基于PLC和触摸屏的板片成型液压机控制系统的设计与实现

冯作全，芦光荣，王宇翔

（兰州兰石能源装备工程研究院有限公司 信息与自动化研究中心，兰州 730030）

0 引言

板片成型液压机是一种新型的液压专用设备，主要用于高密度波纹浅拉伸及非金属板材的成型，如板式换热器板片、制氢电极板及碳化硅板等，它主要由主机、液压控制系统、电气控制系统和冷却系统组成。其中电气控制系统主要包括电机启动装置、PLC控制系统、安全联锁装置和工业监控设定触摸屏，可实现板片加工成型过程的自动控制。系统采用现场总线与工业以太网（Ethernet）相结合的分布式控制结构，通过主站CPU集成PROFIBUS-DP接口连接ET200M远程站，并扩展CP343-1以太网模块连接工业监控设定触摸屏，通过触摸屏输入参数，可实现单动（点动）、半自动（单步动作）、自动（工作周期）三种操作方式，同时具有计数显示、压力显示、运行状态显示、光电安全保护、超温超压报警等功能。

1 系统设计方案

根据板片成型工艺要求，板片成型液压机动作流程为：滑块空程下行→空程慢下→系统加压→增压→保压→泄压→回程→静止。空程快下：无须驱动，借助于滑块自重，控制油将主缸中超高压充液阀打开，经支承阀块中快速放油阀实现滑块快速下行，并向主缸快速充液。空程慢下：当快下到限位开关发讯转慢下，慢下由支承阀块中可调节流的插装阀实现。加压：主泵供油经调压阀块和分配阀块通过缸底上液控单向阀直接进入主缸，实现泵加压。增压：当泵加压至预定压力，压力传感器发讯，泵供油通过换向阀块驱动增压器，经超高压双单向阀后进入主缸，实现增压。保压、卸压：当压力达到规定值后泵处于卸荷状态，转为保压。保压时间结束两级泄压阀开启使缸内液体平稳快速卸压。回程：缸底上充液阀打开，通过回程缸实现回程。静止：压机滑块在任意位置挺留，而不下溜，由支承阀块中自锁功能实现。

为实现上述板片压制动作，本系统选配西门子S7-300系列PLC，中央处理单元采用CPU313C-2DP，并扩展CP343-1工业以太网接口模块，实现与工业监控设定触摸屏MP277 10”之间的数据通讯；操作台从站选配ET200M，通过史陶比尔MC工业连接器由Profibus-DP总线完成与主站PLC之间的通讯[1]。系统网络组态如图1所示。

2 系统实现策略

控制系统主站PLC通过采集现场传感器压力、位移、温度信号，限位开关位置信号，按钮闭合、断开信号等，利用PLC内部指令进行分析处理，控制液压系统电磁阀得电/失电，从而实现压机下行、慢下、加压、增压、保压、泄压、回程控制执行功能。通过工业监控设定触摸屏可输入滑块位移、管路压力、油液温度上下限和零位调整范围，工艺配方参数，滑块机械限位有效/无效变更等信息，并显示系统压制运行参数。

图1 系统网络组态

控制系统共有6台电机，包括4台主泵电机，1台控制泵电机，1台油冷机电机，启动装置采用美国AB公司软启动器，可实现间隔顺序启动，保护油泵，减小交流感应电机全压起动造成的机械损伤，延长系统寿命，抑制冲击电流对线路的干扰，有效减少停机时间。

安全系统是在压机两侧安装安全光幕，配有安全继电器，当操作人员送取板片时，只要身体的任何一部分遮挡光线，设备就进入安全状态而不会给操作人员带来伤害。设备在增压和保压管线配备压力传感器，当滑块运行至增压和保压位置时，压力传感器给主站PLC发讯，实现保压/增压动作。在主管路上安装电接点压力表，具有超压报警功能，能够使系统立即卸压；压机主机四角都安装急停按钮，带有安全复位功能，方便维修和操作。

状态自检系统可在触摸屏上动态显示工作压力、油液温度和滑块位移，同时可显示压机工作状态、故障状态、报警状态、电磁阀得电/失电状态，并显示故障原因，方便维修人员检查维修；在油箱上装有温度传感器检测油温，系统根据设定温度自动启动换热装置，当超过油温，立即停机。为方便模具安装和调整，在压机旁安装双手操作台，可实现慢下、慢回程。主站PLC能够存储上百套压制工艺参数，通过触摸屏可设定压力、时间、高度等参数，在设备运行期间能够直接在触摸屏设备上获取相关数据。

3 软件设计

板片成型液压机控制系统软件主要由主站PLC和触摸屏部分组成，主站PLC采用STEP7编程软件，触摸屏界面使用WINCC Flexible进行组态。主站PLC采用模块化编程结构，按照板片成型工艺流程和控制系统实现的不同功能，主要将其分为以下功能模块：

FC21：系统故障报警处理

FC22：多主泵电机软起起动、正常运行转换

FC23：传感器数据处理与整定

FC24：手动/自动控制功能

FC25：泵头阀带电测试

根据本系统控制要求，重点对主泵电机软起起动和设备自动运行程序设计过程进行详细阐述。软起起动程序设计思路是当主电路断路器闭合，电机起动信号触发，则电机起动继电器由程序驱动吸合，同时，软起运行继电器也由程序驱动吸合，电机起动。当电机起动过程结束，软起启动器发出达速信号后，电机起动继电器和软起运行继电器由程序断开，电机软起接触器断开，运行继电器由程序驱动吸合，电机进入运行状态。下面以M1主泵电机为例对软起过程进行说明：

软起程序1（M1起动控制）：

O "M1_Run" I4.2 主泵电机M1运行

O "M1_Star_KA" Q0.1 M1起动控制继电器

AN "M1_Run_KA" Q0.2 M1运行控制继电器

AN "M1Stop" M240.1 M1电机停止信号

A "M1_StartSignal" M60.0 M1电机起动信号

A "M1_StarCondition" M53.0 M1电机起动条件

AN "M1_Fault" M62.0 M1电机故障

= "M1_Star_KA" Q0.1 M1起动控制继电器

L S5T#6S

SD T 10

程序1中，M1_StarCondition为M1泵电机运行条件（包括闸阀限位、压力等），当其满足且此泵泵头阀为溢流逻辑，其他与此共用软起动器的泵电机没有启动，软起动器无复位信号，则此泵起动条件满足。当此泵起动信号M1_StartSignal触发，且运行继电器M1_Run_KA没有触发，M1泵故障信号M1_Fault没有触发，则M1泵起动继电器M1_Star_KA得电并自锁，同时起动定时器T10。

软起程序2（M1运行控制）：

A T 10

A "RQ_DASU" I5.6 软起达速信号

O "M1_Run_KA" Q0.2 M1运行控制继电器

AN "M1Stop" M240.1 M1停止信号

AN "AlarmDate".Emergency DB22.DBX0.0

A "M1_StartSignal" M1电机起动信号

= "M1_Run_KA" M60.0 M1电机起动信号

程序2中，当定时器T10定时时间6S到，其触电闭合，且软起达速信号RQ_DASU满足，则M1泵运行继电器得电自锁，并使起动继电器M1_Star_KA失电。

软起程序3（M1软起起动）：

A "M1_Star_KA" Q0.1 M1起动控制继电器

A "M1_RJB" I0.1 M1软动接触器闭合

A "RQ_DB" I0.0 软动断路器闭合

AN "RQ_Fault" I5.5 软动故障信号

L S5T#400MS

SD T 11

= "RQ_KA" Q0.0 M1软起运行继电器

程序3中，当M1泵起动继电器M1_Star_KA和起动接触器M1_RJB闭合，并且软起前端断路器闭合信号RQ_DB和软启动器正常信号触发，则软起动运行继电器RQ_KA延时400MS得电，使软启动器运行。

对于压机自动运行程序设计使用置位复位指令顺序控制语句表实现。其实现的基本思路包括两个操作：其一将该转换所有的后续步变为活动步，即代表后续步的存储器位变为1状态，并使它保持1状态。其二将该转换所有的前级步变为不活动步，即代表前级步的存储器位变为0状态，并使它保持0状态[2]。以设备实现自动加压过程的程序进行说明。

设备加压部分程序：

A "AutoStartCondition" M100.4 自动启动条件

A "IncreaseHigh_M" M90.6 加压标志

S "CT_Manu-Press-M" M160.2 加压状态

O "CT_Manu-Run-M" M160.0 快下运行状态

O "CT_Manu-SlowDown-M" M160.1 慢下运行状态

O "Pressurize_State" M160.6 增压状态

O "Keep_State" M160.7 保压状态

O "Release_High" M161.0 卸高压状态

O "Release_Low" M161.1 卸低压状态

O "CT_Manu-FastRetu-M" M160.4 快回状态

O "CT_Manu-SlowRetu-M" M160.3 慢回状态

O "CT_Manu-Stat-M" M160.5 静止状态

O "Pressurize_Mark" M90.0 增压标志

O "AutoStop_M" M162.4 自动运行停止

上述程序中，当自动启动条件AutoStartCondition（泵电机正常运行、安全光幕无触发信号、急停按钮等）满足，压机滑块运行至加压标志位IncreaseHigh_M时，将加压状态CT_Manu-Press-M置位，其他所有状态均复位，从而保证压机的单一工作状态，在此状态下，与此相对应的电磁阀得电，实现压机的加压动作。其他状态与此类似，在此不作说明。

压机监控设定触摸屏画面使用WINCC Flexible进行组态，其主画面分为设备运行状态显示、参数设置、系统报警和液压系统，主画面之间通过按钮可相互切换，画面中所有变量均与主站PLC数据块一一对应，实现主机运行情况的动态显示。在画面组态过程中，配方工艺参数是本系统画面组态的关键之一，下面对其组态过程进行简要说明。

在画面中组态配方，需要在配方编辑器中创建带有相关联数据的配方。若在触摸屏设备上显示和编辑配方，需要在过程画面中组态配方视图或配方画面。在系统运行过程中，配方数据记录可以在外部数据存储介质、触摸屏设备和控制器之间传送[3]。配方数据传送机制如图2所示。

图2 配方数据传送机制

在配方传送过程中，通过执行“保存”功能，将在配方视图或配方画面改变的值写到存贮介质的配方数据记录中；执行“装载”功能将存储介质里的配方数据记录值来更新配方画面里显示的配方变量的值；在调用“写入控制器”功能时，将配方视图和配方屏幕的值增量下载到PLC中；调用“从控制器读出”功能将用控制器的值更新配方视图和配方画面里指示的值。

利用配方编辑器可创建、组态和编辑配方，在配方编辑器的元素标签页上分别输入加压高度、回程高度、转增压压力、保压压力、保压时间，依次更改配方的组态设置，创建和编辑完成配方元素和数据记录后，在配方画面上可以组态配方视图，系统运行时能够显示和编辑配方数据记录。当在系统配方视图中输入配方工艺参数数据或修改配方变量，可能导致配方变量的当前值和实际值不同，根据配方数据传送机制，可使配方视图中显示的数值与配方变量和PLC的值同步。

4 结束语

本文根据板片成型工艺流程设计压机电气控制系统，组建了主站PLC与远程站ET200M和工业监控设定触摸屏MP277之间的网络架构，阐述了整机自动控制系统的实现策略，设计了主站PLC与触摸屏的软件程序，并将WINCC Flexible组态的项目集成到STEP7中，通过使用S7-PLCSIM完成对整个控制软件的仿真，仿真过程真实模拟现场操作流程设定各种开关、显示、控制参数及各种故障状态，并根据控制要求调整DB块相关参数，经仿真验证，程序各功能块运行准确，能完成预期的控制功能，可应用于实际工程。

[1]刘建昌,于洪磊,辛红,等.S7-300/400PLC工业网络通信技术指南[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2011.

[3]SIMATIC HMI WINCC flexible 2008系统手册.