PLC和变频技术在自动化车牌生产线中的应用

吴 昊 王亚丽 李文广 肖永飞 刘成业

(山东省科学院自动化研究所，山东 济南 250014)

0 引言

近几年，汽车行业在我国迅猛发展，汽车的普及率也逐年提高，相应地也增加了对车牌半成品的需求。目前国内车牌半成品大多采用手工生产或单工位半自动化生产，需要的操作人员较多，劳动强度较大，并且生产质量不能保证［1］。随着自动化技术的不断推广，生产效率的不断提高，将一些旧的设备通过改造，变成全自动的生产线势在必行。通过改造，能对旧设备加以利用，降低新生产线投入的成本，为企业减轻负担。

在现代工业控制中，PLC、伺服系统、触摸屏等综合应用非常广泛，PLC和变频器等都具有功能强、可靠性高、使用灵活方便的特点［2］。车牌半成品自动化生产线应用PLC和变频控制技术，采用集中管理、分布控制的方式。改造完成的生产线实现了由铝卷材开卷到半成品冲裁整个生产流程的全自动化。系统投入使用后，性能稳定、操作方便，大大提高了工作效率，降低了成本。实际应用验证了此控制系统具有很高的实用价值和推广价值。

1 生产线的系统设计

1.1 生产线系统构成

生产线系统主要包括以下设备:送料、矫平机→清洗烘干机→覆膜机→伺服送料机→60 t冲床→收料机。此生产线具有高效率、速度快、操作简单等优点，适用于大量生产车牌制作。系统组成如图1所示。

图1 生产线组成及布局图Fig.1 Conposition and layout of the production line

车牌半成品自动化生产线主要完成的工作是将定制的铝带卷在开卷和矫平工位展开、矫平和送料;之后经过清洗烘干机进行清洗烘干，此步骤完成后即可对清洗干净的铝带进行覆膜。铝带未进入覆膜机前应先经过纠偏装置，以保证反光膜与铝带能平行前进，保证覆膜的质量。最后由伺服送料系统将覆膜完成的铝带输送到60 t的冲压机上进行冲压，形成车牌的半成品。在伺服送料的前端也要有纠偏装置，使铝带能保持相同的状态进入到冲床工位，降低废品率。车牌半成品随着输送带输送到收集工位，而冲床上加工剩下的铝带废料由自动收料机回收，整个生产线动作结束。自动废料收集设备是根据传感器信号以及变频器来调节电机的速度，并且具有拉紧废铝带的功能。

由于本项设计是在已有设备的基础上进行改造的，所以会针对已有设备的情况进行单台设备的改造，并最终组合成全自动生产线。已有设备为半自动清洗烘干机、半自动覆膜机和半自动冲床，需人工监视工作状况，手动控制电机的启停。需要外购的设备为开卷矫平机、冲床前端的伺服送料系统和自动收料机。

1.2 现有设备的改造

现有设备均为半自动产品，只能手动控制。现有设备的改造包括三部分:清洗烘干机的改造、覆膜机的改造和冲床的改造。下面分别对三台设备的改造进行说明。具体的清洗烘干机改造电气原理如图2所示。

图2 清洗烘干机电气原理图Fig.2 Electrical schematics of cleaning and drying machines

已有的半自动清洗烘干机由三台电机来控制整个设备的工作过程。其中两台是同步动作的，电动机通过减速机传动给驱动链轮轴，驱动链轮轴上的链轮带动辊子转动，辊子再通过摩擦力带动铝板向前移动;第三台电动机则是通过链条来带动加热的烘干网转动，同时带动铝板向前移动［3］。旧设备不能根据实际情况自动调节清洗速度以及自动启停，经改造后，由一台变频器同时控制两台电动机的启动、停止和速度控制。电机不能同步调节对电机、机械损伤影响很大［4］。由一台变频器控制两台电机时，变频器的额定功率选择至少为两台电机容量总和的1.2倍，并且各电机回路需要有相应的过载保护元件。

已有的覆膜机共有两个主动辊子，其中一个主动辊负责将反光膜与铝板压实，另外一个主动辊负责将反光膜的废底纸回收。覆膜机由一台电机来控制工作过程，电动机通过两个链条减速机将运动分别传动给覆膜机的两个主动辊。一个辊子通过摩擦力带动铝板向前移动，并将反光膜压实;另一个辊子通过自身的转动将废弃底纸回收。该设备经改造后，分为自动和手动两种操作方式，当切换到自动方式时，覆膜机可以根据前端冲床的工作速度来调整自己的覆膜速度，由变频器来控制电动机的启动、停止和速度调整。

已有的冲床不能对一个冲压循环进行时间控制;不能自动启动离合器，完全由操作人员手动操作;不能连续冲压，只能对一块半成品车牌进行冲压。该设备经改造后，在其前端增加了伺服送料系统，送料系统能根据需求自动调整送料速度。当伺服送料系统完成一个车牌长度的送料操作时，将会给PLC总控制系统发送一个信号，由PLC总控系统来判断是否启动冲床冲压操作。另外，在冲床上安装了变频器，以控制冲床上带动飞轮的电机速度。

1.3 变频器的控制

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备;根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等。变频节能电动机使用变频器的作用就是为了调速并降低启动电流。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。变频器进行无级调速有其独特的优点:传动机构简单，设备体积小;线路简单，操作方便;电动机启动平滑，低速传动平稳，过载能力强［5］。

在没有调速的系统中，风机、水泵在工频状态下全速运行，容易形成“大马拉小车”的现象，造成能源浪费［6］。控制系统以PLC输出控制变频器外部端子作多段速切换，以充分利用变频器的先进功能。这样的系统安全性高、操作方便、自动化程度高［7］。

在调试和使用过程中，变频器的参数设定至关重要。若参数设定不当，将导致启动、运行和制动的失败，或在工作时频繁跳闸，严重时会烧毁智能功率模块或其他整流器件等［8］。

确定变频器容量的主要依据是输出电流，其原则为:变频器的输出额定电流应不小于电机的额定电流，但在连续的变动负载或断续负载中，因电动机允许有短时间的过载，而且这种过载的时间经常超过变频器一般允许的1 min，故应考虑选择变频器的额定电流不小于电动机运行过程中的最大电流［9］。

1.4 工作节拍

整个生产线节拍由冲压机决定，以冲压机为分界线，冲压机的前端设备自动进行节拍随动输送，冲压机的后端设备根据冲压机输出的废料进行调速运行。

设备自动运行时，冲压机处于连冲模式。在每个冲压循环中，伺服送料机构输送440 mm(一个车牌长度，可微调)，若以6 s生产一个车牌计算，则生产速度为4.4 m/min。冲压机前端的覆膜机和冲压机之间有过渡桥，覆膜机根据过渡桥的信号来控制自身电机的启动、停止和调速，进而调整所供应的铝板的数量;覆膜机前端的清洗机和覆膜机之间也有过渡桥，清洗机和覆膜机之间的动作也是通过过渡桥的信号来达到协调统一;开卷矫平机与清洗机之间亦是通过过渡桥来实现信号之间的传递;冲压机后端的废料回收机根据过渡桥的信号来收集废料。最终整个系统均以同样的速度运行，并且受PLC中央控制系统统一控制，不会出现送料不及时或板料堆积的情况。

2 生产线的控制系统

控制系统配有操作台，单元操作面板上有上电按钮、自动运行和急停按钮等，上电后可对系统进行整体控制。整个控制系统主要分为人机界面、PLC、变频器和信号采集系统等。

整套控制系统的人机界面、PLC和变频器等主要设备均采用台达的相应产品，人机界面和PLC等安装在总控制柜上，而变频器则安装在相应设备的独立控制箱里。操作人员在人机界面上对系统的运行参数进行设定。触摸屏操作界面分手动操作、自动操作、故障复位、参数设置、I/O状态显示、报警信息显示、事件消息显示和生产数据显示等。通过触摸屏，操作人员能够快速对设备进行操作，可以实时、直观地监控设备的生产情况。当把参数设定完成之后，即可把各设备切换到自动档位，等待由PLC总控系统统一协调各设备的动作。该控制系统采用台达DVP-SS2系列PLC作为全自动生产线核心控制单元。PLC通过信号采集系统对整个系统的信号进行收集和逻辑处理，最终形成一些指令并分发给各个设备，使整套系统完成全自动的、协调的生产。

3 系统的软件组成

在进行软件设计之前，需要考虑整个控制系统功能执行过程和通信过程。系统软件设计主要由两部分组成:①触摸屏，用于实现实时数据、系统状态和报警信息的显示，以及操作人员对整个控制系统参数的设定和修改;②PLC，它是整个系统数据交换和处理的中心，主要功能是数据格式转换、报警判断、输出显示和整套系统的协调。

3.1 触摸屏的组态

触摸屏的整个组态工作主要包括工作流程区域、设备状态区域和报警处理区域等设计，以及各种操作按钮、显示画面和功能键的实现等［10］。触摸屏的变量输入、信息显示和操作画面的定义等操作功能，由台达公司的Screen Editor组态软件来完成。

全局变量带有PLC链接，是实现触摸屏和PLC之间数据交互通信的联系纽带，它在PLC上占据一个已定义的存储器地址，用户可以在操作器单元上对该地址的变量进行读写访问。

3.2 PLC 程序设计

传感器和伺服系统属于检测和执行部分，它们实时采集各种需要的信号并传入PLC，同时将PLC输出的数字信号或模拟信号转换成传感器和伺服系统的操作。本系统采用台达的配套编程工具WPLSoft 2.20，完成CPU的硬件组态、参数设置、编程、测试和调试。

PLC主要完成以下几个控制任务:①通过传感器采集底层设备状态，实时监控整个系统的状态;②根据传感器上传的设备状态，协调各设备的动作顺序，通过变频器控制底层设备，进行正确的启动与停止过程控制;③与触摸屏的实时交互操作。

4 结束语

在实际使用过程中，车牌半成品自动化生产线工作稳定可靠、编程功能强大且易于修改维护。对于车牌的尺寸，在基于伺服送料的自动控制系统作用下，可以任意调节车牌长度，适合不同型号的产品，满足了预期的效果。经具体生产过程验证，在车牌半成品自动化生产线上安装PLC和变频器，提高了车牌生产效率，方便了现场操作人员的人工操作，减少了生产人员投入，降低了生产线的耗电量，达到了节能的作用。基于台达PLC和变频器的自动控制系统，具有人机界面友好、维护方便、成本投入低的优点，对车牌半成品的生产产生了较大的社会效益和经济效益。

［1］潘永平，王钦若，张慧.车牌自动生产线网络控制系统设计［J］.微计算机信息(测控自动化)，2007，23(1):61-63.

［2］陈元招，陈北荣.三菱Q系列PLC在电子轴凹印机的应用［J］.自动化技术与应用，2011，30(8):60-62.

［3］孟祥伟.对平板烘干机传动方式的改进［J］.中国油脂，2000，25(2):40-42.

［4］李忠民，夏侯洪波，姜锐，等.6SE70变频器在高炉料车系统的应用［J］.电气传动，2011，41(2):51-53.

［5］李志良，周云水.变频器在特种设备中的应用研究［J］.电气传动，2009，39(8):3-6.

［6］李克忠，岳勇.变频技术在锅炉供暖系统改造中的应用［J］.山西建筑，2012，38(2):117-118.

［7］许斌，景红云.基于PLC和变频器的成品料提升装置控制程序设计［J］.筑路机械与施工机械化，2008(9):73-77.

［8］杜凯，王艳春.变频器参数设置与调整、制动配件选择及现场问题分析预防与处理［J］.冶金电气，2010(2):66-70.

［9］张大磊，李媛媛.基于PLC变频器的煤矿轴流风机改造［J］.煤矿机械，2011，32(6):192-195.

［10］孙兵，赵斌.触摸屏在CC_Link现场总线控制系统中的应用［J］.自动化与信息工程，2007(1):21-23.