PLC进阶知识，气压式冲孔加工机控制系统案例
今天给大家讲解一下气压式冲孔加工机控制系统。该控制系统的工作流程包括有工件的补充、气压冲孔、测孔及搬运，该系 统是典型的可以采用并行性分支与汇合流程实现的一个控制系统。
我们看一下工艺图，
转盘下方的PH0是一个工件检测传感器，可检测是否有工件需要加工，如果有工件放在该位置，工件检测传感器的开关触点动作。
PH1是一个转盘定位传感器，在转盘转动时，如果该传感器动作，说明工件已到达加工位置，则使转盘停止转动。
废料箱上方有一个隔离挡板，当不合格工件到达该位置时，该挡板就会被抽离，工件则落入废料箱。该挡板由一个单作用气缸(即A缸)驱动。
包装箱上方有一个隔离挡板，当合格的工件到达该位置时，该挡板就会被抽离，工件则落入包装箱。该挡板由一个单作用气缸(即B缸)驱动。
蓝色的是气压冲孔机，可对工件进行孔的加工。上面设有两个限位开关，下限位开关MS0和上限位开关MS1。
绿色的是测孔机，可检测工件上孔的深度。如果工件的孔深超出设定的标准，则该工件即为不合格品。上面设有两个限位开关，下限位开关MS2和上限位开关MS3。
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（此处已添加圈子卡片，请到今日头条客户端查看）系统控制要求：
1、工件的补充、冲孔、测孔及搬运可同时进行。工件的补充由传送带送入。
2、工件的搬运分合格品及不合格品两种，由测孔部分判断。若测孔机在设定时间内能测孔到底(MS2 ON)，则为合格品，否则即为不合格品。
3、不合格品在测孔完毕后，由A缸抽离隔离板，让不合格的工件自动掉入废料箱;若为合格品，则在工件到达搬运点后，由B缸抽离隔离板，让合格的工件自动掉入包装箱。
1、对冲孔加工机控制系统的控制功能进行分析。
因为该系统的控制过程较为复杂，为方便编程，可按功能将整个系统分为若干子系统，分别绘制各子系统的顺序功能图，然后进行合并。
因此我们可设计5个流程：
复位流程，清除残余工件；
工件补充流程，根据有无工件控制传送带的启停；
冲孔流程，根据冲孔位置有无工件控制冲孔机是否实施冲孔加工；
测孔流程，检测孔加工是否合格，由此判断工件的处理方式；
搬运流程，将合格工件送入包装箱。
2、确定具体的控制方案。
因为只有一个放在工件补充位置的PH0来侦测工件的有无，而另外的钻孔、测孔及搬运位置并没有其他传感装置，那么应如何得知相应位置有无工件呢?本案例所使用的方式是为工件补充、钻孔、测孔及搬运设置4个标志，即M10-M13。当PH0侦测到传送带送来的工件时，则设定M10为1，当转盘转动后，用左移指令将M10-M13左移一个位元，亦即M11为1,钻孔机因此标志为1而动作。其他依此类推，测孔机依标志M12动作、包装搬运依M13动作。
3、对冲孔加工机控制系统进行IO分配。
4、根据冲孔加工机控制系统的流程规律和转移条件，绘制顺序功能图。
原点复位流程：
在系统启动时，应先排除(放入废料箱)先前留下的工件，即执行复位操作。
方法是在工件传送到测孔位置后，转盘电机停止，然后A缸抽离隔离板，使工件落入废料箱。因为最多会残留四个工件，所以上述动作需循环四次。
原点复位流程由四个状态组成。当启动按钮START(X1)按动瞬间，进入状态S0，用MOV指令清除残余工件计数用寄存器D0。然后自动转换到S20状态，使Y1动作，并驱动电机M1，转盘转动。
转盘转动过程中，定位传感器PH1(X3)动作瞬间，辅助继电器M0有效，则进入状态S21，使Y2动作，并驱动A缸，抽离废料箱隔离挡板，然后由T0延时2秒。2秒结束，T0的常开触点动作，则进入状态S22，首先调整残余工件计数用寄存器D0，然后用比较指令判断残余工件是否全部清除。
若M21为1,说明4个残余工件已全部清除，则结束复位流程。若M22为1，说明残余工件还未完全清除，则转移到S20重复前面的动作。
在任何时候，若按下停止按钮STOP(X0)，则由复位指令RST复位状态S0，由区间指令ZRST复位状态S20-S26、M0-M30，由MOV指令对Y0-Y2复位。
工件补充流程：
传送带转动后，在两种情况下才能结束，一是工件检测传感器PH0(X2)已检测到工件，二是设定时间到后PH0(X2)仍未检测到工件。
工件补充流程由两个状态组成。初始复位流程结束后即进入状态S25，使Y0动作并驱动传送带电机M0，然后由T1设置8秒的等待时间。
在等待时间内若工件检测传感器PH0(X2)动作，则进入状态S26，设置工件标志M10，然后进入下一流程;在等待时间结束后，若工件检测传感器还未检测到工件，则直接进入下一流程。
气压冲孔流程：
冲孔流程是根据冲孔位置有无工件控制冲孔机是否实施冲孔加工。
气压冲孔流程由2个状态组成。定位结束直接进入状态S28。当工件标志M11为1时，表示冲孔位置有工件，Y4动作并驱动冲孔机，开始冲孔,直到下限位开关MS0也就是X4动作。
然后进入状态S29，结束冲孔，冲孔机机退回，直到MS1也就是X5动作，结束气压冲孔流程，进入下一工序。在进入S28后，若工件标志M11为0，说明无工件可加工，则直接退出冲孔流程。
测孔流程：
测孔流程，检测孔加工是否合格，由此判断工件的处理方式。
测孔流程由3个状态组成。定位后直接进入状态S31。当工件标志M12为1时，说明测孔位置有工件，则Y5动作，开始测孔，由T2设定5秒测孔时间。测孔过程中，若下限位开关MS2也就是X6动作，表示工件为合格品，进入状态S33，结束测孔流程。
若工件标志M12为0，说明测孔位置无工件，则直接进入状态S33，结束测孔流程。
若测孔时间超出设定值，表示冲孔失败，工件为不合格品，则进入状态S32。
①由复位指令RST清除工件标志M12(不再需要该工件)
②Y2动作并驱动A缸抽离隔离板，以便排除不合格品。
③由T3延时2秒时间，等待工件彻底落下。
工件搬运流程：
搬运流程，将合格工件送入包装箱。
工件搬运流程由2个状态组成。定位后直接进入状态S34。若工件标志M13为1，说明搬运位置有工件，则Y3动作并驱动B缸，抽离隔离板，工件调入包装箱，由T4延时2秒，然后进入状态S35，结束搬运流程。若工件标志M13为0,则直接进入状态S35，结束搬运流程。
上述四个动作做完后，则回到前面，以驱动转盘，并将工件标志左移一个位元。为了使四项工作能同时进行，且需互相等待，应使用并行性分支与汇合的方式来设计。将5个分流程汇集在一起完成顺序功能图的设计。
5、根据顺序功能图，编写步进指令梯形图程序。
（技成培训原创，作者：蔡慧荥，未经授权不得转载，违者必究）
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编码器在石油钻机电气传动系统中的应用
摘要:介绍了编码器在变频驱动系统和PLC控制系统中的工作原理和用途,阐述了编码器与DTI板的接线方式、编码器信号在SIEMENS变频器中的处理过程及PLC控制系统怎样利用编码器计算大钩高度,接线方式及参数标定。编码器在促进这些技术的发展方面起着不可替代的作用。利用它可以对绞车进行速度闭环控制,转盘对输出转矩和转速可以根据需要进行连续调节和设定,根据滚筒圈数计算大钩高度。
关键词:石油钻机电气传动系统编码器应用
一、石油钻机电气传动系统
石油钻机电气传动系统作为钻机的控制核心,它主要包括动力控制系统、主电机驱动及配电系统、自动化系统和人机界面等。一般按照主电机驱动形式可以分为直流传动系统和交流传动系统。当前交流传动系统主要以交流变频传动系统为主,根据交流变频钻机在国内发展的10a。它不仅具有功能强大、技术先进、安全可靠等优势,还在与先进的现代钻井工艺结合上有着其它系统无法比拟的优越性 [1],因而交流变频电气传动系统将成为石油钻机的发展趋势。
二、编码器用途及工作原理
(1)用途。通过把机械角度物理量的变化转变成电信号的一种装置,主要用于测量转动物体的角位移量、角速度、角加速度。通过它把这些物理量转变成电信号输出给控制系统或仪表,控制系统或仪表根据这些量来控制驱动装置。最常用的编码器有两种:绝对值编码器和增量式编码器。ZJ50DBS钻机电气传动系统使用的编码器是24V增量式编码器,它的整体布局见图1。这些编码器分别安装在绞车变频电机、转盘变频电机、自动送钻变频电机和滚筒轴末端。其中变频电机编码器主要用于采集转速信号,使其形成速度闭环控制系统。滚筒编码器将滚筒圈数反馈给PLC控制系统,从而计算出大钩高度,成为自动送钻、上碰下砸、井深跟踪等功能的重要基础数据。
(2)工作原理。编码器通常直接引出8根接线,包括24V、0V、A、A-、B、B-、O、O-,实际应用中可根据具体情况接线。一般而言,直流24V、0V为编码器提供电源,A、A-、B、B-、O、O-为脉冲反馈信号。A,B为编码器计数的两相,他们相位上相差90度。我们可以通过他们的关系判断出编码器的旋转速度和方向,比如A相位比B相位超前90度,则为正转,反之B相位比A相位超前90度,则为反转。O则是编码器每旋转一周产生的一个脉冲,A-、B-、O-为A、B、O的取反。用示波器测量A、A-、B、B-、O、O-的波形。
三、编码器在钻机变频传动系统中的应用
石油钻机电气传动系统驱动的设备有绞车电机、转盘电机、泥浆泵电机、自动送钻电机。从钻机调速要求可以看出,泥浆泵对调速要求不高,一般R≥1.5即可,而绞车和转盘的调速范围宽 [3],所以除泥浆泵以外均需安装编码器,从而实现其在规定范围内调速的要求。它的主要作用是为变频器提供转速反馈信号,形成速度闭环控制系统,使绞车在重负载下实现悬停和双电机同步、转盘具有精确调速性能。
(1)编码器在变频传动系统中的接线。变频传动系统中编码器一般需要连接A,B,24V,0V至变频器CUVC板X103端子。但变频电机与电控房的距离较大,导致编码器信号削弱,所以需要在编码器与变频器之间安装DTI板,用来实现电位隔离、信号放大以及抑制干扰等。采用常见的DTI板的接线方式,DTI板电源由X404外接直流24V提供,编码器信号通过X401端输入到DTI板,由X403端输出并与CUVC板X103端连接。
(2)变频器处理编码器信号及参数标。SIEMENS 6SE70/71变频器处理编码器信号过程。编码器信号通过CUVC板X103端输入到变频器,后经过A/D转换器,将脉冲信号转化为数字信号,为V/F速度闭环控制提供转速反馈信号,当编码器出现故障时变频器将出现F053代码。通常6SE70/71变频器对编码器进行参数标定时主要有以下参数:P100、P130、P151、P215、P172、P187和P222等,利用这些参数可以将编码器与变频器进行匹配,达到最佳使用效果。值得一提的是,当编码器损坏的情况下,为了不耽误钻井生产,可以通过修改P100、P130等参数模拟去掉编码器,使变频器继续工作,实际生产中应急效果明显。
四、编码器在变频钻机PLC控制系统中的应用
PLC控制系统是整个电气传动系统的核心。它主要实现参数采集、功能保护、数据计算和通讯等功能。其中编码器是PLC控制系统中不可缺少的一部分,它的功能是采集绞车滚筒圈数,以脉冲的形式送入单通道智能计数模板FM350-1。通过PLC控制系统计算出大钩高度,成为自动送钻、井深跟踪、上碰下砸等功能的主要基础参数。
(1)编码器在PLC控制系统中的接线。PLC控制系统中采用的编码器是24V增量式编码器,它和FM350-1的一般接线原理。大钩高度编码器需要引出5根信号线外带一根屏蔽线至FM350-1模块,这5根线包括24V、0V、A、B、O。
(2)编码器信号在PLC控制系统中的数据处理过程。编码器信号通过FM350-1模块输入CPU315-2DP后,利用编辑好的PLC程序,将编码器脉冲信号转换成数字量信号。运用数学公式可以准确计算出大钩高度的变化值△H。
具体见公式1: △H={[(m-1)×m/2×(d0×)+(m×D)]×3.14×r+[(m×d×)+D]×(3.14×y)｝-{[(n-1)×n/2×(d×)+(n×D)]×3.14×r+[(n×d)+D](3.14×x)}
式中:D—滚筒直径(m);d—钢丝绳直径(m);m—当前层数;n—初始层数;x—初始圈数;y—当前圈数;r—滚筒圈数;
五、结束语
阐述了编码器在钻机电气传动系统中的应用过程,以ZJ50DBS钻机为实例,介绍了相应的接线技术、参数标定等,目的是为从事变频钻机电气传动系统设计、管理及维护人员提供一些理论依据以及实际应用方法,进一步理解编码器在系统中的重要作用和应用过程,以方便编码器在实际生产中的应用。◆
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