0 引言

近幾年來汽車、鐵路交通、航空航天等重要行業(yè)對(duì)高性能上等鑄件的需求不斷提高，從而推動(dòng)了鑄造設(shè)備進(jìn)一步向自動(dòng)化、智能化發(fā)展[1]。國內(nèi)各主流鑄造廠都投入大量的資金進(jìn)行自動(dòng)化智能化產(chǎn)線建設(shè)，以及對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)線的改造和升級(jí)[2]。我們?cè)O(shè)計(jì)了一款基于 PLC 控制的智能換爐車用于鑄造機(jī)的換爐生產(chǎn)，采用傳統(tǒng)滑觸線供電，安裝方便，安全性強(qiáng)，供電穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)起來很順暢，且性價(jià)比高[3]。傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)企業(yè)采取人工叉車換爐或者人工駕駛電瓶車等實(shí)現(xiàn)換爐，這種運(yùn)輸工具及運(yùn)輸方式因具有噪音大、投資高、效率低下、人工操作強(qiáng)度大、穩(wěn)定性低及安全性差等缺點(diǎn)而會(huì)逐漸被淘汰[4]。而且叉車抓舉裝置需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，一般成本比較高，且通用性不強(qiáng)。

1 系統(tǒng)供電

換爐車取電是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，考慮到成本、成熟度和穩(wěn)定性，選擇 DMHP 系列多極管式安全滑觸線供給 3 相 380VAC 電源，安全滑觸線主要結(jié)構(gòu)由以下組成：絕緣導(dǎo)管外殼、多極導(dǎo)電銅排、繼電器及懸吊、固定等組合而成。這種滑觸線主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)緊湊、性能穩(wěn)定、使用安全、性價(jià)比高，廣泛應(yīng)用于小型吊車、電動(dòng)葫蘆及自動(dòng)化物流輸送線。

滑觸線的基本結(jié)構(gòu)及安裝示意圖分別如圖 1 和圖2 所示。

2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

換爐車的控制系統(tǒng)主要由西門子 S7- 1500PLC 帶 5 個(gè) V90 驅(qū)動(dòng)器及 1FL6 伺服電機(jī)構(gòu)成，觸摸屏采用 TP1200 精智面板，控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。西門子 Scalance 交換機(jī)負(fù)責(zé)中轉(zhuǎn)和傳輸系統(tǒng)的 Profinet 通訊數(shù)據(jù)，與第三方設(shè)備的通訊采用無線網(wǎng)絡(luò)通訊，系統(tǒng)預(yù)留與 MES 對(duì)接的接口，采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)四芯 cat5 屏蔽網(wǎng)線，系統(tǒng)通訊穩(wěn)定可靠。

此外，接近開關(guān)用于定位換爐車在鑄造機(jī)臺(tái)的位置，換爐車首先運(yùn)行至設(shè)定的目標(biāo)位置，再以很慢的速度去尋找定位接近開關(guān)，找準(zhǔn)定位位置，使得換爐車停止位置控制在 1 mm 左右，*后通過定位插銷將智能換爐車導(dǎo)軌與鑄造機(jī)坩堝爐導(dǎo)軌**對(duì)準(zhǔn)。

3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)程序開發(fā)基于 TIA Portal V15，TIAPortal V15 又稱博途 V15，是一款由西門子打造的全集成自動(dòng)化編程軟件，整合了 STEP7、WINCCSTARTDRIVE 等，只需要用博途一個(gè)軟件就能對(duì)觸摸屏、PLC、驅(qū)動(dòng)進(jìn)行編程調(diào)試和仿真，非常方便快捷。西門子全新的博途 TIA V15 版本功能強(qiáng)大，運(yùn)行非常可靠。

3.1 換爐車自動(dòng)控制流程

換爐車自動(dòng)控制流程如圖 4 所示，自動(dòng)模式下先選擇插銷模式（手動(dòng)或自動(dòng)），再選擇目標(biāo)機(jī)臺(tái)，自動(dòng)計(jì)算出目標(biāo)機(jī)臺(tái)位置（帶補(bǔ)償值），按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)先判定插銷模式，如果插銷為自動(dòng)模式，插銷自動(dòng)退回至初始位置，如果插銷為手動(dòng)模式，需要人工退回插銷；插銷退回到位后，換爐車開始由設(shè)置的速度運(yùn)行，運(yùn)行至目標(biāo)位置后停止，然后慢速尋找定位接近開關(guān)，找準(zhǔn)接近開關(guān)后停止，如果插銷為自動(dòng)模式，則插銷自動(dòng)插入定位座中，靠插銷憋正微小偏移的車體，如果插銷為手動(dòng)，則停止運(yùn)行換爐車，人工操作使得插銷插入避免車體移動(dòng)。

3.2 PLC 程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng) PLC 程序主要由以下 7 部分組成，分別是：輸入輸出、HMI 接口、TO 工藝對(duì)象、模式切換、手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、報(bào)警安全，其程序結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。系統(tǒng)共有 5 個(gè) V90 驅(qū)動(dòng) 5 個(gè)軸，通過TO 工藝對(duì)象控制各軸，5 個(gè)伺服軸的 TO 工藝對(duì)象如圖 6 所示。

兩個(gè)主動(dòng)輪采用 TO 工藝對(duì)象配置速度同步，右輪跟隨左輪，調(diào)用同步控制功能塊 FB_LAxisCtrl_PosAxis、FB_LAxisCtrl_SyncAxisGearing 實(shí)現(xiàn)從軸與主軸的速度同步運(yùn)行。通過 V_assistant 進(jìn)行伺服運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化，*終速度運(yùn)行穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)要求。

此外，車體運(yùn)行安全也是一個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，本換爐車采用國內(nèi)**的安全觸邊，分別安裝在換爐車的前后兩端，保證在高速運(yùn)行中，一旦有任何東西觸碰觸邊，達(dá)到觸發(fā)力 60 N 就可以立即觸發(fā)報(bào)警，小車立即停車并報(bào)警，從而保證小車安全運(yùn)行，也保證人員安全。

3.3 HMI 程序設(shè)計(jì)

HMI 程序設(shè)計(jì)主要分為以下 6 部分：手動(dòng)畫面、自動(dòng)畫面、參數(shù)設(shè)置、曲線監(jiān)控、報(bào)警及仿真。自動(dòng)畫面如圖 7 所示，手動(dòng)和自動(dòng)模式切換操作簡單，只需在操作面板上切換手自動(dòng)旋鈕，實(shí)現(xiàn)模式切換，在自動(dòng)畫面上再依次選擇插銷手動(dòng)或自動(dòng)模式，選擇目標(biāo)機(jī)臺(tái)，*后按下啟動(dòng)命令，換爐車就會(huì)啟動(dòng)運(yùn)行，通過自動(dòng)定位控制流程，直至**找準(zhǔn)目標(biāo)機(jī)臺(tái)，*后將定位插銷插入定位插銷座。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款基于 1500PLC 的智能換爐車控制系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)滑觸線供電，簡捷實(shí)用，供電能力強(qiáng)，可靠性高，性價(jià)比高；采用 1FL6 伺服電機(jī)初步定位，通過鑄造機(jī)臺(tái)安裝的接近開關(guān)二次定位，機(jī)械插銷三次定位，保證了換爐智能車的定位精度，精度在 1 mm 以內(nèi)，滿足了鑄造車間換爐生產(chǎn)的要求，大大提升了生產(chǎn)效率，降低了成本，并減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。