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摘要 :介绍了 PLC 和 POD 在钢板预处理线中的应用 ,实现对预处理线多种规格的钢板表面的抛丸除锈 、喷漆烘干等功能 。 由于采用富士 U G221 H - L R4 POD ,可与 PLC、温控仪及变频器通讯 ,可用于数据给定 、运行监控 、报警显示 。 系统具有安全可靠 、高效平稳 、功能完善 、操作维修简便等优点 ,在工厂自动化中取得了显著的经济效益。
关键词 :可编程控制器 ;触摸屏 ( POD) ;温控仪 ;抛丸除锈 ;喷涂烘干

1 引言
钢板预处理是指钢板在加工前 (即原材料状态) 进行表面机械抛丸除锈并涂上*层保护底漆的加工工艺。 钢板经过预处理可以提高机械产品和金属构件的抗腐蚀能力 ,提高钢板的抗疲劳性能 ,延长其使用寿命 ;同时还可以优化钢材表面工艺制作状态 ,有利于数控切割机下料和精密落料 。
2 控制要求
钢板预处理线由输送辊道、抛丸室、喷漆室 、烘干室组成 ,辊道较大宽度 3 m ,较大传送速度 5m/ min ,分成抛丸室辊道 (辊道 1 段 ,1 台 5. 5 kW的电机驱动) 和喷漆室 、烘干室辊道 (又分成辊道2 段 、辊道 3 段和辊道 4 段 ,分别由 3 台 3. 7 kW的电机驱动) 2 个部分 ,两部分既可同速度运行 ,也可以不同的速度运行 ,待处理的钢板宽度从 1m 至 3 m ,喷漆室里在处理的钢板上方和下方各有*支喷枪 ,喷枪作高速往复运动 ,运动方向垂直于在钢板前进方向。 要求 :
1) 喷枪运动速度可在 POD 上进行任意设定 ,(较大速度 80 m/ min) ;
2) 喷枪运动时速度要尽可能均匀 ;
3) 喷漆宽度 1 m 至 3 m 可调 ,喷枪运动左右起止点可调 ,在运动左右起止点确定后不得有偏移 ;
4) 喷枪从左向右时喷枪不喷漆 ,从右向左时喷漆 ;
5) 为避免浪费价格昂贵的油漆 ,减小环境污染 ,应尽可能避免或少将喷枪喷出的漆喷在钢板之外的地方 ;
6) 为了节省电力和减少设备磨损 ,抛丸机应按实际处理钢板的宽度打开相应的抛头 ,在无钢板处理时 ,关闭不宜频繁启动的抛头和除尘电机以外的其它电机 ,超过*定时间 (时间可在 POD上设定) 抛丸机所有电机停止 ;
7) 输送辊道的运行可由自动或手动控制 ,其速度可在 POD 上显示和设定 ;
8) 烘干室分 3 个区进行加热 ,烘干温度实行PID 控制 ,可在 POD 上显示每*个区的实际温度( PV) 的数值 ,显示并改变每*个区的设定温度
(SV) 的数值。
3 控制方案的确定
钢板预处理线控制实际上可分为抛丸机和喷涂烘干线 2 部分 ,这 2 部分既有联系又相对独立 。经反复研究 ,决定用 1 台 PL C + POD 控制整个系统 ,PL C 通过 RS485 通信来控制辊道驱动变频器的速度 , PL C 通过 POD 与温控仪及压力调节器通信来控制烘道的温度和压缩空气出口压力。 控制框图见图 1 。

4 硬件配置及分析
4. 1 变频器选型
控制喷枪作高速往复运动的电机为 1. 5 kW ,因为该设备工作环境恶劣每天运行时间较长 ,频繁正反转 (每 1. 5～3 s 电机运转方向变*次) 而且要求加减速时间很短 ,因此 ,变频器必须是高性能和高可靠性的 ,经反复对比 ,富士电机的 G11S系列能满足这*点。 富士 G11 系列变频器具有动态转矩矢量控制功能 ,它的控制系统高速计算电动机驱动负载所需功率 、较佳控制电压及电流矢量 ,较大限度地发挥电动机的输出转矩 ,能配合负载实现较短时间内平稳加减速 ,它的低速性能超群 ,在 0. 5 Hz 时能输出 200 %高启动转矩 ;它的过载能力强 ,较大过载可达 200 % ;它有中文显示面板 ,便于操作和监控。 考虑到实际的工作情况决定把功率提高*档 ,选用 2. 2 kW 的 FRN2. 2 G11S - 4CE 型变频器 ,为了变频器能可靠制动 ,制动电阻的功率也适当加大 ,选用 1 kW ,160Ω 制动电阻 。
输送辊道运行较为平稳 ,考虑到台达 M 系列变频器具有较好的性能价格比 ,对环境适应能力强 ,可靠性较高 ,经济性较好 ,决定抛丸室输送辊道采 用 台 达 的 V FD055M43B , 输 出 功 率 为5. 5 kW ;而喷漆室、烘干室输送辊道采用 3 台台达的 V FD037M43B ,输出功率都为 3. 7 kW。
4. 2 传感器选型
检测喷枪位置的传感器拟用编码器 ,用增量型编码器控制精度较高 ,但在喷枪运动左右起止点不固定 ,而且难以设置回零基准点的情况下 ,每天上万次的往复运动会造成较大的积累误差 ,因此决定采用欧姆龙的绝对值型编码器。 用绝对值型编码器不会产生积累误差 ,虽然精度稍差些 ,但仍能满足控制要求。 提示有钢板进入喷漆室和钢板进或出的抛丸机用欧姆龙的 E2 E 系列接近开关。
4. 3 PLC 选型
4. 3. 1 PL C I/ O 点估算
1) 控制抛丸机的上侧 1～4 号抛头、下侧 1～4 号抛头及振打电机、除尘风机、横螺旋电机、纵螺旋电机 、提升电机、吹丸风机需 14 个输出点 ,反映它们的工作状况需同样数量的输入点 ,另外提示钢板进入抛丸机及钢板抛丸结束出抛丸机的光电开关还需 4 个输入点 。
2) 编码器和左右限位、自动\ 手动、自动运行、停止、手动向左 、手动向右和提示有钢板进入喷漆室的接近开关需占用 19 个输入点 ,而控制喷枪驱动变频器正、反转、喷漆电磁阀、喷枪报警信号灯需占用 4 个输出点。
3) 控制 4 个辊道驱动变频器及空压机驱动变频器需 6 个输出点 , 控制烘道循环风机和加热需12 个输出点 ,另外 ,还需 15 个输入点反映烘道循环风机、喷枪驱动变频器、辊道驱动变频器以及空压机驱动变频器的运行状况烘道加热的工作情况。
4) 需 2 路模拟量输入 (喷枪驱动变频器速度反馈和空压机输出压力反馈) 以及 1 路模拟量输出 (喷枪驱动变频器速度指令) 。
以上几个方面共需输入点 52 个、输出点 40个 ,还需 2 路模拟量输入及 1 路模拟量输出。
4. 3. 2 PL C 型号选择
喷枪往复运动的速度很快 ,在这种情况下要对绝对值型编码器的信号作出及时响应 ,PL C 必须具有较高的处理速度 ( PL C 要对绝对值型编码器的信号作出及时响应 ,对其信号作出及时处理 ,其扫描时间必须尽可能短 ,因为扫描时间 = 基本时间 (SPB 型 PL C 基本时间为 0. 20 ms) + 运算处理时间 ,而运算处理时间与程序的长短和内容相关) 。 经计算比较 ,富士电机的 SPB 型 PL C 可满足这*要求 。 (由于 SPB 型 PL C 运算处理速度很快 ,虽然程序超过 1 500 步 ,但 “ 自动运行”时较大扫描时间才 1. 4 ms ,作者在 PL C 选型时曾查到有*种 PL C 的扫描时间为 3 ms/ 500 步) ;富士SPB 系 列 CPU 处 理 速 度 快 , 其 基 本 命 令 为0. 44μs ;配备了大容量的内藏存储器 ,具有 211种类的丰富命令语句。 功能丰富 ,可适合广泛的领域 ;可直接联接触摸屏 ;其 I/ O 总数较多可达360 点 ,决定采用富士 SPB 的 N W0P60R - 31 +NW0 E32R - 3 + NWOAW03 - MR + RS485 ,它有 52 个输入点和 40 个输出点及 2 路模拟量输入以及 1 路模拟量输出 ,具备 RS485 通讯能力。
4. 4 POD 选型
设定喷漆宽度和喷枪运动速度、输送辊道的速度及其它的*些设置和调整如用 PL C 的输入点来实现会使 PL C 增加输入点 ,同时也使控制线路变得复杂 ,操作变得麻烦 ,使用触摸屏 ( POD)可使线路变得更简单 ,操作变得更方便直观。触摸屏 ( POD) 选用的是性能价格比较高的富士电机的 U221 H - L R4 。 它是 5. 7 ×5. 4 cm屏幕 ,2 色 (8 *灰度) ,320 ×240 像素点 ,可以编辑1 024个画面 ,并可以加存储卡储存数据 ,还可与多达 31 个的温控仪或变频器通信 。
4. 5 温控仪及压力调节器选型
由于烘干温度实行 PID 控制 ,决定采用温控仪加晶闸管调功器控制电热管的方法来调节水温。 经 比 较 , 温 控 仪 采 用 富 士 的 PXR9 -TE Y18VM ,它为 4～20 mA 输出 (控制调功器的输出电流) , 1 点报警 , 具有 PID 功能 , 有* 个RS485 通信口 ,能与触摸屏通信 ,可以有效地控制加热温度。压力调节器采用富士的 PXR9 - B E Y18VM ,
它为 4～20 mA 压力信号输入 ,4～20 mA 输出(控制空压机驱动变频的输出频率) ,1 点报警 ,具有 PID 功能 ,有*个 RS485 通信口 ,能与触摸屏通信 ,可以有效地控制空压机输出压力 。
5 系统实现的功能
钢板预处理线可分为抛丸机和喷涂烘干线 2部分 ,这 2 部分是既有联系又相对独立。 抛丸机控制流程图见图 2、喷漆烘干线控制流程图如图 3所示。

1) 在触摸屏上可设定喷枪运动速度 (从 0～80 m/ min) 和喷漆宽度 (0. 5～3 m 可调) 及喷漆电磁阀开关时机。 并可设定喷枪运动的范围 (软限位) 起止点。
2) 在 “ 自动\ 手动”旋钮在 “ 手动”挡时按 “ 手动向左”或 “ 手动向右”按钮可使喷枪向左或向右慢速移动。 当 “ 自动\ 手动”旋钮在 “ 自动”挡时 ,按下“ 自动运行”按钮时 ,按工作流程 ,如图 4 所示 。
3) 喷枪从开始运动到较高速 (80 m/ min ,此时变频器输出频率为 50 Hz) 加速时间为 0. 2 s ,从较高速减速到 0 的时间为 0. 1 s ,紧急制动时启用第二减速时间 ,此时为 0. 05 s。

4) 喷枪运动超出范围撞限位开关或编码器可能出现异常时 , PL C 发出信号使变频器紧急制动 ,报警蜂鸣器响 ,触摸屏显示相关信息 。
5) 抛丸机可根据要处理的钢板规格决定要打开的抛头对数 (*般在 2～4 对) ,在抛丸机无钢板处理时 ,输丸机构不开 ,其他机构空转 (因为抛头启动电流较大 ,不能频繁启动) ;输送辊道*为快速 ,而有钢板处理时 ,输送辊道*为慢速。
6) 所有设备必须在烘道到温时才能启动 ,而加热必须在对应的循环风机的正常工作后才能进行。
7) 在运行中 ,只有检测到钢板进入喷涂线时喷枪才以设定的高速运行 ,并且开始喷漆 ;而在无钢板时 ,喷枪以低速运行 ,不喷漆 ,这*方面节省了油漆 ,另*方面也减少了设备磨损。
6 程序说明
6. 1 PLC 程序说明
由于用了绝对值型编码器 , PL C 要对其信号作出及时处理其扫描时间必须尽可能短 ,因为扫描时间 = 基本时间 + 运算处理时间 ,而运算处理
时间与程序的长短和内容相关。 *方面尽可能压缩程序长度 (在程序中应用了步进功能 ( SC) ,它使程序变得简单 、可靠 、条理清楚 ,也使压缩程序长度变得可能) ;另*方面精心编排程序 ,减少程序中的运算量并使*些运算只在设定状态进行*次 ,在 “ 自动运行”时只扫描不运算 ,这样虽然程序有 1 400 步 ,但 “ 自动运行”时扫描时间在 1 ms 左右 (较大扫描时间 1. 4 ms , 较小扫描时间 0. 8ms) 。
在调试过程中发现在喷枪运动速度快时有时因为机械原因引起编码器失灵 ,此事件为*难以捕捉的随机事件 ,如不加以防范会造成机械损坏。
作者在程序中加了*个检测喷枪位置的程序 ,在自动运行过程中如 50 ms 内检测不到喷枪位置有变化或检测到喷枪位置变化太大 (前者可能是编码器不工作而后者可能是编码器坏了) , PL C 发出指令 ,变频器紧急制动 ,报警蜂鸣器响 ,触摸屏显示相关信息。
由于控制喷枪的电磁阀在接到 PL C 发出开和关的信号后动作时间有滞后 ,而且滞后的值在压缩空气的压力变化时也会变化 ,如不考虑这*因素会造成钢板漏喷或过头喷 (在无钢板的处喷漆或在已喷过处重复喷) ,用户要求喷枪从左向右时喷枪不喷漆 ,从右向左时喷漆 ,尽量避免造成漆的浪费 ,在整个生产过程中漆的消耗量与生产赢利多少甚至是否赢利关系很大 。 后来为此*方面在对空压机加了压力调节器 + 变频控制以后 ,减小了压力波动 ,另*方面还加了*段程序 ,操作工可在触摸屏页面上设置电磁阀开和关的时机 ,较好地解决了这个问题。
6. 2 触摸屏页面说明
开机画面为主页面 ,按页面任意*点进入下*页 ,这*页为选择菜单 ,按键可选择进入数据设定修改页面、操作页面、监控页面、报警画面或日期时间画面。进入数据设定修改页面需输入密码 。 在数据设定修改页面可设定如下数据 :1) 日期时间 ;2) 喷枪运动的起点或止点和软限位 (喷枪运动的范围) ;3) 喷枪运动的速度 ;4) 输送辊道的速度 ;5) 烘干室的加热温度 ;6) 空压机的输出压力 ;7) 喷漆电磁阀开关时机。
操纵页面可进行如下操作 :1) 烘干室循环风机的启动和停止 ;2) 烘干室加热装置开始加热或停止加热 ;3) 输送辊道的启动和停止 ;4) 抛丸机的启动和停止 ;5) 空压机的启动和停止 ;6) 喷枪运动的启动和停止。
监控页面可以显示抛丸机和烘干室 (加热装置和循环风机) 各个部分的工作状况 、空压机的输出压力、烘干室的加热温度 、输送辊道的移动速度 ,喷枪运动的速度和喷漆宽度。
在系统出现报警时 , POD 转到报警页面 ,该页面上显示报警原因和处理对策 。
应用户要求 ,触摸屏无操作时显示主页面 (内容为设备名和设备厂名信息及当前日期及时间) ,如有操作则在*定时间内 (0～3 600 s 之间可设定) 回到主页面 。 也可设定触摸屏为主页面与日期时间画面交替显示 。
7 结论
在近 2 年的生产过程中 ,钢板预处理线在恶劣的环境 (设备安装在咸水的江边 ,厂房四面透风 ,供电是发电机 ,电压和频率均不稳) 中运行良好 ,改善了钢板喷漆时常出现厚薄不匀甚至漏喷或重复喷的现象 ,获得了较好的经济效益。 PL C ,POD 及变频器以其出色的表现表明它们完全满足了生产控制要求 ,经受了考验 ,具有运行稳定 ,可靠性高 ,操作方便等特点 ,为钢板预处理线的长期、高质量的运行起到了非常重要的作用 。
参考文献
[ 1 ] 钟福金. 可编程序控制器 [ M ] . 南京 : 东南大学出版社 ,2002.
[ 2 ] 魏召刚. 工业变频器原理及应用[ M ] . 北京 :电子工业出版社 ,2006.