏輯器件和繼電器、接觸器組成的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的易受外界環(huán)境干擾、故障率教高、維修困難等缺點(diǎn)，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率及質(zhì)量。另外，采用PLC技術(shù)的控制系統(tǒng)在改變相關(guān)參數(shù)時，只需修改軟件，更能適應(yīng)新工藝發(fā)展的需要。目前，我國許多機(jī)械鑄造相關(guān)企業(yè)還有很多的老設(shè)備、老生產(chǎn)線，其機(jī)械構(gòu)造比較好，如果采用可靠、高效的PLC技術(shù)對其進(jìn)行改造，必然是是一條投資少、見效快、收益高、易推廣的技術(shù)之路。

參考文獻(xiàn)：

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