基于PLC的自动冷等静压机的设计

基于PLC的自动冷等静压机的设计

刘富裕  赵淑萍

山东协和学院  工学院，山东  济南  250109

【摘要】该设计包含硬件设计和控制系统设计两大部分。其中控制系统包括配电柜、电机、PLC程序，硬件设计包括六部分，筒体包含上塞、上塞推杆、辅助泵电机以及换向电磁阀，油水箱配备过滤以及抽水泵，底座包括导轨、筒体支架以及底板，框架包括车轮、车轮架、伸缩推杆。冷等静压机是将待成型粉末材料装入模具，模具放入筒体，筒体注入水箱中液体实现等压操作，上塞盖好框架进压住上塞，将制品放置于盛满液体的密闭容器中，在高压的环境下，通过对其各个表面施加相等的压力（触摸屏预设），使得制品的密度变大，并得到所需的形状。

【关键词】冷等静压触摸屏PLC

1  自动冷等静压机的硬件设计

稳定的控制系统需要可靠的硬件系统，所以完美的硬件设计是系统高效运用的基础。该等静压机硬件设计部分包括七个部分：筒体、框架、底盘、增压器、油水箱、电机以及电控系统。由电控系统控制，主电机带动油箱内高压耐磨油不断增加增压器内压力，高压耐磨油在增压器内不断被压缩，被不断增高的油压通过高压油管压缩筒体内液体，实现等静压操作。

1.1  硬件组成

冷等静压机的筒体是整个产品最主要承压部分。筒体部分包括有筒体和上塞。其中上塞部分由上塞盖、上塞推杆、泄压装置和限位开关。筒体内部中空，注满液体，粉末成型材料放入定制好的模具中，将模具震动均匀完全浸没在筒体中的液体中，上塞推杆推动上塞盖好，上塞盖好后限位开关接通结束上塞动作。筒体为圆柱形结构，内部为粉末成型材料容器，下方封闭上方开口。上塞推杆为双向油缸，由辅助泵电机通过油站提供动力，油缸的上升下降被电控系统控制的电磁阀控制。油站电磁阀的选型需要考虑与油站阀体相匹配，而且要考虑到安全因素，必须选用可以在安全电压内工作的电磁阀，电磁阀内压力较大，必须选用质量可靠的大品牌，所以选用油研液压DSG-02-3C60-DL DC24V液压阀。为保证使用上塞开关的使用寿命，推杆采用异形槽口，活塞推杆下半段为下压操作，上半段为上盖旋出操作。

1.2  电机

本等静压机一共使用六台电机。

两台75KW三相异步电动机搭配160SCY-1B轴向柱塞泵作为主油泵；

一台15KW三相异步电动机搭配40SCY-1B轴向柱塞泵作为供水泵；

一台4KW三相异步电动机搭配10SCY-1B轴向柱塞泵作为辅助泵；

一台2.2KW三相异步电动机搭配5SCY-1B轴向柱塞泵作为充抽液泵；

一台2.2KW三相异步电动机搭配5SCY-1B轴向柱塞泵作为过滤泵；

三相异步电动机与柱塞泵都用联轴器连接。

1.3  电控系统

1.3.1  断路器

断路器作为电机保护元器件，必须运行可靠、稳定。这里选用正泰生产的塑料外壳式断路器，正泰作为国内电器元件厂家的龙头企业，产品质量可靠。由于电器元件众多，因此需要一个断路器来控制六台电机和整个控制系统。这些断路器可以在电源线路或电动机出现严重故障时，自动断开电路。自动冷等静压机的总功率为150KW,即394A负载电流。配电柜总闸为了满足这些需求，我们在这个静压配电柜中使用了一个4P NM1-125S/3300 400A塑料外壳式断路器作为总电闸，主油泵电机功率为75KW，主电机启动时为星三角降压启动，选用3P NM1-125S/3300 200A塑料外壳式断路器来作为主油泵电机的断路保护开关，每主油泵电机一个断路器，NM1系列断路器是电机专用断路器，具有飞弧短，分断高的优点；供水泵电机需要增压器供水，流量较大，15KW电机在考虑到启动电流会较大，根据额定电流的2~2.5倍计算，所以选用3P NXB-63 D63A断路器来作为供水泵电机的断路保护开关，D系列断路器也是NXB-63型号中专用于电机的断路器；选用一个3P NXB-63 D16A小型断路器作为辅助泵电机保护开关；选用 两个3P NXB-63 D10A断路器分别作为充抽液泵电机和过滤泵电机的断路保护开关；控制电路电流较小，所以选用一个2P NXB-63 C32断路器作为控制电路保护开关。

1.3.2  PLC

PLC作为一种高效的电子系统，具有高精度的操作能力，能够实现对电路的精确检测和故障诊断，并且能够即时监测电路的状态，从而保证电路的正常。考虑到经济成本，冷等静压机选择一款基于信捷XD系列的XD3-48R-EPLC进行控制。信捷公司XD系列的PLC，它是新型各种可编程工业控制器之一，是目前在国内比较广泛应用的一种工业新型自编程控制成套设备，集经济与质量与一身，号称国内西门子。这款PLC主机有28个输入点和20个输出点，供电电源为AC100~240V，拥有三路AB高速计数器，相比信捷家XC系列PLC具有更快的处理速度，并且标配时钟支持扩展ED模块。冷等静压机一共需要26个输入端子和15个输出端子，XD3-48刚好够用；自动冷等静压机中用到的温度传感器和压力变送器两个传感器使用一个E4D模拟量扩展模块。

1.3.3  开关电源

开关电源输入220V交流电源，输出24V直流电，为控制电路中的PLC、触摸屏、中间继电器等供电。选用EDR-150-24 24V 6.25A的开关电源也能够满足自动冷等静压机所需，该开关电源有两路DC 24V电源输出，互不干扰。21个中间继电器与触摸屏、PLC额定电流完全够用。该开关电源电压稳定，电能转换效率高。

1.3.4  传感器

自动冷等静压机压力较大，高压防爆变送器需要定制，通过博通电子定制YB-2088 0~250MPa型号变送器，该变送器性能稳定，数据精准，是为数不多的高压变送器里面质量最好的。两线制方便安装。耐磨油经过高压时温度会增加，为保证安全，在油箱中安装温度传感器。监控温度不会很高，选用TP100热电偶，油温超过六十摄氏度时设备停止运行并报警。

2  仿真与调试

为了确保冷等静压机正常运行，对设计的控制程序进行仿真。搭建了实物仿真平台，用PLC进行实物仿真。通过仿真来验证程序运行的准确性，由于程序较多，所以对程序进行分模块验证，将程序的六台电机控制与其他控制分开验证。将开关作为输入信号，两个电位计模拟两个传感器信号，信号灯来直观显示PLC信号的输出。

先对电机控制部分进行验证，当给PLC输入信号时，两台主电机的星三角启动正常，六台电机的启动与停止均达到要求，按下急停按钮所有电机全部停止运行，保护功能良好。再对其他控制部分进行仿真验证，给PLC相应的信号时，PLC的输出也正常，摁下急停按钮所有输出停止。

通过仿真验证，控制程序运运行流畅完整，达到要求。

3  结论

本篇设计的主要内容是设计了一台基于PLC的自动冷等静压机基于PLC技术，这一系统可以实现对冷等静压机的精确控制，同时也充分考虑到了压机的一些特性。此外，该系统还具有人机交互界面，可以方便快捷地监测冷等静压机的运行状态，并可以及时发出警报，以确保其正常运行。经过测试，自动冷等静压机可以流畅运行，并且加压压力可以达到160MPa。

首先分析硬件方面的问题，硬件复杂众多，具体如下：筒体、框架、底盘、增压器、油水箱、电机以及电控系统。在硬件设计方面遇到最大的问题就是，经验不足，对各种国标型号的钢板、无缝管、圆钢不熟悉，造成材料的浪费和工时增加。

要做PLC编程，不仅仅要让设备动作起来、运行起来，还要有对设备有一定的保护功能以及保护后的报警功能，当然，故障解除后还要有相应的报警解除功能，保证设备在故障解除后继续工作。

最后对人机交互界面进行编程控制实现以上压机动作并与PLC进行通信。在此之前，对各型号触摸屏进行对比优缺点，综合经济与实用性，选择出最适合的触摸屏。

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