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1、基于微机控制技术的柔性紧固系统研制工程机械事业部 常卫军摘要：柔性紧固系统运行是一个自动控制过程，它把来自人机界面中的各种动作指令经控制计算机处理后，对各种动作的顺序、扭矩以及转角实现自动控制。本课题从实际应用的角度出发，以西门子产品为基础，以柔性紧固系统的研制为样例，介绍了人机界面、PLC等微机控制系统的基本原理和应用方法。本文在对各种参数分析后，编制了系统参数，根据工艺要求设计了PLC梯形图。经反复调试和测量，使各种参数均满足工艺要求。关键词： 微机控制技术； 触摸屏；PLC； 参数； 程序。1概述11 引言设备技术是20世纪70年代发展起来的一种机床设备自动控制技术。30多年来，随着电子
2、器件、计算机、传感与检测、机械制造技术的不断进步，以电子信息技术为基础，集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术，传感测控技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体的数控技术得到迅猛发展和广泛应用，使得普通机械逐渐被高效率、高精度的数控设备所替代，从而形成了巨大的生产力，导致了制造业发生了根本性变化，微机控制技术已成为现代制造技术的基础，其水平高低是衡量一个国家工业现代化的重要标志。目前，微机控制技术在制造业中得到了广泛的应用，主要是因为它有效地解决了复杂、精密的运动程序问题，能适应各种机械产品迅速更新替代的需要，经济效益显著，具体表现在以下几个方面：1、
3、 生产效率高，比普通设备提高35倍；2、 减少工装，减少人为误差，提高加工精度，具有广泛的适用性和灵活性；3、 缩短新产品的试制和生产周期，易于组织多品种生产，使企业能对市场需求作出快速响应；4、 能减轻劳动强度，改善劳动条件，节省人力，能降低劳动成本；5、 可实现软件误差补偿和优化控制。 12微机控制技术应用的目的设备是企业发展生产技术和实现经营目标的物质基础。设备的技术性能和技术状态不但直接影响产品质量，还关系工时、材料和能源的有效利用，同时对企业的经济效益也会产生深远影响。设备的技术微机控制技术应用和更新直接影响企业的技术进步、产品开发和市场开拓。因此，从企业产品更新替代、发展品种、提高
4、质量、降低能耗，提高劳动生产率和经济效益的实际出发，进行充分的技术分析，有针对性的用新技术研制和更新现有设备，是提高企业素质和市场竞争力的一种有效方法。13 二六轴柔性紧固系统研制131问题的提出本项目是基于我厂柴油机箱体螺栓紧固专用设备（柔性拔帽机）的改造。由于该设备控制系统严重老化，经常发生故障。而且维修资料不全，多次请厂家来厂维修，其维修费用高且周期长，使得设备长期不能正常发挥机能，影响工厂机车大修生产的正常进行。目前，国内生产该专用设备的厂家为数不多。我们想在改造设备的同时，研制出具有同类水平或较高水平的控制系统。132拧紧工艺目前国内对螺纹连接件拧紧工艺常用的有三种：轴向拉伸法，扭矩
5、法和转角法。较为常用的是扭矩法，其优点是操作和检测方便，缺点是即使同样大小的扭矩，只要螺栓的材质、接触面的摩擦力、螺纹表面的润滑情况以及螺纹面是否有毛刺等等的不同，实际作用在螺栓联接副上轴向拉力可能就不同。为克服这种缺点，在高档拧紧设备上，多采用多步扭紧和转角监控的办法克服。通过几次反复扭紧和松开，可部分消除螺栓的加工残余应力，部分消除毛刺和接触面摩擦力对最终扭矩的影响。通过转角监控，能检测螺栓的“错扣”、“花扣”以及过度拉伸对扭矩影响较大的毛刺等。133工艺要求：按照扭紧工艺，设计如下紧固步骤，。 1）、二轴：分四步实现紧固过程预紧(400Nm ) 第一步(1000Nm) 第二步(2000N
6、m) 第三步(3000Nm) 具有同步监测、转速检测、转角监控、参数修改等功能。2）、六轴：能实现ABCD四种车型的紧固。分三步实现紧固过程第一步(450Nm) 第二步(900Nm) 第三步(1300Nm/1600 Nm)(1)134解决方案：按照工艺要求，本装置主要用于我厂柴油机车间拆卸和装配柴油机缸头螺栓和主轴承螺栓。二轴紧固机用于主轴承螺栓拆卸和装配，六轴用于柴油机缸头螺栓拆卸和装配。经过论证，采用一套控制系统实现二轴和六轴紧固机的控制功能是一个较为节约的方案，它不仅节约成本，同时节省空间和安装调试的时间。机械紧固部件采用外购方式。故本文主要介绍电控系统的设计。电控系统由硬件和软件两部分
7、组成。将在第三部分介绍硬件和软件的设计。注：（1）、1300Nm/1600 Nm表示：1300Nm设定力矩用于东风4ABC车型，1600Nm设定力矩用于东风4D车型。2控制系统构成21系统组成与连接本系统主要控制功能由TP270触摸屏、S7-200PLC和MM440变频器组成。系统连接框图如下： TP270 PLC I/O至变频器 图2-1 触摸屏与PLC连接图至PLC 图2-2 变频器连接框图22 各部件简介 221触摸屏此产品定位于最优化过程和应用组件之间的产品层中，例如一方面是操作面板和PLC，另一方面是工业PC。TP270触摸屏必须使用ProTool CS 进行组态，首先必须使用SIM
8、ATIC ProTool CS 组态软件在组态计算机(PC 或PU)上创建需要显示在操作单元上的图形、文本、自定义功能及操作和显示元素。为了将组态下载到操作单元，组态计算机必须被连接到操作单元(参见图2-1 中的“IF1A”接口)。可以通过串行的MPI/PROFIBUS-DP 网络、USB或以太网接口，或者通过标准调制解调器路径建立连接。一旦组态已经被成功地下载，将操作单元连接到PLC。然后操作单元就可以与PLC 通讯，并根据为在PLC 中运行程序所组态的信息作出响应。TP 270是较低成本的触摸屏(彩显10吋屏),但仍然提供强大的功能。本操作单元包括下列优点：1）、 组态效率很高，2）、 可
9、在组态计算机上模拟组态(不需要PLC)，3）、通过基于Windows 的用户界面可以对过程进行清晰地显示和方便地操作。4）、在组态期间有大量预定义的画面对象可供选择，5）、 可动态使用画面对象(例如移动对象)，6）、 可在配方画面和配方视图中简单快速地处理配方和数据记录，7）、 归档消息、过程值和登录/退出过程，8）、 无需外部图形编辑器，使用SIMATIC ProTool CS 组态软件创建向量图形。9） 下载： 自动切换到下载模式 通过MPI、PROFIBUS/DP、USB 和Ethernet (以太网)传送， 串行下载， 通过TeleService (远程服务)传送。10）、 可与SIM
10、ATIC S5/DP、SIMATIC S7 和SIMATIC 505 以及其它厂商生产的PLC 进行标准连接。222 S7-200 PLCSIMATIC S7-200 系列PLC 适用各种场合中的检测、监测及控制的自动化，S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络皆能实现复杂控制功能因此S7-200 系列具有极高的性能/价格比。S7-200 系列出色表现在以下几个方面：1）、 极高的可靠性和 极丰富的指令集2）、 易于掌握 便于的操作3）、 丰富的内置集成功能，实时特性、 强劲的通讯能力和 丰富的扩展模块S7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能，使用范围可覆盖从
11、替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛覆盖所有与自动检测自动化控制有关的工业及民用领域。S7-200 系列PLC 可提供4 个不同的基本型号。本系统采用的是CPU224和2个扩展模块。通讯模式采用PPI模式与触摸屏连接（见图2-1）。223 变频器MICROMASTER 440是适合用于三相电动机速度控制和转矩控制的变频器，功率范围涵盖120 W 至 200 kW的多种型号。本变频器由微处理器控制并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管IGBT 作为功率输出器件，因此它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性，其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声，
12、全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。由于MICROMASTER440 具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后它也适合用于需要多种功能的电动机控制系统，MICROMASTER 440 既可用于单机驱动系统也可集成到自动化系统中。其主要特性如下：1）、易于安装调试2)、牢固的EMC 设计，可由IT 中性点不接地电源供电3）、对控制信号的响应是快速和可重复的4）、参数设置的范围很广确保它可对广泛的应用对象进行配置5）、具有多个继电器输出，具有多个模拟量输出0 - 20mA6）、6个带隔离的数字输入并可切换为NPN/PNP 接线，2个模拟输入 AIN1 0 - 10 V 0 -
13、 20mA 和-10 至 +10 V AIN2 0 - 10 V 0 - 20mA7）、2 个模拟输入可以作为第7 和第8 个数字输入8）、BiCo 二进制互联连接技术9）、模块化设计配置非常灵活10）、脉宽调制的频率高因而电动机运行的噪音低10）、内置的RS485 串行通讯接口11）、详尽的变频器状态信息和全面的信息功能3控制系统设计31设计原则1、电控柜的防护等级应达到IP54，且应具有冷却或通风装置；2、接地方法必须遵守国标GB/T5526.11996标准；3、PE接地只能集中在一点接地，接地线截面积必须6mm2，接地线严格禁止出现环绕；4、电控柜中控制电源必须采用独立的隔离变压器；5、
14、在接地状况不好时，控制变压器必须作浮地设计；6、PLC设计时应考虑输入信号的最高频率，也就是说：PLC输入信号的ON时间或OFF时间，必须比PLC扫描周期长；7、PLC、触摸屏、变频器的接地端必须等电位联结；8、PLC相邻两触点的输出电流之和不超过1A；9、电机的正反转应有互锁。10、在电柜布线时，交流电源线必须与24V电缆分开走线。11、PLC开关量所有输入信号必须为电平信号，即“0”电平-35VDC和“1” 电平1130VDC。模拟量的输入10VDC。32 系统概述本系统的主要功能如下：1、系统硬件：采用触摸屏实现监控、参数修改、操作等功能；PLC实现程序控制；变频器实现二、六轴控制。两轴
15、与六轴之间采用接触器实现互锁功能。2、系统软件：紧固完成步骤分三步（多步）：初扭中扭终扭。每步的扭矩值可设定（触摸屏画面上设定）。在扭紧过程中实现非同步过程监控。3、紧固机能实时显示紧固力矩、速度、转角等参数，具有合格显示功能，以提示操作者该次作业的完成。4、具有多种报警功能，如不同步、零漂过大、传感器断线等，用于非正常情况下对设备及螺栓进行保护。 本文将从触摸屏、PLC、变频器三部分来介绍设计思路。33 触摸屏画面设计根据工艺需要，确定控制画面和各画面显示内容。触摸屏必须有一个主画面，即开机后直接进入的画面，然后，在主画面中进行各画面的切换。本项目的主画面是选择画面，即二轴与六轴的切换画面。
16、如选择二轴画面，则进入二轴控制画面，同时传递参数至PLC，控制相应动作，如吸合控制二轴变频器的接触器等。各画面切换的流程图见图3-1。车型选择键参数设置键YNN测试通过？Y参数设置运行操作按运行操作键运行操作画面按参数设置键参数设置画面按运行操作键车型选择键同二轴电机与传感器参数测试画面选择画面首次开机？开始 二轴 六轴图3-1 触摸屏画面设计流程图按照流程图，设计的部分画面如下： 图3-2 触摸屏选择画面图3-3 触摸屏二轴测试画面图3-3 触摸屏二轴运行操作画面当画面设计完成后，还要设定相应的与PLC通讯的参数，用以控制PLC的动作。同时还要设置通讯波特率，波特率的设置，要考虑PLC的运算
17、速度。33 PLC控制程序设计PLC程序设计一般采用状态流程图编制，它能完整地描述控制系统的工作过程、功能和特性。状态流程图是分析和设计电控系统控制程序的重要工具。其步骤如下：1、 按照机械运动或工艺过程的工作内容、步骤、顺序和控制要求画出状态流程图。2、 在画出的状态流程图上以PLC输入点或其他元件定义状态转换条件。3、 按照电气执行元件功能表，在状态流程图上对每个状态和动作命令配画上实现该状态或动作命令的控制功能的电气执行元件，并以对应的PLC输出点的编号定义这些电气执行元件。本例中，PLC程序采用主程序调用子程序的方式组成，主程序OB1包含4个子程序（梯形图见3-4），程序块共分1个主程
18、序和14个子程序。主程序实现初始化、程序选择、二轴程序调用、六轴程序调用等功能。子程序主要解决数据采集处理、紧固步骤的实现、报警信号处理、二（六轴）选择、变频器的控制、转角测定等。每个子程序分别完成独立的功能，子程序可以嵌套子程序。各子程序的编制方法基本相同，本文主要介绍二轴控制子程序（图3-5）。图3-4 主程序梯形图3.3.1 二轴控制子程序 二轴控制子程序其实是实现二轴紧固装置的所有功能的主程序，是主程序的子程序，同时它又调用5个子程序，这5个子程序分别是测试子程序、I/O子程序、轴控子程序、计数子程序和A/D处理子程序。测试子程序实现两）个扭紧轴的空转性能试验，测试传感器的性能、电机转
19、速情况等。当传感器断线或空转测试值超差时，传递报警信号至触摸屏，使监视画面显示报警信息。 同时该子程序中断执行将要进行的扭紧步骤。只有所有测试通过后才能进入下一个画面。 图3-5 二轴控制子程序梯形图I/O子程序实现轴的正反转和停止，处理数字量输入输出信号及报警信息。轴控子程序实现轴的四步扭紧。当每步两轴扭矩值到达后，再进行下一步的扭紧，如果在扭紧过程中一个轴扭矩值达到设定值，而在设定的时间内，另一轴仍没有达到，则停止扭紧程序的执行，同时发出不同步信息至触摸屏，待故障处理后才能重新执行紧固程序。当紧固步骤全部完成后，发出紧固完成信号。计数子程序用于电机转速和螺栓转角的监控，当测试时如果转速出现
20、异常便激活报警位。在扭紧螺栓的最后一步启动转角监控功能，当两个螺栓的最终转角符合设定值时，才能激活紧固完成信号，否则会发出报警信息。2.5V5V4000NmV-4000A/D处理子程序是将模拟量输入模块采集的电压信号进行数字处理，用于扭矩的控制，为防止干扰，采用求平均值法进行处理，采样次数为128次。由于电机正反转会产生相反的扭矩值，为显示正确的扭矩值，将采集的数据进行如下处理(见图3-6),将输入为2.5V时定义为0Nm，0V时为-4000 Nm，5V时为4000 Nm。图3-6 电压-扭矩转换34 变频器设计变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。现在常
21、用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。3.4.1变频器选型变频器选型时要确定以下几点：1) 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。2) 变频器的负载类型；如风机泵类、机械加工类等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。3) 变频器与负载的匹配问题。4) 在使用变
22、频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。 3.4.2变频器使用中应注意的事项 1） 电磁波干扰。变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。2） 与变频器有关的模拟信号线最好选用屏蔽双绞线，动力电缆选
23、用屏蔽的三芯电缆（其规格要比普通电机的电缆大档）或遵从变频器的用户手册。3) 变频器的接地变频器正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声能力的重要手段。变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不小于4mm，长度不超过5m。变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地端，另一端浮空。变频器与控制柜之间电气相通。3.4.3 变频器的运行和相关参数的设置变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。控制方式：即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进
24、行静态或动态辨识。最低运行频率：即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。最高运行频率：一般的变频器最大频率到400 Hz，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速运行，电机的转子是否能承受这样的离心力。载波频率：载波频率设置的越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电机发热，电缆发热变频器发热等因素是密切相关的。电机参数：变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。4结 论本文主要利用触摸屏等微机应用技
25、术，研究了微机系统在柔性控制系统中的具体应用，并在以下几个方面取得了一些成果：第一、在进行系统设计分析的同时，研究了触摸屏、PLC、变频器的基本构成，并对该系统的基本组成进行了描述，对各种参数进行了定义，拓展了其应用空间。第二、研究了SIEMENS S7200 PLC编程软件的应用，介绍了其应用基理并编制了PLC控制程序。采用PROTOOL编程软件完成了监控画面的编制，设定了变频器的各种参数。第三、采用一套控制系统实现二轴和六轴控制，节约成本和空间。1、 二轴紧固机可实现单轴单独动作，便于操作定位。2、 六轴拆卸力矩大，可满足东风4D车型的要求。3、采用模块化设计，可根据用户要求选配各种档次的
26、的元器件。第四、编制了详尽的设备报警信息，使得操作更为方便，故障排除更为简单。由于时间及资金所限，本论文应在以下方面进行更深的研究。1、扭矩的自校正体系，经过数次自检，能自动补偿传感器参数。2、干扰问题的进一步处理，使扭矩能控制在3%内。参考文献：1 SIMATIC S7-200 应用示例， 北京西门子，1997 2 工业与民用配电设计手册，中国航空工业规划设计院等，1994 3 工厂常用电气设备手册，水利电力出版社，1997 4 电工手册，中国建筑工业出版社，1993 5 潘新民，王燕芳，微型机算机控制技术，人民邮电出版社，1999 6 叶伯生，计算机数控系统原理、编程与操作，华中理工大学出版社，19987 彭炎午主编，计算机数控（CNC）系统，西北工业大学出版社，19888 SIMATIC S7-200 Programmable Controller, System Manual, SIEMENS AG，19999 金广业、李景学，可编程序控制器原理与应用，电子工业出版社，1992
