采煤機鏈輪、刮板機鏈輪和超大型齒輪等產(chǎn)品都要進行最后的淬火工藝。目前，國際上僅有德國“貝丁豪斯”公司壟斷著火焰表面加熱自動淬火技術(shù)；而國內(nèi)主要采用“窖爐式加熱工藝”或手工進行產(chǎn)品的最后淬火處理。此類淬火方式能源消耗高、速度慢、工人勞動強度大、淬火硬度不均勻、對用戶造成極大的經(jīng)濟損失、對國家造成極大的能源與勞動力的浪費。

本文主要敘述了基于PLC、HMI的火焰淬火機床的自動化控制和可視觸摸操作，對于節(jié)省成本，提高淬火效率和質(zhì)量具有非常關(guān)鍵的作用。在控制系統(tǒng)中，PLC是控制系統(tǒng)的核心，具有邏輯控制的功能，并與計算機數(shù)字控制機床（CNC）配合，完成時序控制。HMI是連接人和機器的人機界面，結(jié)合PLC使用，通過相應(yīng)的組態(tài)軟件設(shè)計，可對工件火焰淬火參數(shù)進行現(xiàn)場實時填表式設(shè)置，還能對淬火裝備實現(xiàn)智能化可視操作及實時、歷史信息監(jiān)控，從而實現(xiàn)系統(tǒng)操作控制的自動化、報警和故障診斷等功能。

火焰淬火機床設(shè)計

火焰淬火機床主要由機體、旋轉(zhuǎn)平臺、電器自動控制、淬火液冷卻循環(huán)系統(tǒng)、火焰槍冷卻循環(huán)系統(tǒng)、火焰槍手動調(diào)整、火焰槍氣動快速調(diào)整、液壓動力控制、自動點火熄火控制、空氣動力控制、氧氣可燃氣

分配系統(tǒng)等十多種系統(tǒng)部分組成。圖1是火焰淬火機床本體圖，其上半部分又兼淬火液槽，整個火焰淬火機床系統(tǒng)圖還包括電氣控制柜、水循環(huán)和燃氣供氣系統(tǒng)等，此處就不一一在本文內(nèi)容上敘述了。

機床液壓系統(tǒng)采用容積式與疊加閥組成開環(huán)系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)除給機械系統(tǒng)提供動力以外，在升降平臺的下降過程中還有緩沖的功能。利用軟化水對加工工件進行水冷，冷卻液在工作過程是絕對不能停止的，否則在一秒之內(nèi)火焰槍就會燒穿，其他發(fā)熱元件在缺水時，壽命也受影響。

為此，利用水位計檢測補水，其次在冷卻液的上水管中設(shè)計水壓傳感器，當(dāng)水壓低于設(shè)定值時設(shè)備停機。淬火液的溫度變化對淬火質(zhì)量也有很大的影響。系統(tǒng)設(shè)計為：當(dāng)淬火液溫度低于設(shè)定值時，外循環(huán)冷卻系統(tǒng)關(guān)閉；反之，外循環(huán)冷卻系統(tǒng)打開，溫度信號由傳感器傳送到控制系統(tǒng)并在觸摸屏上顯示。

圖1 火焰淬火機床本體圖

電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)的主要要求是：除了能滿足全自動化的功能外，還要具有設(shè)備監(jiān)控、在線參數(shù)設(shè)置、記錄、報警、故障診斷等功能，為了滿足國內(nèi)的生產(chǎn)要求，應(yīng)具有以下功能。

• （1）工作臺（工件）移動定位準(zhǔn)確；旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定、速度可調(diào)。
• （2）設(shè)備具有監(jiān)控功能，零件加工過程能夠?qū)崟r動態(tài)顯示，界面易操作。
• （3）保護措施完善，故障報警及時、準(zhǔn)確能夠及時準(zhǔn)確處理電源中途掉電等故障。
• （4） 時序易于調(diào)整，參數(shù)在線修改方便，機床分手動和自動兩種工作方式。
• （5）對強磁場和強電場采取防范措施，避免對控制系統(tǒng)系統(tǒng)干擾，部分元件要考慮潮濕環(huán)境的影響。
• （6）當(dāng)工件淬火結(jié)束一個循環(huán)，機床應(yīng)該處于初始的狀態(tài)。

1 硬件設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)采用PLC、HMI和CNC聯(lián)合控制方式。PLC負責(zé)設(shè)備的邏輯控制，并與CNC配合，完成時序控制；HMI負責(zé)設(shè)備狀態(tài)控制監(jiān)控、工作過程的動態(tài)顯示，以及零件加工參數(shù)的輸入、采集和記錄等；CNC負責(zé)工作臺得位置控制機主軸的旋轉(zhuǎn)、定位和升降，同時負責(zé)整臺機床的工作時序。

CNC系統(tǒng)選用德國西門子公司的802D，,內(nèi)置S7-200型PLC,人機界面觸摸屏選用國產(chǎn)昆侖通態(tài)公司的MCGS嵌入式觸摸屏（TPC1062K），圖2為電氣控制系統(tǒng)圖。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)火焰淬火自動控制的要求，選用性價比較高的HMI(觸摸屏)、PLC及相應(yīng)組態(tài)軟件。通過調(diào)用組態(tài)元器件、啟用配方及運用宏指令功能，設(shè)計火焰淬火通用性、自動化的HMI界面。結(jié)合PLC軟件程序設(shè)計，完成火焰淬火的自動控制。

（1）PLC軟件設(shè)計

火焰淬火機床的控制室順序控制，它的工作循環(huán)從載荷開始一步步有條不紊按工序的進行，每個工序步執(zhí)行一些指令使電磁閥動作，用行程開關(guān)或壓力開關(guān)來判斷每一工序步是否已經(jīng)完成?？刂浦袃?nèi)部的多組復(fù)制繼電器可記憶系統(tǒng)的這些工作狀態(tài)。根據(jù)控制要求可繪制工件的加工工藝流程圖，根據(jù)流程圖就可進行梯形圖編程。

當(dāng)梯形圖程序編寫好后，通過個人計算機用三菱編程軟件Gx-Developer進行程序?qū)懭?，并用仿真軟件Gx—Simulator對寫入的程序在個人電腦中進行模擬，這樣可以對梯形圖程序進行監(jiān)控和調(diào)試，當(dāng)編寫的程序不能滿足條件時，可返回Gx—Developer對程序進行調(diào)整，直至梯形圖程序能達到控制要求為止。

（2）PLC控制程序設(shè)計

控制系統(tǒng)采用兩套獨立的控制：手動控制系統(tǒng)和觸摸屏控制系統(tǒng)，兩套控制系統(tǒng)都可獨立完成對工件的淬火全部過程，這樣提高了整個控制系統(tǒng)的可靠性特別是MCGS嵌入式觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)，它可以對整個淬火過程通過圖畫模擬動態(tài)顯示直觀地顯示，可以對淬火全過程進行監(jiān)控報警處理。

在淬火過程中MCGS自動記錄一些淬火參數(shù)如淬火加熱溫度、加熱時間、淬火時間等可幫助用戶對產(chǎn)品進行技術(shù)分析，另外實時溫度曲線可方便地讓用戶直觀了解淬火工件表面的變化情況，可更好的保證產(chǎn)品的淬火質(zhì)量。圖3為淬火程序流程圖。

（3）觸摸屏系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用的是國產(chǎn)昆侖通態(tài)公司的MCGS嵌入式觸摸屏（TPC1062K），觸摸屏使用SIMATIC PROTOOL Pro v6.0+SP2組態(tài)軟件編輯，通過PROTOOL提供的多種控制器件庫、圖形控件、可以組態(tài)出各種動態(tài)功能和控制功能，以及實現(xiàn)故障的可示化，并且能夠讀取PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)，顯示現(xiàn)場狀態(tài)數(shù)據(jù)。

根據(jù)火焰淬火機床原有的電控系統(tǒng)和操作要求，并考慮MCGS嵌入存儲容量和屏幕尺寸，在觸摸屏系統(tǒng)中設(shè)計了如下6個畫面：

• 手動運行畫面，用于手動運行監(jiān)視；
• 工件型號設(shè)置畫面，用于淬火工件管理；
• 自動運行畫面，用于淬火工件選擇，自動淬火過程監(jiān)視；
• 淬火參數(shù)設(shè)置畫面，用于淬火程序編制，需要輸入的參數(shù)包括：工件淬火過程中的速度、加熱時間等；
• 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置畫面，用于設(shè)定手動速度、回零速度、最大速度等；
• 實時信息、歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)以及狀態(tài)監(jiān)視畫面，包括PLC、伺服驅(qū)動器運行狀態(tài)監(jiān)視，及設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視（停止、正常運行、上升、下降、加熱等）。

而運行監(jiān)視包括手動運行監(jiān)視和自動淬火過程監(jiān)視。手動運行監(jiān)視主要用于初次工件安裝、工藝調(diào)試等，自動運行監(jiān)視則主要用于正常淬火過程顯示：包括工件當(dāng)前運行位置和速度、工件旋轉(zhuǎn)速度、工件的溫度、工件冷卻延時以及機床當(dāng)前運行方式和狀態(tài)。

通過人機界面觸摸屏可以很清晰的顯示整個淬火過程，如圖4所示為主控界面圖，可以很方便的在主控界面上進行淬火過程的各項操作，通過點擊主控界面上最下方的突起小方塊，如“用戶管理、歷史記 錄、參數(shù)設(shè)置和實時曲線等”，可以進入到相應(yīng)的模塊，從而進行相應(yīng)的操作。

圖5為鏈輪工件淬火過程參數(shù)設(shè)置的界面圖，在界面上設(shè)置相應(yīng)的氧氣、可燃氣、淬火時間、淬火溫度等參數(shù)，便可進行工件鏈輪的淬火了。圖6為鏈輪工件淬火后的歷史數(shù)據(jù)圖，這為調(diào)用淬火數(shù)據(jù)查看提供了很大的方便，也便于工作人員通過淬火數(shù)據(jù)記錄對工件淬火的參數(shù)進行必要的休整和改進。

圖7為鏈輪工件的淬火溫度實時曲線圖，通過溫度曲線圖可以形象的顯示工件淬火的質(zhì)量，也為對工件更好的淬火時進行淬火參數(shù)設(shè)置提供了依據(jù)。

圖2 電氣控制系統(tǒng)硬件框圖

圖3 淬火系統(tǒng)流程圖

圖4 火焰淬火主控界面圖

圖5 鏈輪工件淬火參數(shù)設(shè)置圖

圖6 鏈輪工件淬火歷史數(shù)據(jù)記錄表圖

圖7 鏈輪工件淬火溫度實時曲線圖

總結(jié)

利用PLC和HMI技術(shù)實現(xiàn)火焰淬火自動控制，集控制、操作、顯示、報警為一體，實現(xiàn)各種工件火焰淬火的自動化和通用性，大大提高了火焰淬火效率和質(zhì)量。通過對采煤機的鏈輪進行火焰淬火工藝的應(yīng)用驗證，解決了溫度不均勻、淬火硬度不合格、效率低下等難題。

在實際生產(chǎn)過程當(dāng)中，此控制系統(tǒng)具備將每個工藝流程參數(shù)與已檢驗合格的標(biāo)準(zhǔn)樣件做比對，超差就報警。同時對設(shè)備狀況實時報警監(jiān)控，避免超差產(chǎn)品的流出，以及氧氣、可燃氣壓力的超出引起的爆炸等?；赑CL、HMI的火焰淬火機床尤其適合于在大批量工件火焰淬火處理生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于PLC、HMI的火焰淬火機床系統(tǒng)的設(shè)計”，作者為唐焱、卜慶華 等。）