基于 S7-1200 的定長(zhǎng)切割控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

WANG Jinfeng

Abstract — The system designed in this paper adopts S7-1200PLC control， the inverter stepless to adjust material speed， the servo motor realize the precise length measurement， and the MCGS friendly human-machine interface to achieve high-precision and high-efficiency dynamic cutting system.

Index Terms — computer engineering， terms-fixed-length cutting， PLC， MCGS， frequency converter， servo motor.

隨著我國(guó)制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)管材、棒材定長(zhǎng)切割的需求旺盛，對(duì)切割精度的要求也越來(lái)越高。采用先進(jìn)的現(xiàn)代切割技術(shù)，不但可以保證切割精度、產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，而且使產(chǎn)品制造成本大幅度下降，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。

定長(zhǎng)切割系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在金屬管材、塑料和玻璃生產(chǎn)線的生產(chǎn)過(guò)程。常用的定長(zhǎng)切割系統(tǒng)有靜態(tài)切割和動(dòng)態(tài)切割兩種。靜態(tài)切割是走停送料，刀座是固定不動(dòng)的，在切割加工瞬間待切材料必須完全停止。動(dòng)態(tài)切割是連續(xù)送料的，在切割加工瞬間刀具與材料是同步運(yùn)行的。靜態(tài)切割效率明顯低于動(dòng)態(tài)切割，但靜態(tài)切割的切割精度較好控制。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)定長(zhǎng)切割設(shè)備有穩(wěn)定性能好、切割精度高兩個(gè)基本要求。傳統(tǒng)的定長(zhǎng)切割設(shè)備采用繼電器、接觸器控制，這種控制系統(tǒng)線路復(fù)雜、切割參數(shù)誤差大、故障率高、能耗大、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。本文研究用西門子 S7-1200 系列 PLC 取代傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，用伺服控制器的高精度實(shí)現(xiàn)精確定尺切割，用人機(jī)界面方便設(shè)定、統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量和訂單完成情況等，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)定長(zhǎng)切割系統(tǒng)生產(chǎn)效率高、控制精度高、運(yùn)行可靠性高以及操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 定長(zhǎng)切割系統(tǒng)的組成與基本結(jié)構(gòu)

定長(zhǎng)切割系統(tǒng)由給料系統(tǒng)、切刀系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成，其基本機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，包括底座、工作滑臺(tái)、工料、切斷氣缸、進(jìn)料滾輪、滑臺(tái)電動(dòng)機(jī)、編碼器、切斷壓板、壓緊氣缸、鋸片、次品分揀汽缸、次品推板和正品傳送帶和工料檢測(cè)傳感器等。

定長(zhǎng)切割系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)主要有進(jìn)料電機(jī) M1、滑臺(tái)電機(jī) M2、鋸片電機(jī) M3 、傳送帶電機(jī) M4 等 4 個(gè)電動(dòng)機(jī)和切斷氣缸、壓緊氣缸、次品分揀汽缸等 3 個(gè)氣缸組成。滑臺(tái)電動(dòng)機(jī)初始位置檢測(cè)傳感器 SQ1、左右限位保護(hù)傳感器 SQ2 和 SQ3，左右極限位保護(hù)傳感器 SQ4 和 SQ5，編碼器（A/B 相計(jì)數(shù)），工料檢測(cè)傳感器 SQ6，切斷壓板的初始位置和終點(diǎn)位置檢測(cè)傳感器 SQ7、SQ8，分揀推板起始位置、終點(diǎn)位置檢測(cè)傳感器 SQ9、SQ10，鋸片氣缸原位檢測(cè)傳感器 SQ11、SQ12。

2 定長(zhǎng)切割系統(tǒng)的硬件及與原理

為實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)切割系統(tǒng)的工藝要求，滿足現(xiàn)代企業(yè)高效生產(chǎn)的需求，硬件設(shè)計(jì)采用 PLC 電氣控制，配置觸摸屏、變頻器和伺服電機(jī)的現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)。進(jìn)料電動(dòng)機(jī) M1 選用三相異步電動(dòng)機(jī)（帶速度繼電器），由西門子 MM420 變頻器進(jìn)行速度控制。滑臺(tái)由電機(jī) M2 選用伺服電機(jī)，由臺(tái)達(dá) ADS-B2 系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。鋸片電動(dòng)機(jī) M3 選用雙速電機(jī)，能進(jìn)行高、低速運(yùn)行。正品傳送帶 M4 選用三相異步電機(jī)（不帶速度繼電器），只進(jìn)行單向正轉(zhuǎn)運(yùn)行。切斷氣缸、壓緊氣缸、次品分揀汽缸 分別由 PLC 數(shù)字量輸出點(diǎn)控制，置位則推出， 復(fù)位則返回，氣缸的置位復(fù)位狀態(tài)由觸摸屏顯示。電氣控制系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)如圖 2 所示。

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。

S7-1200 是西門子公司推出的一款緊湊型、模塊化的 PLC，設(shè)計(jì)緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強(qiáng)大的指令集。適用于單機(jī)小型自動(dòng)化系統(tǒng)、小型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)。具有強(qiáng)大的通信功能，容易實(shí)現(xiàn)多屏 HMI 人機(jī)對(duì)話。本項(xiàng)目選用 1 個(gè) CPU1212C DC/DC/DC 模塊，1 個(gè)數(shù)字量擴(kuò)展模塊 SM 1223 DI8×24VDC DQ8×繼電器，1 個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊 SM1232 AQ2×14 位。動(dòng)態(tài)切割要保證切割裝置與給料系統(tǒng)同步移動(dòng)，切割長(zhǎng)度不受輸送線速度波動(dòng)的影響，關(guān)鍵問(wèn)題是同步，該系統(tǒng)的同步問(wèn)題由伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)解決。伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動(dòng)控制裝置、伺服電機(jī)和檢測(cè)裝置組成，包括參量設(shè)定、變量檢測(cè)反饋、偏差處理算法、執(zhí)行機(jī)構(gòu)隨動(dòng)等環(huán)節(jié)。伺服系統(tǒng)具有驅(qū)動(dòng)器和受控對(duì)象共同協(xié)作、控制精度高、指令響應(yīng)快、啟停特性好等特點(diǎn)。本項(xiàng)目伺服電機(jī)采用 ECM A-C20606ES，伺服驅(qū)動(dòng)裝置選用 ASD-B2-0721-B。PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖 3 所示。由圖 3 可以得出定長(zhǎng)切割 PLC 控制系統(tǒng)的 I/O 地址分配表如表 1 所示。

變頻器的速度給定信號(hào) DC0~10V 由 PLC 模擬量輸出模塊提供，伺服電動(dòng)機(jī)的極限位置信號(hào) SQ4、SQ5 直接接入伺服控制器。

3 軟件設(shè)計(jì)

定長(zhǎng)切割系統(tǒng)設(shè)備有手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種工作模式，由 SA 轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇。在手動(dòng)模式下，由 MCGS 選擇哪臺(tái)電機(jī)運(yùn)行，相應(yīng)的指示燈亮。站 PLC 和觸摸屏之間的通訊。例如，測(cè)試主站與觸摸屏之間的通訊時(shí)，可在觸摸屏上設(shè)置指示燈，當(dāng)按下 SB1 時(shí)，觸摸屏上的指示燈亮。手動(dòng)模式一般用于設(shè)備檢修調(diào)試及生產(chǎn)過(guò)程非正常工作狀態(tài)的處理。手動(dòng)操作模式 MCGS 界面設(shè)計(jì)。

在手動(dòng)操作模式，操作員在下拉框選擇要工作的電動(dòng)機(jī)，點(diǎn)擊啟動(dòng)、停止按鈕進(jìn)行操作。工作的電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的指示燈亮。按下切割按鈕后。壓緊氣缸、切斷氣缸在 PLC 程序的控制下，自動(dòng)完成系列操作，工料被切斷后，自動(dòng)縮回夾緊氣缸和鋸片氣缸。SA 轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到自動(dòng)操作模式，打開觸摸屏自動(dòng)操作畫面。首先，操作人員根據(jù)生產(chǎn)情況設(shè)置切料長(zhǎng)度和進(jìn)料速度等參數(shù)。系統(tǒng)初始化，判斷滑臺(tái)、切斷壓板、分揀推板及鋸片等是否位于初始位置。自動(dòng)模式界 MCGS 面設(shè)計(jì)。

按下啟動(dòng)按鈕 SB1， 進(jìn)料電機(jī) M1 啟動(dòng)，工件連續(xù)擠出；當(dāng)工料檢測(cè)傳感器 SA1 檢測(cè)到有物料時(shí)，t1 開始計(jì)時(shí)；當(dāng) t1＝L/v 時(shí)，啟動(dòng)滑臺(tái)電動(dòng)機(jī) M2，由伺服控制跟隨工料同步運(yùn)行。壓緊氣缸在滑臺(tái)與工料同步后伸出，鋸片電動(dòng)機(jī) M3 開始低速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)壓緊氣缸伸到位后，鋸片氣缸伸出，鋸片電動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)切割工料。切斷后，夾緊氣缸、鋸片氣缸均回歸原始位。若切割誤差滿足系統(tǒng)要求，正品傳送帶電機(jī)啟動(dòng)將成品運(yùn)出；否則分揀氣缸動(dòng)作，將次品剔除至側(cè)面。至此，一個(gè)工作周期完成，鋸片電機(jī)停轉(zhuǎn)，滑臺(tái)快速回歸原始位，同時(shí)編碼器復(fù)位。至此，一次切料完成。繼續(xù)等待工料，判斷是否達(dá)到切割長(zhǎng)度，再次進(jìn)入上述工作循環(huán)。直到工料檢測(cè)傳感器檢測(cè)不到物料，整個(gè)切料機(jī)系統(tǒng)停止。當(dāng)按下停止按鈕 SB2，系統(tǒng)完成一個(gè)動(dòng)作周期后滑臺(tái)電動(dòng)機(jī) M2 回到初始位置后停止運(yùn)行。系統(tǒng)發(fā)生急停事件按下急停按鈕時(shí)（SA2 被切斷），系統(tǒng)立即停止。系統(tǒng)自動(dòng)控制程序的軟件流程。定長(zhǎng)切割系統(tǒng)的部分主程序。定長(zhǎng)切割系統(tǒng)子程序伺服電機(jī)的控制。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究以 S7-1200PLC 作為控制核心，實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)控制；用臺(tái)達(dá) MCGS 作人機(jī)界面，便捷修改操作參數(shù)，跟蹤訂單進(jìn)度；以 MM420 變頻器來(lái)控制進(jìn)料電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)料速度無(wú)極調(diào)速，滿足不同工藝要求；通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)控制滑臺(tái)與切割工料同步運(yùn)行，滿足動(dòng)態(tài)切割。實(shí)踐證明，該生產(chǎn)線切料速度快、邊緣整齊、分揀準(zhǔn)確率高和操作便捷的優(yōu)點(diǎn)，該控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一定擴(kuò)展可滿足多自由度運(yùn)動(dòng)控制的需要。具有一定的推廣、應(yīng)用價(jià)值。
責(zé)任編輯:pj