0 引言

近幾年來汽車、鐵路交通、航空航天等重要行業對高性能上等鑄件的需求不斷提高，從而推動了鑄造設備進一步向自動化、智能化發展[1]。國內各主流鑄造廠都投入大量的資金進行自動化智能化產線建設，以及對現有產線的改造和升級[2]。我們設計了一款基于 PLC 控制的智能換爐車用于鑄造機的換爐生產，采用傳統滑觸線供電，安裝方便，安全性強，供電穩定，運動起來很順暢，且性價比高[3]。傳統的鑄造生產企業采取人工叉車換爐或者人工駕駛電瓶車等實現換爐，這種運輸工具及運輸方式因具有噪音大、投資高、效率低下、人工操作強度大、穩定性低及安全性差等缺點而會逐漸被淘汰[4]。而且叉車抓舉裝置需要單獨設計，一般成本比較高，且通用性不強。

1 系統供電

換爐車取電是系統的基礎，考慮到成本、成熟度和穩定性，選擇 DMHP 系列多極管式安全滑觸線供給 3 相 380VAC 電源，安全滑觸線主要結構由以下組成：絕緣導管外殼、多極導電銅排、繼電器及懸吊、固定等組合而成。這種滑觸線主要優點是設計緊湊、性能穩定、使用安全、性價比高，廣泛應用于小型吊車、電動葫蘆及自動化物流輸送線。

滑觸線的基本結構及安裝示意圖分別如圖 1 和圖2 所示。

2 控制系統架構

換爐車的控制系統主要由西門子 S7- 1500PLC 帶 5 個 V90 驅動器及 1FL6 伺服電機構成，觸摸屏采用 TP1200 精智面板，控制系統架構如圖3 所示。西門子 Scalance 交換機負責中轉和傳輸系統的 Profinet 通訊數據，與第三方設備的通訊采用無線網絡通訊，系統預留與 MES 對接的接口，采用標準工業以太網四芯 cat5 屏蔽網線，系統通訊穩定可靠。

此外，接近開關用于定位換爐車在鑄造機臺的位置，換爐車首先運行至設定的目標位置，再以很慢的速度去尋找定位接近開關，找準定位位置，使得換爐車停止位置控制在 1 mm 左右，*后通過定位插銷將智能換爐車導軌與鑄造機坩堝爐導軌**對準。

3 控制系統程序設計

本系統程序開發基于 TIA Portal V15，TIAPortal V15 又稱博途 V15，是一款由西門子打造的全集成自動化編程軟件，整合了 STEP7、WINCCSTARTDRIVE 等，只需要用博途一個軟件就能對觸摸屏、PLC、驅動進行編程調試和仿真，非常方便快捷。西門子全新的博途 TIA V15 版本功能強大，運行非常可靠。

3.1 換爐車自動控制流程

換爐車自動控制流程如圖 4 所示，自動模式下先選擇插銷模式（手動或自動），再選擇目標機臺，自動計算出目標機臺位置（帶補償值），按下啟動按鈕，系統先判定插銷模式，如果插銷為自動模式，插銷自動退回至初始位置，如果插銷為手動模式，需要人工退回插銷；插銷退回到位后，換爐車開始由設置的速度運行，運行至目標位置后停止，然后慢速尋找定位接近開關，找準接近開關后停止，如果插銷為自動模式，則插銷自動插入定位座中，靠插銷憋正微小偏移的車體，如果插銷為手動，則停止運行換爐車，人工操作使得插銷插入避免車體移動。

3.2 PLC 程序設計

本系統 PLC 程序主要由以下 7 部分組成，分別是：輸入輸出、HMI 接口、TO 工藝對象、模式切換、手動控制、自動控制、報警安全，其程序結構如圖 5 所示。系統共有 5 個 V90 驅動 5 個軸，通過TO 工藝對象控制各軸，5 個伺服軸的 TO 工藝對象如圖 6 所示。

兩個主動輪采用 TO 工藝對象配置速度同步，右輪跟隨左輪，調用同步控制功能塊 FB_LAxisCtrl_PosAxis、FB_LAxisCtrl_SyncAxisGearing 實現從軸與主軸的速度同步運行。通過 V_assistant 進行伺服運行參數的優化，*終速度運行穩定，滿足生產要求。

此外，車體運行安全也是一個設計的重點，本換爐車采用國內**的安全觸邊，分別安裝在換爐車的前后兩端，保證在高速運行中，一旦有任何東西觸碰觸邊，達到觸發力 60 N 就可以立即觸發報警，小車立即停車并報警，從而保證小車安全運行，也保證人員安全。

3.3 HMI 程序設計

HMI 程序設計主要分為以下 6 部分：手動畫面、自動畫面、參數設置、曲線監控、報警及仿真。自動畫面如圖 7 所示，手動和自動模式切換操作簡單，只需在操作面板上切換手自動旋鈕，實現模式切換，在自動畫面上再依次選擇插銷手動或自動模式，選擇目標機臺，*后按下啟動命令，換爐車就會啟動運行，通過自動定位控制流程，直至**找準目標機臺，*后將定位插銷插入定位插銷座。

4 結論

本文設計了一款基于 1500PLC 的智能換爐車控制系統，采用傳統滑觸線供電，簡捷實用，供電能力強，可靠性高，性價比高；采用 1FL6 伺服電機初步定位，通過鑄造機臺安裝的接近開關二次定位，機械插銷三次定位，保證了換爐智能車的定位精度，精度在 1 mm 以內，滿足了鑄造車間換爐生產的要求，大大提升了生產效率，降低了成本，并減輕了工人勞動強度。