微型PLC关键数控大修

一瞥

闭环控制

线性位置传感器

双轴伺服控制

以太网连接

拖拉机挂车是高速公路上的庞然大物，所以微小的铆钉在这些车辆的制造中起着重要作用，这有点讽刺。但国际卡车和发动机公司(International Truck and Engine Corp.)位于俄亥俄州格罗夫城(Grove City)的工厂就是这种情况。该工厂生产牵引车-挂车的半驾驶室侧面和后面板。该工厂的计算机数控(CNC)机器在半驾驶室的铝制框架上钻孔和铆接铝侧板和后面板，质量很差。

装配驾驶室侧板和后面板的过程首先是将组成车身的六个预压铝“表皮”中的一个临时铆接到铝框架上。10到20个铆钉给组装的面板(可以高达8 x 5英尺)提供足够的稳定性，使工人能够通过叉车或传送带将它们运输到五个钻孔和铆接工作台之一，每个工作台配备两个双轴伺服电机和控制器。

直到最近，配备数控模块的plc控制伺服电机，将面板置于钻头和铆钉头下方，以便永久组装。钻头在铝制外壳及其支撑框架上钻出一个孔，然后缩回。机械手指在每个孔中放置一个铆钉，然后铆钉头在铆钉顶部锁定一个钢瓶。同时，面板下方的液压滑块挤压铆钉完成操作，工作台移动到下一个编程位置。

这个简单而复杂的过程容易出现代价高昂的错误。

俄亥俄州哥伦布市(Columbus)设计/建造自动化公司Industrial Technology Solutions (ITS)的负责人布莱恩•恩格尔(Brian Engle)说，如果铆钉在某些地方脱落超过半毫米，几乎会毁掉整个面板。该公司专门从事电气系统集成。两年前，格罗夫城工厂的生产率开始下降，浪费也在增加，这促使该公司要求ITS进行改进。

系统范围的问题

恩格尔说，很明显，设备问题——迫使国际卡车和发动机公司(ITEC)大约每生产30块面板就有一块报废——包括老化的plc和连接的控制装置。不一致的铆钉图案和工作台移动阻碍了生产。主要的问题是伺服放大器，这是为了提供伺服电机的扭矩和速度的精确控制。

“似乎有几个因素导致了伺服器的消亡，”恩格尔说。随着时间的推移，他们可能会发生电力罢工，也可能会受到核电站“脏”电力的影响。“脏电”指的是电压骤降、浪涌和谐波失真等问题。

他说，除了运动问题外，作业中还存在铆钉挤压不一致的问题。

“铆接的预期压力是4000磅的反作用力，但有些铆钉最终会被挤压到几乎没有任何东西的地步——把铆钉完全压扁。”与此同时，其他铆钉几乎不会被液压滑块接触到。

这些不一致似乎是由于系统缺乏在线压力传感器造成的。相反，该系统配备了标准的0-20 psi离散压力开关，用于测量孔板上的压差，而孔板极易受到液压管路碎片的影响，因此很难提供准确的控制。

“有时，开关会在5psi，有时是6psi，有时是3psi的压力下跳闸。“对于他们想要达到的质量来说，交换机上的死区太大了，而且不稳定。”

进一步导致生产力问题的是糟糕的系统诊断。由于其性质，钻孔和铆接装置经受了很大的冲击和振动。因此，由于故障或安全原因，它们突然停止工作并不罕见。然而，确定导致ITEC工厂关闭的原因是困难的，因为系统很少在其控制屏幕上显示适当的错误信息。因此，当操作员和维护人员进行耗时的故障排除时，机器可能会遭受长时间的停机。

“这绝对是一场噩梦。恩格尔说:“停工时间很长。”

控制系统修正

在对整个机器进行分析后，ITS推荐了一个解决方案，该解决方案需要将PLC和运动控制系统更换为更新、可靠的控制器，并更换机器的完整电气系统。

在设计解决方案时，ITS必须考虑ITEC的几个目标。恩格尔说，首先也是最重要的是质量。国际汽车公司强调了将零部件质量保持在最高水平的重要性。另一个考虑因素是可靠性。如果出了问题，他们希望诊断程序能够迅速准确地告诉他们问题出在哪里，从而最大限度地减少停机时间。如果需要更换部件，该公司希望保证在俄亥俄州工厂两天交货，这意味着ITS必须从可靠的供应商那里选择现成的部件。ITEC还希望提高机器速度以增加产量。

最后，该公司坚持要求ITS尽快完成大修。

我们有四周的时间让五台机器都启动并运行起来。恩格尔说:“在这段时间里，机器必须拆卸、清洁、喷漆，安装一个全新的电气系统并进行测试，然后机器必须重新投入生产。”

为了解决铆钉挤压压力不一致的问题，ITS确定重建较低的滑枕组件不足以使铆钉挤压压力一致。ITS的高级设计工程师兼负责人凯文·希迪(Kevin Sheedy)说，需要对整个系统进行重新设计。

ITS创建了一个闭环控制系统，该系统使用了一个集成的线性位置传感器枪，该枪钻入下部滑枕总成，再加上一个高精度、快速响应的在线压力传感器。

Sheedy说:“通过在主液压管线上使用压力传感器，我们减少了与差压读数相关的错误压力读数的机会。”

至于控制系统，ITS转向了AutomationDirect，这是一家品牌和自有品牌自动化组件的供应商。为了控制钻孔和铆接机械，ITS选择了配备该公司D2-260处理器的AutomationDirect的Direct Logic 205 PLC。设备配置包括2张32点输入卡、1张32点输出卡、1张8点模拟电压输入卡和1张8点模拟输出卡。

DL-205实际上被归类为微型plc。这是一个模块化的开槽式装置，功能强大，紧凑，足以满足我们的空间要求。”此外，处理器还必须有足够的内存位置，使控制器能够运行五个部分程序，每个部分都有不同的铆钉位置。

plc还配备了一个Direct Logic H2-CTRIO高速计数器，可为双轴伺服控制提供高速脉冲输出信号。

“它们每秒能产生25000次脉冲。这使得伺服系统在短时间内具有很高的精度。所以机器的反应非常快。这个新系统在表的运动上提供了10微米以内的精度，这让客户非常满意。”

ITS还用三洋Denki制造的型号取代了现有的伺服电机，这一选择主要是由于设计用于运行三洋Denki伺服放大器的DL-205模块的可用性。

此外，翻新后的系统还包括一个以太网链路，连接到一台运行AutomationDirect DataWorx数据记录软件的办公PC。DataWorx为工厂管理提供生产率、每台机器的速度、维护历史和其他信息。

为了减少长时间故障排除造成的停机时间，ITS还安装了AutomationDirect的15-in。彩色EZTouch显示器，安装在悬臂臂上，从每个钻孔和铆接机延伸。

“新系统为我们提供了比旧系统更详细、更容易理解的信息，”恩格尔说。如果操作员试图启动一台机器，但机器没有响应，屏幕上就会显示文本，指出究竟是哪里出了问题。如果工厂人员需要更多的信息，一个完整的系统诊断屏幕只需点击一下。操作员和维护人员可以更改任何和所有影响过程的值，而不需要除触摸屏之外的任何界面和适当的安全许可。ITS在2003年11月进行这项工程，并于今年早些时候完成大修。恩格尔说，到目前为止，新的钻井和铆接装置取得了很好的效果。

“例如，我们缩短了生产97英寸井眼的平均时间。从5分45秒降到4分3秒，提高了30%。”

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