延期体自动装压药机控制系统设计与实现

严尚贤，许杰淋，朱全松

（中国兵器装备集团自动化研究所装药中心，绵阳 621000）

摘要：针对国内火工品生产以人工生产为主、自动化程度低的问题，研究出一种自动装配延期体的控制技术。本项目利用可编程逻辑控制技术、人机交互技术、数据记录查询、变频调速技术、转台式物流技术等实现了延期体的自动装药、压药和拔冲等功能。该技术目前已应用于国内某厂延期体自动装压药机上。应用结果表明：该技术实现了延期体的自动装配以及危险区域的人机隔离和安全生产，保证了产品的装配精度，节约了人力资源。

关键词：可编程逻辑控制技术；人机交互技术；数据记录查询；变频调速技术；转台式物流技术

中图分类号：TP273 文献标志码：A

The design and implementation of control system for the delay device’s automatically charging and pressing gunpowder equipment

Yan Shang Xian, Xu Jie Lin, Zhu Quan Song

(Ammunition Center, No.58 Research Institute of China Ordnance Industries, Mianyang 621000, China)

Abstract: For domestic initiating explosive device is given priority to with manual production, the low automation degree, many person, poor product consistency problem, conduct a control system of automatically charging and pressing delay element’s control technology. This project takes advantage of programmable logic control technology, Human-computer interaction technology, data record and query, variable frequency speed control technology , revolving logistics technology to realize automatically charging and pressing the delay element. The technology has been applied in a domestic plant ignition tube automatically assemble production line. Application results show that the technology has realized the accurate assembling and dangerous area of man-machine isolation and production safety, ensure the consistency of product, managing human resources.

Keywords: programmable logic control technology; Human-computer interaction technology; variable frequency speed control technology; data record and query; ignition tube automatically assemble; revolving logistics technology

0 引言

火工品是指装有一定炸药的、可用预定的刺激量激发并以爆炸或燃烧产生的效应完成规定的功能的元件或小型装置^[¹^]。它也是弹药中的最小爆炸单元，其体积小、结构简单、使用方便，被激发后能产生足够的输出，实现预定的做功效果。从火箭发射到卫星航天，从工程爆破到精确打击，高科技火工品的应用可谓无处不在^[²^]。它制约和影响着国防领域关键性技术的发展，甚至直接关乎有效发挥作战效能与提升核心军事能力。因此，火工品已成为大国核心竞争力之关键技术。

目前火工品的生产尤其是一些高精尖产品的生产仍是手工作业，自动化程度低，人员众多，安全隐患大。产品质量主要靠人工保证，人为因素影响较大，并且无法记录实际工艺参数值，生产效率低，产品一致性较差。人工装压药，受其精力和耐性的影响，产品质量得不到保证，无法进行生产数据查询和质量管理^[³^]。

为了保证火工品延期体的装配质量和效率，且能对每班次产品进行数据查询，实现延期体的自动化生产，人机隔离安全操作，本文针对延期体生产工艺，开展了自动装压药机控制技术研究，将PLC逻辑控制技术、人机交互技术、数据记录查询、变频调速技术以及转台式物流技术等相结合，实现了延期体的自动装配^[^4-6^]。

1 延期体装压药机结构简述

延期体装压药机主要包括转台物流机构、装药机构、拔冲机构、压药机构、上下料机构、防爆罩以及控制系统组成。将设备四套装药机动作时序排列组合，可按照工艺要求完成六种延期体产品的装配。其结构示意图如图1所示。

图1 延期体装压药机结构示意图

延期体装压药机共有十个工位，俯视图顺时针看，依次是上料工位、四个装药工位、上冲杆工位、压药工位、退冲杆工位和下料工位。以延期药和耐水药为例，按照生产工艺要求，延期药装压四次，转台需运行四圈完成延期药的装配；耐水药装压一次，转台运行一圈即可完成耐水药的装配。两种药剂的装配工艺流程如图2和图3所示。

图2 延期药装配工艺流程图

图3 耐水药装配工艺流程图

2 延期体装压药机控制系统设计

2.1 控制系统构架搭建

本文采用SIEMENS公司生产的可编程控制器S7-1200 PLC作为主控制器，普罗飞斯GP-4501TW防爆触摸屏作为人机交互界面，PLC控制软件采用TIA PORTAL V13编写，人机界面（HMI）用GP-Pro EX4.0来组态。现场控制系统的配置包括：控制器、扩展模块（I/O扩展）、信号采集传感器以及执行机构等组成^[⁷^]。主控制器+扩展模块的方式实现整个设备的生产过程，PLC本机自带PROFINET接口和开入、开出点，负责对现场信号的采集和执行机构的执行，并将生产状态反馈回人机交互界面^[⁸^]。控制器安装在防爆配电柜内，配以低压电器，通过操作面板上的人机界面、按钮和开关实现对延期体装压药机的控制^[^9-10^]。

现场传感器、变频器、气缸和电机等输入输出信号通过控制器本机和扩展模块I/O点连入至CPU模块上。控制系统框图如图4所示：

图4 控制系统总体结构图

2.2 PLC程序设计

延期体装压药机控制系统主要用来控制六种延期体产品的装配，由于各种产品的工艺流程不相同，在控制上设置七套程序，通过HMI上参数设置界面的产品选择按钮，可切换到相应的工作程序。

生产作业前，由操作人员在HMI上设置相应的工艺参数，然后启动自动运行程序。整个控制系统以PLC为运算核心，处理所有输入、输出信号。本文控制的关键在于各工位能够有序且精准的执行动作，系统的动作节拍通过PLC里的计数器确定，首先电感式接近开关检测转台是否到位，然后由计数器来统计转台旋转到位的次数，以此来计算工作节拍。以延期药为例，转台需运转四圈，才能完成全部装配任务。转台通过分度角为180°的分度器来控制电机启停，每完成一次间歇运动，PLC计数器的计数值加1。所有机构的动作均以转台运转到位为前提，设计数器所记录的步数为N，则装延期药机构在2≤N≤41时，进行装药；转台运转步数在6≤N≤45时，人工将冲杆放入模具；压药机构在8≤N≤47时，进行压药；拔冲机构在9≤N≤48时，执行拔冲功能；配重机构根据生产节拍，在配置好的工序降下，实现配重的功能；下料机构在40≤N≤49时，执行下料，下料气缸收回，模具经上下料转盘流出转台。按照上述工作时序，PLC控制器能够精确完成各机构的功能，完成产品装配。

3 延期体装压药机人机界面设计

人机界面用来搭建人与设备交互的桥梁，它起着传递参数指令和输出设备状态的功能。本文在pro-face防爆触摸屏上主要开发出主画面图形显示、单步调试、参数设置和故障查询等四项功能。

主画面主要用来实时显示设备的各个功能块当前的工作状态，包括设备当前状态、产品种类显示、装药品种、共需装药次数、第一发已装药次数、产量统计等信息，如图5所示。

设备当前状态显示系统当前的运行状况，状态包括：自动、手动、故障、急停。以便操作员对设备进行分析判断，进而做出相应的决策；产品种类显示当前生产的产品，装药品种显示当前装药种类；共需装药次数显示该产品工艺要求共需装压几次；第一发已装药次数显示第一发产品已经装药的次数，进而得出全局的生产节拍；产量统计用来统计当前已生产的产品数量。