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S7-300在高档压铸机上的应用

摘要:本文介绍了用S7-300控制高档压铸机的方案。系统完成对机器顺序动作的控制,运用软件斜率调节比例阀的输出,使机器动作平滑;在压射过程中采集大量数据并以曲线的形式显示在HMI上;根据曲线可以对制品成型过程进行分析比较,可通过脉宽调制控制步进电机,调节压射过程中3个不同阶段的速度。
  关键词:压铸机,脉宽调制,比例阀,软件斜率,自动调模,硬件中断,曲线
 
Abstract
  This paper introduces a solution of control system for die casting machine with S7-300 PLC. The controller will realize the control of machine sequence, use software ramp to adjust the output of the proportional valve and make the make move very smoothly;  Large number of data will be sampled during die casting phase and all of the sampled data will be display in HMI with TREND curve; Analysis and comparison can be done according to the curve which is sampled during die casting phase, then the speed during die casting phase can be adjusted by stepper motor which is controlled by PWM.
  Key Words: Die casting machine, Pulse Width Modulation, Proportional Valve, Software Ramp, Auto Mold Adjustment, Process alarm, Curve
  正文:
 一、项目简介

1.    江苏新瑞机械有限公司坐落于江苏常州,是一家专业从事数控设备的研发、生产、销售和服务的现代化制造型企业。公司主要产品覆盖立式加工中心全部系列、数控车床全部系列、SR系列压铸机全部系列,具有高速度、高精度、高可靠性等特点。新瑞机械秉承“务实敬业、合作高效、锐意进取、精益求精”的企业精神,把一流的产品贡献给客户,把永不满足留给企业,把信心、技术和竞争力来实现“构筑业界一流企业,争创业内第一品牌”的承诺。

2.    压铸机的主要工作原理是压铸成型。在高压的作用下,使液态或半液态的金属,以较高的速度填充压铸型型腔,并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。系统有2组比例阀:比例压力和比例流量,用来控制机器的液压动作,如动芯一入、动芯二入、静芯入、动芯一出、动芯二出、静芯出、开模、合模、顶针进、顶针退;压射动作分3步:慢压射、快压射和增压射,由3个独立的步进电机调节油泵的开口;辅机由喷雾机械手、给汤机械手和取件机械手组成,动作速度由画面设定,由相应的变频器控制输出。

3.    项目当中使用的西门子自动化产品的型号、数量、类型、何种控制对象

4.    照片


                                                                 新瑞SR150型压铸机

二、控制系统构成

1.    硬件配置、系统结构及选择依据

系统由HMI和S7-300型PLC构成。因为有位置、压力、速度等曲线需要显示,所以选择了OP270 10。显示效果比较好,有操作按键,容易维护;由于需要3路PWM输出控制步进电机,所以选择了CPU313C,几乎全部利用该CPU的数字量输入输出及模拟量输入输出,性价比非常好;另外,由于压射过程非常快,通常为10-50m/s,有时甚至可以达到100m/s以上。系统需要高速采集大量的数据进行显示、分析和比较,因此选择了SM335模块,它的模拟量输入输出速度快、精度高,还可以产生硬件中断。


2.    附加系统的硬件配置图,网络结构图,应用中的监视画面。

辅机系统主要是由3个机械手构成:喷雾机械手、给汤机械手和取件机械手。他们根据压铸机的动作循环,在相应的位置进行动作。

3.    多种可选方案的比较:由于有3个步进电机需要控制,在选择方案时考虑过用CPU313C加3个FM353模块,该模块是1轴步进电机定位模块,最高脉冲频率可达200KHz,但此方案成本太高;考虑到本机器对脉冲频率要求不高,CPU313C模块中集成的3路PWM输出脉冲频率可达2.5KHz,已经完全可以满足系统的要求。因此只用1个CPU313C就完成控制要求,性价比很完美!

三、控制系统完成的功能

1.    整个控制系统可以分为人机界面显示部分和PLC控制部分。其中PLC控制系统可以分为以下几个部分:压铸机动作顺序控制、压射曲线显示、PWM输出控制和机械手控制。压铸机的动作控制如开模合模,是根据不同的位置送出不同的压力和流量,通常合模分4级,开模分3级。考虑到液压动作的平滑,本系统加了软件斜率,在每个动作的开始、切换和结束时都要通过斜率平滑过渡,使动作很流畅而且声音很小。在机器的使用过程中模具的调整很麻烦,自动调模功能自动完成的繁琐的调节过程,简化操作;压射过程对机器的成型非常重要,需要采集大量的位置、压力和位置数据,压射动作分3步:慢压射、快压射和增压射,由3个独立的步进电机调节油泵的开口控制压射的速度;PWM输出是控制3个独立的步进电机,分别对应慢压射、快压射和增压射的速度。控制上由PLC调用系统功能块SFB49来实现;本机器配备了3个机械手:喷雾机械手、给汤机械手和取件机械手,他们是可选的。根据压铸机的动作循环,在相应的位置进行动作。

脉宽调制功能是系统集成功能,仅需在硬件配置中作简单设定后,即可在PLC程序中调用SFB49,使用非常方便。


CALL  SFB   49 , "DI_PULSE_1"         // 慢压射
       LADDR   :="DI_PULSE_1".LADDR     // Count Address:768
       CHANNEL :=0
       SW_EN   :="DI_PULSE_1".SW_EN
       MAN_DO  :="DI_PULSE_1".MAN_DO
       SET_DO  :="DI_PULSE_1".SET_DO
       OUTP_VAL:="DI_PULSE_1".OUTP_VAL
       JOB_REQ :="DI_PULSE_1".JOB_REQ
       JOB_ID  :="DI_PULSE_1".JOB_ID
       JOB_VAL :="DI_PULSE_1".JOB_VAL
       STS_EN  :="DI_PULSE_1".STS_EN
       STS_STRT:="DI_PULSE_1".STS_STRT
       STS_DO  :="DI_PULSE_1".STS_DO
       JOB_DONE:="DI_PULSE_1".JOB_DONE
       JOB_ERR :="DI_PULSE_1".JOB_ERR       JOB_STAT:="DI_PULSE_1".JOB_STAT 2.    在压射过程中如何高速采样位置、压力和速度数据是项目的难点。在硬件上,我们选用SM335模块,它的模拟量输入处理速度约为每通道200us,精度为14位,并产生硬件中断OB40。系统中设定了2ms的硬件中断,在压射过程中采集位置、压力和速度数据;在PLC程序方面,我们使用了变址寻址的编程技巧,压缩程序空间,提高运行效率,使系统可以在2ms的中断周期内完成运算;在HMI方面,配置了TREND曲线,在压射过程结束后可以马上更新曲线。
        L     #Index

SLD   4       LAR1

OPN   "DB_Curve"

L     #Act_Pos

T     DBW [AR1,P#0.0]             // Actual Position

L     #Act_Prs

T     DBW [AR1,P#4000.0]          // Actual Pressure

L     #Act_Pos

L     #Act_PosPre       -I

L     33       *I

T     DBW [AR1,P#8000.0]          // Actual Speed

L     #Act_Pos

T     #Act_PosPre

L     #Index       +     1

T     #Index


3.    附加生产工艺当中有特点或较典型的设备或工艺照片。


四、项目运行

系统在2005年4月份投入使用后,运行情况良好,获得用户的好评。该方案将用在大型、高档的压铸机上。由于压铸机的使用环境非常恶劣,因此硬件很可靠性非常重要,S7-300坚固的硬件保证了系统的可靠性。而HMI方面由于使用了OP270 10,操作简便,显示效果比较好,也回避了触摸屏的一些缺点,如不适合使用在多油污、金属碎片的环境等。

五、应用体会

项目进行当中,深深地感到西门子自动化产品无与伦比的灵活性。STEP 7强大而便捷的编程功能和PROTOOL灵活自如的组态性能使项目的编程和调试进展非常快。更改容易,维护方便。在PLC的编程中,使用了符号编程,简单明了,易学易懂易维护。为了节约成本,编程中使用模块化编程和变址寻址,大量压缩程序空间,否则必须使用更高一挡的CPU314C-2DP。

当然在调试的过程中,也在所难免地遇到了麻烦。PWM输出原本是集成功能,很方便使用。但由于我们节约成本,使用CPU313C上的数字量输入点,在没有配置使用硬件门的情况下,CPU313C上的部分数字量输入点还是会影响3通道的PWM输出。由于西门子手册上的描述也不确切,在求助无门的情况下,对CPU313C上的数字量输入点一一进行测试并与3通道的PWM输出对照,终于弄清楚了硬件门的准确定义,完满解决了问题。