陳文武 杜彬 朱柳忠 顧曉偉

摘要：通過(guò)利用西門(mén)子S7-300系列PLC的CPU模塊、數(shù)字量輸入模塊、SICK電感式接近開(kāi)關(guān)、西門(mén)子TP170觸摸屏等電氣元件，對(duì)軋鋼線130臺(tái)輸入輥道電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)，同時(shí)把電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上。通過(guò)PLC程序邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)報(bào)警輸出，解決了多臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)檢測(cè)的難題，減少了軋鋼生產(chǎn)過(guò)程中因電機(jī)轉(zhuǎn)速失靈造成的軋鋼質(zhì)量缺陷。

關(guān)鍵詞：S7-300 PLC;TP170;接近開(kāi)關(guān);轉(zhuǎn)速檢測(cè)

0? ? 引言

我廠軋鋼線有130臺(tái)輸入輥道電機(jī)，采用變頻器進(jìn)行無(wú)極調(diào)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍120～1 500 r/min，轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍較大。此輸入輥道采用3 kW輥道變頻電機(jī)，額定電機(jī)電流8 A，每個(gè)輸入輥道電機(jī)安裝7～10 A可調(diào)斷路器，每個(gè)斷路器常開(kāi)觸點(diǎn)并聯(lián)控制1個(gè)報(bào)警器。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在200 r/min以下時(shí)，電機(jī)容易卡死并堵轉(zhuǎn)，而此時(shí)電機(jī)電流只有6 A，達(dá)不到電機(jī)斷路器最小電流跳閘值，因此電機(jī)一直堵轉(zhuǎn)導(dǎo)致斷路器無(wú)動(dòng)作、報(bào)警器不報(bào)警，從而對(duì)軋材造成質(zhì)量缺陷。但當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在750 r/min以上時(shí)，電機(jī)運(yùn)行電流達(dá)到7 A，當(dāng)棒材在輸入輥道經(jīng)過(guò)時(shí)，電機(jī)運(yùn)行電流就很容易超過(guò)8 A，導(dǎo)致電機(jī)斷路器跳閘，造成誤動(dòng)作報(bào)警。因?yàn)檩斎胼伒离姍C(jī)數(shù)量多，生產(chǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)頻繁，可調(diào)斷路器不能可靠運(yùn)行，這就造成報(bào)警器誤報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析設(shè)計(jì)了一種能自動(dòng)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的裝置，以提高現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)的可靠性。

1? ? 理論分析

1.1? ? 西門(mén)子S7-300簡(jiǎn)介

SIMATIC S7-300是一種通用型PLC，適合自動(dòng)化工程中的各種應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是生產(chǎn)制造工程。采用模塊化和無(wú)風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)分布式配置以及易于掌握等特點(diǎn)，使得S7-300 PLC在生產(chǎn)制造工程、通用機(jī)械制造、專(zhuān)用機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域，成為一種實(shí)施各種控制任務(wù)時(shí)既經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)際的解決方案。

西門(mén)子CPU 315-2DP技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2? ? SICK電感式接近開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)介

SICK電感式接近開(kāi)關(guān)實(shí)用性及可靠性較高，廣泛使用在所有工業(yè)領(lǐng)域，它能檢測(cè)金屬物體，并且由于外形和尺寸的多樣性，適合廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用場(chǎng)合有：定位檢測(cè)、輸送動(dòng)作監(jiān)測(cè)、產(chǎn)生計(jì)算脈沖信號(hào)、速度監(jiān)測(cè)。電感式接近開(kāi)關(guān)由LC振蕩電路、信號(hào)觸發(fā)器和開(kāi)關(guān)放大器組成（圖1）。

電感式接近開(kāi)關(guān)的工作原理是振蕩電路的線圈產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，從傳感器的感應(yīng)面上釋放，當(dāng)金屬材料靠近感應(yīng)面時(shí)，發(fā)生磁滯和渦流損失現(xiàn)象，損失的渦流從振蕩電路吸收能量從而減少振蕩。信號(hào)觸發(fā)器可以檢測(cè)振蕩減少，最終通過(guò)開(kāi)關(guān)放大器把開(kāi)關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)化為PLC能夠接收的信號(hào)。

電感式接近開(kāi)關(guān)IM08技術(shù)參數(shù)如表2所示。

1.3? ? 接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)能力分析

電機(jī)最大轉(zhuǎn)速1 500 r/min，換算成以秒為單位是25 r/s，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)上只有1個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)頻率是25 Hz，該頻率小于接近開(kāi)關(guān)最大開(kāi)關(guān)頻率3 000 Hz。因此，接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)能力是能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)工況要求的。

1.4? ? PLC檢測(cè)能力分析

同理，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速1 500 r/min，換算成檢測(cè)周期是40 ms，由于PLC指令使用浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算的運(yùn)算速度是6.0 μs，位操作的運(yùn)算速度是0.1 μs，因此在程序中要盡量減少使用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，使整個(gè)PLC的掃描周期小于40 ms，否則將出現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)缺失，導(dǎo)致程序邏輯運(yùn)算的轉(zhuǎn)速偏差擴(kuò)大。在本程序運(yùn)行過(guò)程中最大掃描時(shí)間是15 ms，短于接近開(kāi)關(guān)40 ms檢測(cè)周期，因此能夠在PLC中可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

2? ? 實(shí)施方案

（1）現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)前軸安裝機(jī)械連接軸，電機(jī)后軸安裝電機(jī)降溫風(fēng)葉，電機(jī)前后軸部分不適合安裝轉(zhuǎn)盤(pán)。因此設(shè)計(jì)了一個(gè)可以安裝在電機(jī)機(jī)械連接軸上的轉(zhuǎn)盤(pán)，轉(zhuǎn)盤(pán)上有測(cè)量板，用于產(chǎn)生接近開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)，測(cè)量板a的寬度與接近開(kāi)關(guān)直徑相同，都是8 mm。為了提高接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)的可靠性，把Sn/2的距離調(diào)整得靠近一些，現(xiàn)場(chǎng)安裝的實(shí)際距離只有1 mm（圖2）。

（2）PLC輸入模塊主要完成接近開(kāi)關(guān)信號(hào)采集，通過(guò)CPU指令集對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，最后輸出顯示電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，其中輸出輥道報(bào)警可以提醒現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員對(duì)該電機(jī)轉(zhuǎn)速情況進(jìn)行檢查，圖3中只編寫(xiě)了1臺(tái)電機(jī)的程序段，130臺(tái)電機(jī)都需要編寫(xiě)程序。

1）“常閉”觸點(diǎn)用于程序段是否投入使用;“CMP”比較指令用于在觸摸屏設(shè)置“參數(shù)設(shè)置”.SZDJ_ZTJC，與整數(shù)1比較后是否投入使用;“1#輥道檢測(cè)信號(hào)”用于現(xiàn)場(chǎng)接近開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)采集;“檢測(cè)上升沿脈沖”.DB_VAR1指令用于每次取1個(gè)上升沿信號(hào);“ADD_I”指令用于“輥道脈沖計(jì)數(shù)”.DB_VAR1累加運(yùn)算。

2）“參數(shù)設(shè)置”.XHJSD_SSY常開(kāi)觸點(diǎn)用于循環(huán)計(jì)時(shí)（60 s），通過(guò)“MOVE”指令把“輥道脈沖計(jì)數(shù)”DB-VAR1輸出到“輥道轉(zhuǎn)速顯示”DB_VAR1中，用于在觸摸屏上顯示實(shí)際轉(zhuǎn)速。

3）通過(guò)“CMP”比較指令把“輥道轉(zhuǎn)速顯示”.DB_VAR1與觸摸屏上的“參數(shù)設(shè)置”.GDZDZS_SZ的輥道最低轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)算，把“輥道運(yùn)行正?！?DB_VAR1輸出到中繼線圈。

4）“參數(shù)設(shè)置”.XHJSD_XJY循環(huán)計(jì)數(shù)下降沿常開(kāi)觸點(diǎn)，通過(guò)“MOVE”指令把“輥道脈沖計(jì)數(shù)”.DB_VAR1清零。

（3）西門(mén)子TP170觸摸屏可顯示多臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，為了方便設(shè)置參數(shù)及觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速情況，把觸摸屏安裝在現(xiàn)場(chǎng)PLC電控柜中，在觸摸屏上設(shè)計(jì)了輥道報(bào)警系統(tǒng)主畫(huà)面、轉(zhuǎn)速顯示畫(huà)面、報(bào)警選擇畫(huà)面，使現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)就能夠比較容易地判斷電機(jī)故障。

1）主畫(huà)面設(shè)置“電機(jī)最低轉(zhuǎn)速”參數(shù)，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速低于該參數(shù)時(shí)，“輥道運(yùn)行正?！敝甘緹袅痢！稗D(zhuǎn)速更新時(shí)間”顯示PLC程序內(nèi)部轉(zhuǎn)速更新時(shí)間，在該項(xiàng)目程序中設(shè)置了每60 s更新一次。同時(shí)設(shè)置了“轉(zhuǎn)速顯示”和“報(bào)警選擇”兩個(gè)輔助界面。

2）“轉(zhuǎn)速顯示”畫(huà)面可以同時(shí)顯示130臺(tái)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于主畫(huà)面“電機(jī)最低轉(zhuǎn)速”設(shè)置參數(shù)時(shí)，觸摸屏對(duì)應(yīng)該電機(jī)的表格開(kāi)始閃爍，同時(shí)集中輸出報(bào)警器開(kāi)始工作。頂部第一行數(shù)字與左邊第一列數(shù)字相加即對(duì)應(yīng)電機(jī)序號(hào)，對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速顯示在表格中。

3）“報(bào)警選擇”畫(huà)面用于電機(jī)報(bào)警輸出設(shè)置，頂部第一行數(shù)字與左邊第一列數(shù)字相加即對(duì)應(yīng)電機(jī)序號(hào)，需要相應(yīng)電機(jī)接近開(kāi)關(guān)投入檢測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí)，在畫(huà)面中按下電機(jī)序號(hào)的按鈕，此時(shí)按鈕將從“0”轉(zhuǎn)變成“1”，代表電機(jī)報(bào)警投入使用;選擇“0”代表電機(jī)報(bào)警未投入使用。

3? ? 效果評(píng)估

西門(mén)子PLC功能強(qiáng)大，但在實(shí)施過(guò)程中也遇到了許多問(wèn)題，比如在剛開(kāi)始設(shè)計(jì)接近開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)盤(pán)時(shí)測(cè)試板較小，檢測(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速不準(zhǔn)確，最后把接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)塊加大到1/2連接軸，才解決了轉(zhuǎn)速檢測(cè)不準(zhǔn)確的問(wèn)題。現(xiàn)場(chǎng)工況惡劣，溫度高，油污重，也給電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)帶來(lái)了一些問(wèn)題，這還需要在檢測(cè)元件這一塊提高可靠性。但是，通過(guò)近半年的攻關(guān)，該系統(tǒng)已經(jīng)能夠可靠使用，為我廠減少產(chǎn)品質(zhì)量缺陷提供了可靠保障。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 西門(mén)子（中國(guó)）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).深入淺出西門(mén)子S7-300 PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

收稿日期：2020-04-27

作者簡(jiǎn)介：陳文武（1981—），男，江蘇江陰人，工程師，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。