扭转机控制系统设计

杨红兵

(山西长城微光器材股份有限公司，山西 太原 030012)

光纤倒像器毛坯是由单根约6 μm 的光导纤维规则排列熔压在一起制成，将毛坯的中央区加热到软化温度以上，毛坯两端用机械方法绕器件中心轴扭转180°，使传输的图像成为倒立的图像，这就是光纤倒像器初步成品。光纤扭转机用来完成此项工作，其电气控制部分的主要对象包括三部分:电加热炉一台、交流伺服电动机一台、磁粉制动器一台。

1 控制系统的硬件组成

为使各部件协调工作，控制系统以西门子可编程控制器S7-200 系列产品中CPU224XP 为中心组成。系统组成框图如图1。

图1 系统框图

S7-200 系列PLC 具有功能强大的指令集，丰富的通信功能，全中文编程软件。输出接口的输出方式分为晶体管输出型、双向晶闸管输出型及继电器输出型［1］。本例CPU224XP 采用24 V 直流电压输入，继电器输出。CPU224XP的输入输出分配如表1。其中输入点7 个，输出点8 个。预留输入点7 个，输出点2 个。用按钮开关、转换开关、光电开关作为输入元件，用文本显示器TD400C 显示和修改参数。三组输出分别控制三路调节对象。第一组输出接交流伺服驱动器，控制交流伺服电机的启动和转速。第二组输出控制两个继电器，用来调节制动线圈中的电流大小。第三组输出控制FP93 温度调节器。为了调试维护方便，各部分可以分别手动控制，也可以自动运行。

生产过程中要求显示和修改加热时间等工艺参数，采用TD400C 文本显示器作为人机界面，TD400C 最多支持4 行文本显示，使用STEP7-Micro/WIN V4.0 的中文界面TD 向导组态。最多可以配置64 个文本显示屏。本项目中制作2 个文本显示画面分别用来显示实时工艺参数和修改设定值。

表1 CPU 输入输出分配

温度控制采用日本岛电FP93 可编程PID 调节器。FP93具有自由输入，四位超大高亮的字符显示，众多的状态指示。可带四组40 段可编程，六组专家PID 参数。有四路外部开关输入、三路继电器输出。电炉温度用热电偶测量。控制输出(4 mA～20 mA)送入单相调压电路板。调压板输出脉冲控制一组反并联可控硅模块交流调压，从而调节炉温。FP93开关量输入受可编程控制，分别完成启动和跳步功能。FP93超温报警输出接到PLC 输入端。

机械转动部分由一台交流伺服电机经过减速器驱动。转速约每分钟1 转。交流伺服系统采用台达ASDA-AB 系列。伺服控制器的工作由CPU224XP 控制。按照伺服驱动器技术手册，结合实际生产工艺要求，设定所需部分参数如表2，为了减小启动和停止过程中夹具对玻璃毛坯的冲击，将加速时间和减速时间调整为最大值。电机速度手动时可由面板上电位器控制，自动状态下由内部设定的参数P1-11控制。接线时，输出电压的相序必须正确［2］。

伺服驱动器的数字量输入受PLC 输入端控制，用一个数字量输出接红色报警指示灯，用于伺服系统报警指示。模拟量输出接一电流表与10 k 电位器串联用于指示电机力矩大小。脉冲输出接频率计用于指示实时电机转速。

磁粉制动器是一种性能优越的自动控制元件，它以磁粉为工作介质，以激磁电流为控制手段，达到控制制动的目的。磁粉制动器所用控制器相当于电流源，用电位器调节电流。通过在其输出端并接电阻分流使加到制动线圈的电流分成两档。

表2 伺服驱动器部分设置

在整个设计连接过程中，主要理清输入输出对应关系，各部分动作的时序关系。对伺服系统的输入输出进行重新定义与连接。

整机工作过程，按下启停按钮，控温仪按设定程序升温，伺服电机加速到恒定速度，磁粉制动器电流在低档位。当温度到达设定值后，控温仪输出信号给PLC，由PLC 输出控制信号，使磁粉制动器电流在高档位，倒像器毛坯发生扭转。当扭转180°时，光电开关动作，控温仪降温，磁粉制动器在低档位。温度降到工艺设定值后，按下启停按钮，记录工艺参数，完成一次扭转过程。

2 控制系统的软件设计

CPU224XP 的编程软件是STEP7-Micro/WIN V4.0。该软件提供程序在线编辑、调试、监控，以及CPU 内部数据的监视、修改功能［3］。本设计中采用梯形图编写控制程序，程序流程图如下:

图2 程序流程图

用文本显示向导配置TD400C，定义F1、F5 为瞬动触点，作为手动时电机启动、停止按键。用户菜单下设计两个画面，主画面实时显示扭转用时等工艺参数，另一画面用于修改制动器通电延时和断电延迟时间。

写好程序，编译通过后可以下载到PLC 中，经过反复在线调试修改能够正常运行，实现了预定的功能。

3 结论

扭转是倒像器生产过程中一道重要工序，本控制系统经过生产使用，满足了生产要求，提高了生产效率。还可以通过修改控制程序进行工艺改进。

［1］李辉.S7-200PLC 编程原理与工程实训［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

［2］颜嘉男.伺服电机应用技术［M］.北京：科学出版社，2010.

［3］西门子(中国) 有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-200PLC［M］.第3 版.北京：北京航空航天大学出版社，2007.