基于OMRON系列PLC的钢锭模型控制设计

张继红，吴振奎，李含善

（1. 内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，呼和浩特 010051；2. 内蒙古科技大学 信息工程学院，包头 014010）

0 引言

产品加工过程的自动化是实现产品高质量、生产高效率的重要措施，也是减轻工人劳动强度、降低工人技术等级要求的有效方法[1]。然而，工业现场类似钢锭模型加工的中小企业，大多数的加工过程仍是一种半自动化或纯手动的控制方式。对高质量产品的加工主要依靠具有多年操作经验的熟练工人或高级技工来完成。尽管如此，还有个别产品零部件的加工不能满足设计指标要求。从而造成物质上的损失和经济上的浪费。相反，经数字化处理的控制系统，可以充分利用计算机的快速检测，精确计算等优点，很容易实现对整个加工过程的检测与控制。由于采用计算机智能控制技术，因而使钢锭模型的定位、切割、称重、焊接、成品检测等均在程序中预先精确设定，从而实现了高效率、高精度的自动化生产模式。

图1 控制系统硬件结构图

1 工作原理

钢锭模型的生产流程由送钢、定位、切割、称重、焊接及成品检测六部分组成。送钢是由送料小车前后移动来实现，当钢锭移动到合适位置时，限位开关动作，这样，送钢得以实现。定位功能是通过传送带的移动、配合光电传感器实现定位，主要为下一步的剪切工作作好准备。剪切部分是通过超声波传感器测定长度，当通过剪切台移动使钢锭达到预先设定长度时，剪切小车动作，将钢锭剪切成指定的长度，然后旋转剪切台，再剪切宽度。焊接部分是将四个夹口分别焊在钢锭的四周，以满足工艺要求。因为该产品主要用于军工装备配套部件，所以本设计中还采用红外探伤技术来检测焊接处及钢质是否有缺陷；称重是再一次校验产品的合格性手段，是红外线探伤的一种补充。检验过程中如果不满足设计要求则报警提示，并将检测的正常数据或报警信息上传到集控室供设计者分析、处理。

2 硬件设计

本系统中央处理单元选用OMRON公司CPM2AH-20CDR-A型 PLC，它是一种结构紧凑、高速存取信息的可编程控制器。在一较小单元内综合有各种功能：包括模拟量/数字量输入、输出、同步脉冲控制、中断输入、时钟以及通信功能等。本机含有12点+24V输入和8点继电器输出端，同时带有一个 RS232C物理接口和一个外围接口，使用这两个接口都可以与上位工控机或带DB9/RS232串行口设备相连，实现通信功能。

集控室上位机选用台湾研华生产工控机，该机性能良好，抗干扰能力较强。显示软件选用北京亚控公司组态王6.52，它的特点是选择与之配套设备类型丰富，接口兼容性好。这样，对于钢锭模型的加工控制除了现场手动操作外还可以实现自动控制。一般情况下均工作在自动控制状态下，手动操作仅作为备用或在作特殊调试功能处使用。

图2 控制系统工艺软件流程图

此外，本系统还扩展了数字量输入模块1块。主要功能为实现系统正常启动、正常停车、复位以及紧急停车、送料到位、定位以及成品是否合格等信号的输入。模拟量输出模块2块，功能为实现剪切时的长度计量和称重功能。系统具体硬件设计如图1所示，图1中CPM2AH为中央处理单元， CON1为编程与通信电缆，20EDR-1、AD041-1、AD41-2分别为数字量输入与模拟量输入扩展模块。A/H为自动与手动切换信号。CSI、WSD、FSD分别为系统控制信号输入、工作状态显示和故障状态显示。DSI1、ASI1、ASI2分别为其它数字信号输入、模拟信号输入1和模拟信号输入2。

3 软件设计

3.1 初始化及主程序

系统上电后，PLC在第一个扫描周期内分别对工作参数、时钟中断、计数器、定时器以及对于通信端口进行初始化。主程序的功能为循环扫描数字量输入信号、模拟量输入信号以及调用子程序等。设备启动后，首先选择控制方式为自动/手动，如果选择自动，则PLC根据预先设定模型尺寸移动钢锭位置，然后进行剪切操作，最后检验产品是否合格，若检验产品不合格则要报警显示。相反，如果选择手动操作，则PLC将接受现场工人的操作指令，按照操作指令对钢锭进行处理以满足设计要求。一般情况下，手动控制仅仅是对钢锭的简单处理、精度要求不是很高的场合，主要依靠熟练的或具有多年工作经验的操作工完成，显然这种控制模式运行效率不会很高。钢锭模型工艺控制系统软件设计流程如图2所示。

3.2 故障检测程序

工程实践表明，可编程逻辑控制器的外部输入、输出元件（如限位开关、接触器）的故障率远远高于可编程逻辑控制器本身的故障率，而这些元件故障后，控制器一般不能觉察，也不会自动停机，这样可能使故障范围扩大，直到强电保护装置动作后停机，有时甚至可能引起设备损坏或人身伤害。为及时发现和查找故障，提高维修效率，特别地在软件中设置故障检测程序。

1）超时检测：控制系统在各自工步的动作所需时间几乎是不变的，以此时间值为参考，在控制器发出信号后计时，若在此工步的时间允许范围内没有收到结束信号，则控制器停止正常的循环程序，启动报警和故障显示程序，使工作人员和维修人员能够快速判别故障种类并及时采取解决措施。

2）逻辑错误检测：系统正常运行时，控制器的输入、输出信号和内部信号之间存在着确定的关系，若出现异常的逻辑信号，则说明出现了故障。例如在切割与焊接的启动过程中有一定顺序逻辑，不可能同时为高电平。因此，在程序的设计时充分考虑了系统的逻辑关系与错误检测，尽可能地保证系统工作的有序性与合理性。

4 系统抗干扰设计

硬件方面：对PLC及扩展模块进行了电源净化处理、通信线缆采用双绞屏蔽线，同时还对系统的接地进行了相应的处理。

软件方面：

1）延时确认功能：一般情况下，对于数字量输入信号，可采用软件延时25ms，同一信号作两次读入才认为是有效的。

2）屏蔽干扰功能：对于系统中预知的控制电机和电磁铁动作，往往伴有干扰信号产生，可能使控制器误动作，在此期间可采用延长2s的办法，躲过干扰易发期，从而达到屏蔽的效果。

3）滤波处理功能：控制器对模拟量的采集信号进行了相应的滤波处理。例如，对钢锭尺寸定位、称重等数据的采集进行了“求平均”、“去极值”等处理措施，从而有效保证了数据的可靠性与真实性。

5 结论

钢锭模型控制系统已于2010年初调试完备并成功应用于内蒙古某机加工车间，经数月试运行得出如下结论：

采用性价比较高的OMRON公司PLC作为中央处理单元，并设计了控制器硬件和软件两方面的抗干扰措施，因而数据采集准确可靠，系统运行性能优良；该设备兼有手动操作和自动控制两种方式，大大提高了系统的可操控性与灵活性；系统的失误操作或运行故障均设置提示用语和报警信息，有效缩短了查找和排除故障时间，提高了效率；设计中采用的红外探伤与称重校验，是对钢锭质量的再一次全面检测，从而更进一步保证了该系统的产品质量；试运行的结果证实了方案的正确性、合理性与可行性，具有推广应用价值。

[1] 张继红,张江红.8031单片机在C616车床改造中的应用[J].机械工程与自动化,2006(5):94-95.

[2] OMRON COMPANY.CPM1/CPM1A/CPM2A/CPM2AH/CPM2C/SRM1(-V2) PLC.MANUAL,2003,12.

[3] SIEMENS SIMATIC S7-200 PLC MANUAL.2010.

[4] 殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护[M].北京:机械工业出版社,2002.

[5] 宫淑贞,王冬青,徐世许.可编程控制器原理及应用[M].北京:人民邮电出版社,2002.