基于GE PLC的剪切机自动控制系统设计

王丹丹

（武汉工程大学 电气信息学院，湖北 武汉 430070）

0 引言

液压剪切机是一种对废旧钢材进行处理的重要机器，整机由剪切机部分、液压传动系统和控制台3部分组成。用液压传动系统作为能源来剪切大型废旧钢材，相对于机械传动来说不仅能够传递更大的动力而且磨损较小。剪切机日常使用时是以操作台手动控制为主，为避免剪切能力不足、油压过极限等意外情况的发生，操作人员必须随时密切注视现场的机器操作，通常需要熟练的操作人员才能胜任，无法提高工作效率。为此本文设计了一套基于PLC和触摸屏的剪切机自动控制系统，用触摸屏来显示整个系统的操作，以GE公司PLC作为控制器，并备有报警提示以提醒操作员设备当前的运行状况，从而减少机器的磨损和损坏，提高工作效率。

1 废旧钢材液压剪切机自动控制系统

本系统使用的剪切机能力为4×104N～105N，剪切宽度10 000 mm，剪切速度4.3次／min，操作控制采用逻辑控制。剪切机的主要动作为送料、横推、前推、顶部翻盖闭合、压紧、切断并重复循环动作。

具体工作过程［1］如下：首先将原料送入机器中间的槽床中，先横推压紧，再顶部翻盖闭合，然后前推至接近剪刃，接着剪刃前的重锤落下将原料压紧，重锤拉起，再前推一个单位量（大约为重锤一次能压紧的原料的长度），剪刃剪切，之后重复各项操作直至前推至接近压紧锤可以准备开始下一次剪切。

一台金属液压剪切机要完成一次完整的剪切动作需要8台主电机分别带动2台液压泵以促进油路循环产生强大液压来推动。手动操作方式中，控制人员在操作台利用控制按钮对系统中的液压泵进行启停控制，由液压泵运行向油管中注入或者抽出油液，利用液压产生的压力变化转化为动能来推动剪切机的主要部件完成指定动作。

剪切机自动工作方式即在PLC和触摸屏的监控下，在满足相应启动条件时按顺序启动电机和液压泵以及电磁阀，向油管中注入（抽出）液压油带动油路循环产生液压力，再以此为动力推动剪切机完成规定动作。液压剪切机的控制系统包括各设备故障报警及复位、手动与自动方式切换、循环泵控制、加热器控制、冷却风机控制、8台主电机启动控制、16台电磁阀和液压泵控制、2台油循环电机和2台冷却用电机控制、剪切各动作极限控制、液压油和润滑油温度和油面位置、压力参数的检测和调节等等。

2 控制方案的设计

2.1 硬件系统框架

硬件系统设计基于PLC的监控系统，在保持操作台原控制方式的基础上，增加一套触摸屏HMI监控系统，与原模式互备操作。设计的硬件系统框架如图1所示，由上位机和下位机两层框架组成。下位机以GE Fanuc 90－30系列PLC为核心，其位于PLC柜中，配有2台循环泵、2台冷却泵和加热器控制柜以及8台主电机控制柜；上位机选用触摸屏，以实现对系统的组态监测和控制。触摸屏和PLC采用工业以太网连接，PLC和操作台之间采用GENIUS总线（即远程I／O模块）连接。

2.2 硬件结构组成

上位机是带控制功能的触摸屏（简称Quick Panel Control），它将控制和可视化集成在一个平台，提高了生产效率并降低了成本。本系统利用GE Fanuc系列90－30 I／O接口卡和PLC相连。

下位机由CPU模块、网络接口模块、远程通讯模块和远程I／O 模块组成。CPU 型号为IC693CPU374；GENIUS BUS模块IC693BEM331和远程通讯接口模块IC200GBI001构建GENIUS网络；把VERSAMAX I／O模块组作为远程I／O模块，其中包括电源模块、1个32点数字量输入模块和1个32点数字量输出模块以及1个8点模拟量输入模块。远程I／O模块作为GENIUS网络中的一个站点，能实现对现场设备的控制和管理。

执行器包括系统中的动作元件，如电机、油泵、电磁阀、循环泵、冷却泵和加热器等。

传感器包括液压油和润滑油的温度、压力、油面参数测量装置，以及剪切机动作极限测量装置。

图1 系统硬件结构框图

3 监控系统软件设计

基于系统硬件的选型，使用了通用公司的组态软件Proficy，完美地实现了PLC与触摸屏的互连，它提供了Proficy view（即QuickPanel触摸屏编程软件）和Logic Developer－PLC（即PLC编程软件）集成的开发环境。

3.1 下位机软件设计

下位机采用梯形图对PLC进行编程，实现对液压剪切机模拟量和极限参数的采集以及执行器的自动／手动控制，并且实现和上位机的正常通讯与连接，以达到监控剪切机正常工作的目的。

本系统是一个多工步的顺序控制系统，剪切机工作程序主体部分由送料、压紧、横推、半盖、切断5个功能模块构成，由对应的程序模块控制，可运用模块化程序结构实现。

3.2 上位机监控软件设计

上位机人机界面功能包括控制操作、显示、数据管理、报警、日志管理和管理权限。本系统中上位机软件设计部分［2－6］采用 GE Fanuc的 Proficy TM Machine Edition 5.5。

监控系统的软件主要包括以下功能模块：

（1）人机对话：实现监测剪切机的运行状态、人机对话功能并提供友好实用的用户操作界面。

（2）图形界面：包括运行状态动态仿真主画面、故障报警画面、工艺画面和液压系统画面等。

剪切机监控系统工艺画面如图2所示。图2中，剪切机各动作指令的发出和极限控制均有指示灯显示，指示灯的开启和关闭状态由软件内部数据库对应数据变量的值来决定。当PLC和触摸屏实现正常通讯连接时，组态软件实时数据库的变量会和PLC的输入输出接口或寄存器连接并相互对应。以送料为例，有“送前进、送后退、送前进限、送后退限”4个指示灯，送前进的信号来自于PLC软件程序驱动。如果PLC的送前进信号输出为ON时，组态软件实时数据库的对应数据变量值也成为ON，工艺画面中的指示灯会显示亮。

图2 剪切机监控系统工艺画面

剪切机液压系统如图3所示。中间容器为液压槽，用以存放液压油。液压传动系统是剪切机的动力机构，包括8台带动液压泵的主电机（M1～M8）和16个控制油路出入的电磁阀（No.1～No.16）。1台主电机的启停和相应电磁阀的动作可以完成剪切过程中的一个动作执行功能。当电磁阀动作时对应的指示灯的状态也发生改变。

图3 剪切机液压系统

4 结论

采用触摸屏和GE PLC构建了废钢剪切机的自动监控系统。该系统实现了剪切机在现场和上位机上的自动控制，从而避免了剪切机的误操作，提高了剪切效率。该系统已经在某金属资源公司废旧钢材剪切机工程改造中得到了应用，其操作简单、灵活、直观、可靠，可以很好地满足液压剪切过程的自控要求。

［1］ 王玉英.微型剪切机动作原理及应用［J］.吉林工学院学报，1990，11（1）：81－83.

［2］ 万波，王新鹏，张明.工控组态软件CIMPLICITY及应用［J］.电力自动化设备，2002，22（8）：19－21.

［3］ 韩志超，桑斌修.PLC与触摸屏的实现和运用［J］.国内外机电一体化技术，2006，9（3）：53－55.

［4］ 马国华.监控组态软件及其应用［M］.北京：清华大学出版社，2001.

［5］ 邹进，甘永梅，肖煦媛，等.触摸屏控制系统组态软件设计与实现［J］.工业控制计算机，2005，18（1）：38－41.

［6］ 丁时锋，李清香.基于PLC的板料液压剪切机系统设计改造［J］.液压与气动，2007，7（7）：70－72.