智能化金刚石选型机控制系统的研制

梅怀帅++苏建勇+++张帅++张西茂++周帅华

摘 要：本文阐述了一款在第一代人造金刚石选型机的基础上进行智能数字化改造并升级金刚石选型机，详细说明了设备控制系统的特点，工作原理和生产使用效果。

关键词：人造金刚石；分选智能化选型机；控制；原理

中图分类号：TP31 文献标识码：A

0.引言

中国经济的高速发展带动了金刚石制造业蓬勃发展，为中国的经济建设做出巨大贡献的同时，也存在不少问题，产品质量低，品牌產品少，高档产品以进口为主。企业劳动密集，耗费较多的人工。尤其是因为技术的原因造成的企业劳动密集的问题，在中国的人口红利渐渐远去的今天和未来，显得尤为突出。

近年来，工业4.0的提出得到了很大的重视。在金刚石选型工艺段，需要大量的选型设备，由于原来的设备操作不便，需要大量的技术性工人来调试选型机，由于人工的干预造成了产品质量不可控，由此我们研发一款智能化人造金刚石选型机。

1.选型机的工作原理

工作原理是：利用振动和摩擦的作用以及二者的相互作用和影响，通过调整具有一定表面粗糙度的三角形分选盘面的纵向和横向倾角及振动频率和振幅，来达到分选的目的。但对于单个颗粒金刚石来说，它在盘面上的运动又是很复杂的随机运动，因此，各个金刚石颗粒在不同的选型机上从出料口出料的位置并不相对固定，只是从概率论的层面上来讲，集中在出料端的某一位置区域。那么，外形略好于以及略差于某类的另外两类物料在出料端的位置区域则应位于该类物料的下方或者上方，但分布不会有明显的界限，而是相互叠加的，故对应于出料端上某一料斗，会有多种外形相近的金刚石落入其中，只是某一种分布区域中心正对着该料斗的物料落入其中的几率最大。这就使得在振动选型的过程中，选完几遍之后，往往中间有些料斗收集的物料有一部分是上一等级的，又有一部分是下一等级的，即有不同等级的料还是混在一起，需要进一步分选。但这种分选只是一个渐近过程，永远也难以将不同等级的颗粒决然分别开来。

2.选型机的结构和参数要求

2.1选型机的设备结构

该设备作为一种小型振动设备，分别有两个工作的动力源：分选振动器和给料振动器。分选振动器给振动盘的微震提供动力，保证分选过程正常有序；给料振动器使大容量给料装置为设备工作提供源源不断的原料，且通过调整振动器的电压可以精准控制下料的速度。

2.2根据客户提出的要求，分析设备的具体参数如下：

（1）四路脉冲，控制4个步进电机。

（2）四路模拟量输入。

①2路电压调节，精度是0.5V，②2路角度调节，精度是0.2度。

（3）通信：以太网通信。

（4）下位机能实现参数存储，10组配方。

3.系统硬件配置

如图1所示：

由于设备的要求是4路脉冲，一般小型的PLC只能带3路，所以控制器选择西门子的1200系列CPU1214C PLC；触摸屏选用的西门子的TP700；步进电机和步进驱动器选用的是明志的迷你型的，步进电机型号AM17HDB410-01N，驱动器型号：SR3-mini。

3.1 PLC简介

西门子PLC S7-1200系列是一款中小型西门子PLC，可以在各种自动化项目中进行应用。S7-1200系列设计较为紧凑，经济性较好，而且指令功能较为强大，因此在各种自动化控制解决方案中有较广泛的应用。作为西门子PLC S7-200系列的升级版，西门子PLC S7-1200具有很多集成在CPU上的功能，与此同时，它的组态软件博图V14具有运动控制块，可以很方便实现运动控制的组态。

3.2步进电机简介

由于电压调节和角度调节的精度太高，一般的直流电机不可行，伺服系统成本过高，不可行，所以只能选步进系统。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点，所以常用作工业过程控制及仪器仪表，使用PLC可编程控制器实现步进电动机驱动，可使步进电动机的抗干扰能力强，可靠性高，既可实现精确定位控制，又能降低控制成本，还有便于维护。

4.系统控制原理

4.2 电压调节

4.2.1 电压调节的原理

如图3所示，PLC控制器发出脉冲信号控制步进电机驱动器，步进电机旋转一定的角度，控制调压器的输出，来调节振动线圈的电压，来改变给料和选料振幅的大小，改变物料在分选板上的运行轨迹。

4.2.2 调压器的结构改造

原装调压器是手动调节的，市场上没有类似数字调压器，需要专门为这个设计一个结构，改造成数字可调的，结构图如图4所示。

4.2.3 电压调节的控制方法

电压调节最终目的是满足客户的需求，所以电压调节的精度满足客户要求的前提下，采取更加优化的方法，因为一天24小时之内，每个时间阶段的电压不一样，会有波动，白天上午和下午的电压不一样，晚上和白天的电压也不一样，因此为了更好地控制调压器输出的电压，我们采用闭环跟随控制方法，根据设定值和实际供电电压的高低实时控制调压器的输出，当供电电压高于设定值时，调压器输出减小，当供电电压小于设定值时，调压器输出增大；来解决客户提出电压波动的问题，同时分选板的振幅更加稳定，选型的效果符合客户的要求。

4.3 角度调节

4.3.1 角度调节的原理

如图5所示，PLC控制器发出脉冲信号控制步进电机驱动器，步进电机旋转一定的角度，通过推杆的变换，角度控制转换为直线控制，来调节振动平台的升降，来改变分选板的前后角，改变振动平台倾斜角度，物料在分选板上的运行轨迹会根据角度的变化而变化。

4.3.2 角度调节的结构改造

调节振动平台的推杆，市场上小功率的都直流电动推杆，步进电动推杆都是蜗轮蜗杆的大扭矩，体型比较大，选型机的内部改造空间比较小，所以没有合适的推杆，需要从新定做，推力是1200N*M，推杆伸缩距离是200mm，精度是0.1mm。

4.3.3 角度调节的控制方法

角度调节最终目的是满足客户的需求，所以角度调节的精度满足客户要求的前提下，采取更加优化的方法，我们采用闭环控制，角度设定值和角度传感器测回的实际角度作比较实时控制分选振动平台的升降，当实际值高于设定值时，分选板控制平台降低，当实际值小于设定值时，分选板控制平台升高。

5.设备安装调试

5.1设备组装

设备现场安装要求地面比较平整，设备摆放到位后，四角必须调平固定，不能出现晃动现象，否则设备就无法调试到需要的状态，因为每一个细节的变化，比如四角不稳，减震不一样，分选板粗糙度不一样，角度变化精度不一样等等都会改变设备的运行状态，所以尽量避免一些可以避免的多变量的变化。

5.2设备通电调试

设备上电后，给料电压，选料电压，左面角度和后面角度4个参数设定后，一建启动，就可以了，设备自动运行到需要的参数，如果参数不合理，重新设定参数，在次启动设备触摸屏的启动按钮就好了。参数符合要求后，保存为自己名字的配方，下次使用直接调用对应配方的名字，可以保存10组不同的配方，也就是说设备可以对不同的人造金刚石进行分选，仅仅需要点下按钮，操作非常简单。

由以上曲线（图6）可知，導致每台设备的参数不一样原因，设备元器件的加工精度，电气元器件的参数误差（线圈），设备焊接时的要求精度等都会造成设备的参数不一样，但是选出的人造金刚石的结果是一样的。

结论

从实际运行情况分析，智能化金刚石选型机控制系统的研制，降低了人工的劳动强度，提高了产品的稳定性，同时为整个车间的数据采集，网络化提供基础。

参考文献

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