电气自动化在油泵性能试验台上的应用

李永鑫

摘 要：2015年富奥汽车零部件股份有限公司泵业分公司为大众公司配套节油性能更稳定、性价比更高的EA211油泵产品。为了保障产品的性能指标达到大众主机厂的审核验收要求，急需自制油泵总成性能试验台。经过市场调研及性价比对照，主要部件选用操作简单、稳定性好、在工业中应用广泛的松下PLC、触摸屏、伺服控制器及伺服电机，经过软件编辑组态程序，配盘反复调试后，成功完成这台油泵总成性能试验台的自制工作，并取得良好的效果。

关键词：可编程控制器 触摸屏 伺服系统 自制试验台

中图分类号：TK407 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（a）-0002-03

近年来随着我国经济的飞速发展，在国家“双创”战略的指导下，电气设备制造行业迅速复苏，拥有强大的电气自动化技术对企业发展起着至关重要的作用，在现代化的企业中运用自身所学的理论知识，设计自制或改造设备已经屡見不鲜。在了解产品基本性能的前提下，怎样才能投资少见效快，这才是技术人员要解决的实际问题。近年来，随着PLC触摸屏数字伺服应用逐渐成熟，这方面的非标设备占有率逐年加大，系统的稳定性逐年提高，而且价格持续下降，最终我们选用了松下产品。

1 自制方案设计

首先要了解EA211 1.4T油泵产品的工作原理，针对产品功能设计试验台动作原理，该次自制试验台共完成两项指标，即检测油泵轴负载扭矩和油泵的吸油能力。先检测扭矩，完成后再检测吸油能力，由于是干式试验台，油泵不与机油直接接触，应用真空原理，驱动油泵达到一定转速，将机油吸到一定高度。

试验台动作原理确定后，设计试验台的框架及动作流程，运用触摸屏作为PLC的上位机，PLC进行外部信息收集并进行内部处理，控制气缸动作及伺服电机运转，触摸屏既能与PLC进行实时数据通讯，又能对各种传感器信号加以显示，并可以手动设定产品的试验工艺参数，经过论证后最终确定这是一种有效的电气设计方法。

具体工作如下：制造试验台框架及油箱，制作伺服电机连接法兰，将伺服电机与工装连接好。气缸阀体固定好，设计电气原理图，硬件配盘，编辑PLC和触摸屏组态软件程序，修改驱动器的控制参数，设置RFID卡传输数据，连接好各个电气部件，配盘反复调试程序，最后使动作符合产品工艺要求。

2 主要电气部件简介

2.1 松下可编程控制器（PLC）

可编程控制器于1986年在美国首次登场，是用于自动控制的控制器。与当时作为控制领域的主流继电器自控方式相比，具有高可靠性、长寿命、易于编写和可修改程序等特点。随着半导体技术的发展，可编程控制器更加小型化、高性能化、低价格化。现在早已经应用到电气自动化工控的各个领域。可编程控制器的工作原理是将来自输入设备的信号，按照给定的条件进行处理、运算、判断，并将结果输出到外部设备。

2.2 松下触摸屏

工业用触摸屏出现在中国企业大约十几年时间，尽管时间不长，但发展很快，尤其是近几年普及性逐年提高。日本松下触摸屏又称为可编程终端，它已经成为系列化产品，屏幕尺寸规格齐全，有单色液晶和彩色液晶的区别，工作电压均为直流24 V，触摸开关寿命100万次以上。触摸屏的通讯方式有RS232C和RS485两种，GT32配备USB接口，可以和各大公司不同品牌的PLC连接。松下触摸屏具备独有的穿越功能，即计算机与触摸屏用USB口相连，触摸屏再与PLC用串口相连，安装在计算机的组态工具GTWIN和PLC编程软件FPWIN可以分别与触摸屏和PLC通讯。

2.3 伺服驱动与电机

我们选用的是松下MCDKT3520CA1驱动器，主回路电源200 V系列单相三相供电均可，有控制信号、模拟/数字信号、脉冲信号输入输出功能，通讯功能有USB、RS232、RS4853种形式，控制功能有位置控制、速度控制、转矩控制及全闭环控制4种方式。与之相配套的是松下MHMD082G1U高惯量伺服电机，功率0.75 kW，最高转速3 000 r/min。具有响应速度快、定位时间短、动作平滑振动低、速度稳定性好、电机小型化、指令分辨率高等特点。

3 设计电气控制系统连接原理框

设计电气控制系统连接原理框如图1。

4 试验台的调试工作

4.1 硬件配盘

设计电气原理图，根据电气原理图进行硬件配盘。各电气部件按照功能进行合理布局，按照原理图进行线号打印。布线整齐，易于维修。弱电信号使用屏蔽线，强电线束与弱电线束尽量分开，减少干扰。

4.2 PLC的调试

PLC的调试是该次自制试验台成功与否的关键一步，松下PLC编程命令丰富，基本命令20条，特殊命令380条，这些命令足以满足自制试验台的需要。该次应用使用的特殊指令有数据读取、数据写入、数据传输、寄存器计数、模拟量采集计算、数据比较等。

现在举例说明几步关键工作的处理。

4.2.1 PLC与巴鲁夫RFID卡的通信

巴鲁夫RFID卡是能够读和写的存储部件，将RFID读卡器接上DC24V电源，通过RS232C与PLC相连，用自带软件将波特率、数据位、停止位、奇偶校验等数据与PLC端设定一致，否则无法正常与PLC通信。读卡器固定，当RFID卡通过时，读卡器将数据读到PLC的存储寄存器（D区），通过PLC再上传到触摸屏，在触摸屏上显示年月日和流水号，收到上到序合格信号会自动落下夹紧，开始检测。完成后将扭矩值和吸油时间及合格信号写到RFID卡内，最终上传到服务器（见图2）。

4.2.2 扭矩信号和电机转速信号的处理

（1）扭矩信号处理。

电机、扭矩传感器及工件安装在同一高度水平线上，垂直固定摆放，调整好各部件位置，使空载时扭矩信号趋近于零。正常工作时扭矩传感器发出的信号，经过放大器转换为标准的4～20 mA的电流，再通过A/D模块，进入PLC的WX11通道，通过公式计算，将实际处理的结果实时上传到触摸屏。

（2）电机实际转速信号处理。

按照工艺要求，这个试验设备需要3种速度，分别是50 r/min、600 r/min、100 r/min，设备先以50 r的转速进行扭矩检测，测完扭矩后，速度自动转换到600 r进行吸油性能检测，两项试验均测试完成，以100 r/min转一圈，每次都停在同一位置，为操作人员上下工件提供方便。驱动器设定为转速模式，用PLC的开关量控制驱动器地址，修改地址内的参数来确定速度，达到开关量接通信号不同转速不同。驱动器输出0～5 V的标准速度信号经过A/D模块，进入PLC WX10通道，再经过计算上传到触摸屏，进行转速实时显示。

5 驱动器的参数调整

5.1 松下A5驱动器参数设定说明

P0.01=1 速度模式

P3.00=3 8速度調速模式

P3.04=0 速度1 零速

P3.05=50 速度2 扭矩转速

P3.06=600 速度3 吸油转速

P3.08=100 速度5 准停转速

4.17=160 1 V输出对应160转速，5 V对应800转。

5.2 松下A5驱动器接口I/O端子说明（X4）

端子号 含义

7 +DC24V

41 -DC24V

29 伺服使能信号输入

33 速度选择输入1

30 速度选择输入2

28 速度选择输入3

35 伺服准备好输出

43 模拟量速度输出+

17 模拟量速度输出-

6 触摸屏调试及说明

触摸屏作为PLC的上位机，起到控制、设定、显示PLC内部数据的作用。该次触摸屏共做6个画面，分别为扫描画面、运行画面、手动画面、参数画面、密码画面、上序不合格确认画面。

扫描画面功能：读卡器读取射频卡内的数据并上传，最终显示在画面上方，便于操作人员查看。在该画面下按设置键直接进入参数设定画面，按密码键直接进入密码设定画面，按手动键直接进入手动操作画面。

运行画面功能：检测到前序为合格件，画面会自动切换到该画面，工装会自动落下，扭矩传感器传动缸会向下动作与工件连接进行试验。如果试验合格，夹具会自动松开。如果不合格，夹具不会松开，必须按该画面的不合格确认键，夹具才会松开，阻挡气缸落下，工件滑出。按返回键回到扫描画面。

手动画面功能：此功能为手动运行各种动作，比如气缸的动作、高低速的改变，此功能主要用于手动调整工装及维护工作。

参数设定画面功能：设定扭矩检测时间、合格扭矩范围、吸油检测时间3个参数，如果工艺参数有调整，可以直接修改参数，PLC程序不用改动。

密码设定画面功能：这个功能主要是防止其他人员调整工艺参数，造成不必要损失。只有工艺技术员输入正确密码才能进行修改，保证试验台正常使用。

上序不合格确认画面：读卡器读取卡内信息时，在PLC中有一个判断，如果收到上到序不合格信号，立即弹出该画面，试验台不会对此工件检测，操作人员按画面上的确认键，阻挡气缸会落下，人员将不合格件直接滑出工作区。

图3为扫描画面和运行画面。

7 整机调试时出现的问题

（1）给驱动器发出运作指令后，驱动器显示ERR-380报警。

驱动器“380”号报警为电机过载，经查找，原因是驱动器与伺服电机电枢线相序不正确，重新调相后，再次启动工作正常。

（2）测试油泵时设备扭矩过大报警。

原因：机械连接摩擦力过大。

解决：经检查发现机械设计时传动机构摩擦力大，加装平面轴承后，问题解决。

射频卡与可编程控制器无法通讯。

设备联机后无法上传前到序测试结果，本序不知上序检测是否合格。经过反复查找，原因是两测通讯参数设置不一致，射频卡测奇偶校验设置为无，可编程控制器测设置为奇，都设置成一致后通讯正常。

8 结语

整个工程项目构思论证设计安装调试历时40天，经过一年的验证。稳定性能达到了同行业标准，这个试验台的顺利完成得到公司领导的大力支持，还使得技术人员更好地理论联系实际，本岗位技能更上一个台阶。在经济效益方面，这个试验台节约外委加工费用45万元。同时也证实一点，工程技术人员只要在本岗上发挥好聪明才智，合理运用电控部件，自制适合产品使用的设备是可行的，我们有能力为公司创造价值和节约费用，使得我们自制的设备为公司在产品研发、质量攻关、“两改善”等方面发挥积极作用，通过这个试验设备的完成，笔者有信心带动周边有关人员积极参与，争取为公司上产品、上质量、上效益和发展进步，做出更大的贡献。

参考文献

[1] 松下PLC编程手册[Z].

[2] 松下触摸屏编程手册[Z].

[3] 巴鲁夫射频卡使用说明书[Z].

[4] 昆仑通态软件使用说明书[Z].