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案例详细
标题基于PLC和变频调速的密封条尺寸控制系统
技术领域
行业
简介利用PLC和变频器对已有的手动尺寸测量系统进行改造，将其改造成自动的尺寸测量控制系统，实现了尺寸显示、转速控制、超差报警等功能。并分别对PLC和变频器作了详细介绍。
内容
        密封条被广泛的应用于各种门窗中（如汽车、船舱和家庭等），随着汽车市场的扩大，密封条的需求量也会越来越大；而且各种使用场合，对密封条的要求越来越高，因而对产品尺寸要求也越来越严格。现在的尺寸自动测量控制系统多数应用在金属行业，而密封条等非金属由于软、缩胀比等造成测量不易，所以对其尺寸控制的研究还处在一个初级阶段。当前密封条尺寸测量控制系统基本处于手动测量阶段，它存在以下缺点：劳动强度大，测量结果受劳动者影响较大；测量过程中不能及时反馈，影响产品的质量；生产效率低，原材料利用率低；工作环境比较恶劣。采用在线测量及PLC技术并结合变频调速后，能实现挤出机转速自动调整，从而自动控制密封条尺寸，保证产品质量具有重大的实际意义。
1        总体设计
        密封条的生产工艺过程：先将原材料进行粉碎，成颗粒状。进行加工时，将原料通过加料口加入，然后通过挤出机将密封条挤出。从挤出机挤出的密封条根据材料的不同要分别通过传送带送入烘烤箱进行烘烤固化而定型（如橡胶制品）或经过水槽冷却成型（如PVC制品）。
1.1 设计要求
        每条生产线有两台电动机，分别控制挤出机和牵引机的转速。要求是在电机启动前先输入两电机分别对应的转速，然后启动电机，电机启动后测量密封条的尺寸，测量的尺寸跟要求的尺寸进行比较，如果在公差范围内，则继续生产，如果超出了公差范围，则只调整挤出机上的主电机的转速，而转速调整要求逐渐增加，而不能突变，最终使产品合格。并要求完成尺寸显示、转速显示、超差报警等功能。其中要求测量的尺寸范围为0.1～25mm，尺寸公差为±0.01mm。
1.2 总体设计方案
其总体设计结构如图1所示：
        该系统包括三大模块：光学测量模块、PLC控制模块、变频调速模块。其中由于密封条的原材料是橡胶、塑料或二者的混合，这样在测量时就要采取一定的措施。密封条从挤出机挤出时，温度高且比较软，从而不能采取传统的测量方法，只能采用非接触测量方式，利用光源和光电耦合器件来组成光学系统，对密封条的尺寸进行测量[1]。从光学测量系统测出密封条的尺寸，并经过滤波、放大等处理，然后将测得尺寸值送入PLC与要求的尺寸值进行比较，根据比较的结果来调整变频器的输入电压，从而调整变频器的频率，通过变频器频率的变化来调整电机的转速。如果测量值大于理论要求的值，则降低输出电压，反之，则增加输出电压。最终使尺寸在公差范围内，满足生产的需要。


图1  系统结构图
Figure 1  system structure
1        变频调速
        变频器采用原厂已有的嘉隆变频器，这样可以降低改造成本，而且也便于厂家的使用。变频器的控制可以采用模拟量0～5V,0～10V或4～20mA。考虑到要由PLC来控制，并且便于控制的实现，最后采用了0～5V的模拟量输入[2]。
其中电压与频率对应关系曲线如图2所示：


图2  电压频率曲线
Figure 2  curve of voltage and frequency
        由图可知电压与频率之间是线性关系，这为整个系统的控制提供了很大的方便。
1        PLC控制模块
        PLC控制模块是控制系统中很重要的一个模块。其中包括型号的选取、软件的编写等。
1.1 PLC类型及型号的选择
        目前国内外各生产厂家生产的PLC产品品种繁多、型号各异、规格也不统一。根据使用要求，尤其是根据性价比，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC。由于密封条尺寸测量控制系统的输入、输出点数不是很多，又考虑到应增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能，采用FX2N-16MR-001型号的PLC，I/O(输入 / 输出)点各为8个。由于变频器的输入为0～5V的模拟量输入，所以PLC需要加一个特殊功能模块D/A转换。为此选用FX2N-4DA的功能模块，此功能模块有4路模拟量输出[3]。因为有两台电动机，这可以满足生产的需要并留有一定的裕量。
3.2 软件部分
        软件部分主要是通过应用FXGPWINV330的三菱 PLC编程软件进行编程，并采用了模块化的设计思路，来实现对变频器转速的调整。其主程序的的流程图如图3所示：
其中初始化主要完成产品型号及对应的主电机与牵引电机的转速的输入。


图3 软件流程图
Figure 3  flow chart of the software
        电压与频率的线性关系的PLC指令程序如图所示：
1        结论
        控制系统已投入使用，其运行的可靠性和稳定性得到验证。控制系统不仅使手动控制变为自动控制，降低了劳动者的工作强度，提高了生产效率，降低了生产成本，而且优化了工作环境，并为将来进行分布式控制作好了铺垫。
参考文献：
[1] 王庆有.CCD应用技术[M].天津：天津大学出版社，2000.
[2] 嘉隆变频器JVF-A使用手册[M].嘉隆变频器厂家.
[3] 俞国亮.PLC原理与应用（三菱FX系列）[M].北京：清华大学出版社，2005.