PLC在金剛石液壓合成機中的設計應用

1　引言

　　隨著國內外基建行業技術水平的迅猛發展，市場對金剛石粉末鋸片、砂輪、磨料等人造金剛石制品的需求量越來越大。隨之而來的是生產人造金剛石的設備走俏市場，其中，六面頂金剛石壓機以其操作簡便、生產成本相對較低等優點占據了國內市場的較大份額。
　　人造金剛石是利用石墨可在高溫、高壓的環境中，在觸媒的催化作用下，其原子結構發生改變，合成人造金剛石這一機理來實現的。六面頂金剛石壓機可以利用機械、液壓裝置從六個方向向主機中心加壓，在主機中心硬質合金頂錘的作用下使生產原料形成一個密封的正方體超高壓容腔，同時通過的電加熱裝置對該腔體加熱，該腔體就可以產生合成人造金剛石所需的高溫、高壓條件。整個設備的工作過程需要由電控系統與機械、液壓系統相配合完成一系列工作。其中，電控系統主要通過對由大、小柱塞泵和二十余個電磁閥組成的液壓系統以及電加熱裝置等的控制來完成自動、分段、調整等不同模式下的工作。整個設備可以說是一種典型的機、電、液一體化集成產品。

　　2　壓機電控系統的硬件設計

　　傳統的金剛石壓機電控系統由近三十個中間繼電器、時間繼電器、接觸器等不同型號規格的低壓電器組成邏輯控制線路，不僅故障率高且維修不便。當生產工藝進行調整，需要改變控制邏輯時必須改變硬件接線，變動起來十分麻煩。目前，整個壓機的機械、液壓系統從原材料到零部件都已經有了很大的改進，相比之下落后的電控系統已成為阻礙生產發展的“瓶頸”問題。
　　七十年代初，美國汽車工業為了適應生產的進一步發展，首先將可編程序控制器應用于生產線的自動控制中并獲得了成功。到八十年代，微處理器被應用到PLC中，使其功能變的更完善、更優越，且做到了小型化甚至超小型化?，F在，PLC己被廣泛應用于各個行業。綜合各項指標，系統選用了日立公司E系列的E-64HR型PLC作為主控單元設計了壓機新的電控模式。E-64HR共有64個I/O口，其中40個開關量輸入口，24個輸出口，內置式電擦除EEPROM可以保證用戶方便的完成程序和參數的修改和儲存。PLC根據各輸入口所接按鈕、行程開關、電接點壓力表、接觸器等電器的信號的狀態以及用戶編制的軟件程序自動控制各泵、電磁閥以及加熱裝置的動作完成整個生產過程。




　　E-64HR各輸入口的內部線路圖如圖l所示，采用光電耦合方式有效的防止了外部干擾的竄入。輸入電壓DC21.6~26.4V、輸入電流l0mA，在七年來數百臺壓機的跟蹤服務統計中，沒有發現由于輸入單元自身故障出現誤報，其線路工作還是可靠的。其輸出口內部線路圖如圖2所示，選用繼電器接點輸出方式時繼電器線圈電壓DC21V~27V、耗電10mA、觸點容量2A、平均壽命20萬次以上，可直接驅動接觸器線圈、電磁閥線圈及指示燈等低功耗元件。
　　為了輸出繼電器的可靠工作，設計中在所有線圈負載上均并聯了阻容吸收裝置。在對用戶送回來的故障PLC的檢修中，我們發現70%以上的故障仍出現在輸出單元，一類是機內壓敏電阻燒穿，另一類是輸出繼電器觸點燒毀。經現場考察及分析發現，部分鄉鎮企業電源質量較差，原設計中輸出口所需AC220V直接采用電網任意一相供電，電源波動大，直接導致了上述硬件故障。后改為采用加熱裝置中的交流穩壓電源兼向輸出口驅動電源供電，有效的減少了該類故障的發生。
　　總結不同地區、類型用戶的使用情況，一些經驗和教訓是共性的PLC優越的性能、良好的抗干擾性已被大家所認同，發揮這一優勢的前提條件是對其供電電源和屏蔽接地點的合理設計。PLC采用AC220V直接供電，其內部電源部分的穩、壓、整流、濾波電路設置是比較完善的。但設計中仍需采用隔離變壓器對其供電電源進行隔離，以保證工況惡劣的場合下干擾不由電源竄入，提高系統可靠性，一般可采用BKC-220/220V（60-100VA）的隔離變壓器。其次，應引起注意的是所有廠家的PLC均有一個專用接地端子（GND），該端子是整機的屏蔽接地點，用戶最好為其單獨設立接地極（接地電阻<100Ω，接地線長度<20m），并注意合理選擇接地極的位置。有些用戶將其接在電器設備的外殼上甚至接在零線上，這是十分錯誤的，不僅起不到屏蔽作用反而成為事故引入點。河北新河某廠錯誤的將該接地端子接于避雷系統接地極上，雷雨時造成高壓引入，造成整個車間數臺PLC完全被燒毀。以上問題，盡管用戶手冊己強調，但仍有許多用戶未引起注意，造成不必要的損失。
　　目前流行的六面頂壓機均有大（11 K W）、?。?.5KW）兩個柱塞泵，小泵主要是為了完成“保壓”階段的壓力維持，避免大泵沖擊過大，造成壓力波動過大，影響金剛石的生長質量。經實驗將大泵由變頻器實現變頻調速，取消小泵，從系統的“保壓”效果、金剛石的生長情況以及整個設備的電能消耗等幾個方面來看，結果都是令人滿意的。雖由市場原因，該方案沒能得以推廣，但是將PLC、變頻器、壓力傳感器、溫度傳感器以及超低頻電源技術結合起來，對電控系統進行較大的改進是下一步技術發展的必然。



　　2、PLC的軟件設計

　　整個程序需按照液壓動作圖和工藝要求完成以下動作：啟動工作按鈕后，三個活塞缸在油壓驅動下前進，至預定位置后由限位開關給出信號，三個缸依次停止；暫停一定時間后六缸同時加壓，形成葉臘石密封倉；稍后，由增壓器加壓，到達一定壓力時開始對密封倉通電加熱并開始加熱計時，同時繼續升壓至保壓壓力，開始保壓并保壓計時：其間如有壓力泄露由小泵自動補壓。加熱和保壓時間到后，系統泄壓，六缸回位完成一個工作循環。
　　在編制程序的過程中，較多的使用了E系列的“FUN03”指令，如所示梯形圖，其中6、215、T00等為外部輸入信號、PLC內軟中間繼電器及PLC內時間繼電器的代號，將它們按所需的與、或關系接在“FUN03”的置位端（S端），當S端輸入信號為l時，如5+6·11=l時相應輸出中間繼電器200置1，此后即使S端為0，200仍為1，只有當215·23·l8=l時，即“FUN03”的R端置1時200才置零，故該項功能可以用R-S觸發器來表述。

　　編程時把下一個動作的內部輸出點（如201）接在上一個內部輸出點（如200）的復位端（R），這樣在每接入一個新動作的同時把上一個輸出封鎖。再由200、201等上述的“FUN03”的輸出單元進行邏輯組合去控制50、51等PLC輸出繼電器，進而完成對電磁閥、交流接觸器等外圍低壓電器的控制。這樣的設計不僅防止了在不同階段輸出繼電器的誤動作、相互干擾以及出現PLC軟件編制中常犯的“雙線圈”錯誤。并且，在由于需要修改工藝而必須調整動作順序時，只需調整相應“FUN03”的控制方式即可，給修改工藝帶來了極大的方便。盡管有些型號的PLC不具有類似的“FUN03”功能，我們也可以的依據上述思路進行開發，對此將由另文進行詳細介紹。依據我們多年來在不同工況下對不同廠家、型號的PLC使用經驗看，這一思路是比較成功的。而且，我們將這一方法介紹給一些現場的技術人員，也得到了他們的認可和肯定。

　　3　結束語：

　　PLC替代原有繼電器控制模式后顯示出了巨大的優勢，被生產廠家和用戶所接受。93~96年間該壓機成為石家莊煤礦機械廠的主導產品之一，為該廠創造了巨大的經濟效益。由壓機用戶進行的統計表明：使用繼電器進行控制的壓機，由于電氣故障造成的停產周平均4小時，由此造成每臺壓機年均經濟損失八千元左右。采用PLC控制的壓機，其工作性能穩定且各I/O指示簡單、明了，大大縮短了維修時間，電氣故障造成的停產降至周平均20分鐘，特別是修改工藝時僅需進行程序的調整，省時、方便為用戶創造了可觀的經濟效益。許多老式壓機的用戶要求幫助他們用PLC改造老壓機，體現了在金剛石壓機上使用PLC的成功。