全自動(dòng)剪板機(jī)的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(符合格式要求)

全自動(dòng)剪板機(jī)的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)張臻穎(武夷學(xué)院 電子工程系 福建 武夷山 354300)摘 要：文章對(duì)我國發(fā)展低成本自動(dòng)化的重要性等方面進(jìn)行了研究。根據(jù)實(shí)際需要和市場(chǎng)的需求，在常規(guī)的可編程控制器（PLC）和單片機(jī)控制中，選擇了以可編程控制器為主的控制方案。由于自動(dòng)剪板機(jī)是一種可按加工要求，將金屬板材剪開、自動(dòng)計(jì)數(shù)、并由送料車送到下一工序的順序控制的設(shè)備。由于它把計(jì)算機(jī)的編程靈活、功能齊全、應(yīng)用面廣泛等優(yōu)點(diǎn)與控制器系統(tǒng)的控制簡(jiǎn)單、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，而其本身又具有體積小、重量輕、耗電省等特點(diǎn)，在工業(yè)過程控制中的應(yīng)用越來越廣泛。加之PLC以其在硬件設(shè)計(jì)中采用了屏蔽、濾波、光電隔離等技術(shù)，在軟件設(shè)計(jì)中采用了故障檢測(cè)、信息保護(hù)與恢復(fù)等措施，進(jìn)一步提高了PLC的可靠性。關(guān)鍵詞：可編程控制器 自動(dòng)剪板機(jī) 自動(dòng)控制 順序控制全自動(dòng)剪板機(jī)的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 自動(dòng)剪板機(jī)工藝剪板機(jī)應(yīng)用于許多金屬加工和薄板開料操作，在設(shè)計(jì)剪板機(jī)之前必須對(duì)幾個(gè)因素進(jìn)行考慮，包括剪板機(jī)的剪切能力、產(chǎn)率增強(qiáng)選件和安全性。剪板機(jī)類型由許多因素決定，諸如剪板機(jī)可處理材料的長(zhǎng)度、厚度和種類。 剪板機(jī)可以按剪切形式及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分類，有兩種結(jié)構(gòu)形式常用于電動(dòng)龍門剪床：閘式（也叫滑塊式）和擺式。 閘式剪板機(jī)利用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)操縱動(dòng)刀片向下移動(dòng)到一定的位置，使動(dòng)刀片在整個(gè)行程內(nèi)幾乎與定刀片保持平行。為了使刀架片橫梁在相互移動(dòng)的過程保持合適的狀態(tài)，閘式剪板機(jī)需要一個(gè)滑塊導(dǎo)向系統(tǒng)。 擺式剪板機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中有一個(gè)用來操縱動(dòng)刀片，使動(dòng)刀片依附于滾柱軸承向下回轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)不再需要利用凹字形導(dǎo)向條或滑道使刀片在剪切過程保持合適的姿勢(shì)。 在評(píng)價(jià)剪板機(jī)時(shí)需要考慮的一個(gè)因素是指定的工作需要多大的剪切能力。剪板機(jī)的規(guī)格數(shù)據(jù)幾乎都以低碳鋼和不銹鋼為剪切對(duì)象。為了把金屬加工廠對(duì)剪板機(jī)的要求同這些數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，必須根據(jù)剪板機(jī)的能力核對(duì)工廠的材料規(guī)格。 有些剪切能力是針對(duì)低碳鋼規(guī)定的，因此可能包括抗張強(qiáng)度60,000psi，而另一些剪切能力適用于A-36或抗張強(qiáng)度80,000 psi。剪切不銹鋼的能力幾乎總是小于低碳鋼或A-36鋼。另外，某些鋁合金所需要的剪切力竟然和鋼一樣大。剪切角（動(dòng)刀片通過定刀片時(shí)的角度）是決定切口質(zhì)量的重要因素。一般而言，剪切角越小，切口質(zhì)量越好。如果落在剪板機(jī)后面的零件比較短（小于4(1.22m)），可能出現(xiàn)俯曲、扭曲和拱起等切口質(zhì)量問題。剪切角較小的剪板機(jī)需要較大的動(dòng)力。 剪板機(jī)依靠重要的標(biāo)準(zhǔn)部件和能夠增加生產(chǎn)率的選購件來增強(qiáng)產(chǎn)率，提高生產(chǎn)率可以表現(xiàn)為許多形式：節(jié)約人力，改進(jìn)物料流動(dòng)，提高精度，改善切口質(zhì)量并避免輔助操作，但最重要的是增強(qiáng)安全性。1.1 系統(tǒng)的控制要求據(jù)剪板機(jī)的工作特點(diǎn),對(duì)控制系統(tǒng)提出控制要求如下:1 上電后,檢測(cè)各工作機(jī)構(gòu)的狀態(tài),控制各工作機(jī)構(gòu)處于初始位置。2 進(jìn)料,由控制系統(tǒng)控制進(jìn)料機(jī)構(gòu)將待剪板料自動(dòng)輸送到位。3 定剪切尺寸,采用伺服電機(jī)控制擋料器位置保證精確的剪切尺寸,其尺寸可是定值也可以設(shè)置為循環(huán)變動(dòng)值。4 壓緊和剪切,待剪板料長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)定值后由主電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓料器和剪切刀具,先壓緊板料,然后剪斷板料。5 送料車的運(yùn)行,包括卸載后自動(dòng)返回。6 剪切板料的尺寸設(shè)定、自動(dòng)計(jì)數(shù)及每車板料數(shù)的預(yù)設(shè)定。7 具備斷電保護(hù)和來電恢復(fù)功能。8 能實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)控制,加工參數(shù)顯示,系統(tǒng)檢測(cè)。9 保證板料加工精度、加工效率和安全可靠性。10 具有良好的人機(jī)操作界面。1.2 剪板機(jī)結(jié)構(gòu)原理自動(dòng)剪板機(jī)是一種精確控制板材加工尺寸,將大塊金屬板材進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)剪切加工,并由送料車運(yùn)送到下一工序的自動(dòng)化加工設(shè)備，其結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。圖1 自動(dòng)剪板機(jī)原理圖1.2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)置了7個(gè)限位開關(guān)，分別用于檢測(cè)各部分的工作狀態(tài)。其中，SQ1 檢測(cè)待剪板料是否被輸送到位。SQ2、SQ3 分別檢測(cè)壓塊B 的狀態(tài)，檢測(cè)壓塊是否壓緊已到位的板料；SQ4 檢測(cè)剪切刀A 的狀態(tài)；SQ7 為光電接近開關(guān), 檢測(cè)板料是否被剪斷落入小車；SQ5 用于檢測(cè)小車是否到位；SQ6 用于判斷小車是否空載。送料機(jī)構(gòu)E、壓塊B、剪切刀A和送料小車分別由四臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。系統(tǒng)未動(dòng)做時(shí), 壓塊及剪切刀的限位開關(guān)SQ2、SQ3 和SQ4 均斷開, SQ1、SQ7也是斷開的。1.2.2工作原理當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),輸入板料加工尺寸、加工數(shù)量等參數(shù)，按下自動(dòng)開關(guān)，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。1 首先檢查限位開關(guān)SQ6 的狀態(tài),若小車空載, 系統(tǒng)開始工作, 起動(dòng)送料小車。小車運(yùn)行到位, 限位開關(guān)SQ5 閉合,小車停車。2 起動(dòng)送料機(jī)構(gòu)E 帶動(dòng)板料C 向右移動(dòng)。當(dāng)板料碰到行程開關(guān)SQ1 時(shí), 送料停止同時(shí)制動(dòng)器松開、電磁離合器結(jié)合，主電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作。3 壓塊電機(jī)啟動(dòng),使壓塊B 壓下, 壓塊上限開關(guān)SQ2 閉合。當(dāng)壓塊到位, 板料壓緊時(shí), 壓塊下限開關(guān)SQ3閉合。4 剪切刀電動(dòng)機(jī)起動(dòng), 控制剪刀下落。此時(shí),SQ4 閉合, 直到把板料剪斷, 板料落入小車。5 當(dāng)小車上的板料夠數(shù)時(shí), 起動(dòng)小車控制電動(dòng)機(jī), 帶動(dòng)小車右行,將切好的板料送至下一工序。6 卸下后, 再起動(dòng)小車左行, 重新返回剪板機(jī)下, 開始下一車的工作循環(huán)。板料的長(zhǎng)度L 可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整, 每一車板料的數(shù)量可預(yù)先設(shè)定。也間接地2 總體設(shè)計(jì)方案?jìng)鹘y(tǒng)的控制方法是采用繼電器-接觸器控制，但控制系統(tǒng)較復(fù)雜,大量的接線使系統(tǒng)可靠性降低,降低了設(shè)備的工作效率。采用可編程控硬件制器較好地解決了這一問題。它是一種將計(jì)算機(jī)技，自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合在一起的新型工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)備,不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)量信號(hào)的邏輯控制,還能實(shí)現(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)等智能設(shè)備之間的通信。因此,將PLC應(yīng)用于該控制,完全能滿足技術(shù)要求，且具有操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、工藝參數(shù)修改方便、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。在此對(duì)PLC進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，在自動(dòng)化控制領(lǐng)域，PLC是一種重要的控制設(shè)備。目前，世界上有200多廠家生產(chǎn)300多品種PLC產(chǎn)品，應(yīng)用在汽車（23%）、糧食加工（16.4%）、化學(xué)/制藥（14.6%）、金屬/礦山（11.5%）、紙漿/造紙（11.3%）等行業(yè)。以下對(duì)PLC的發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)、配置、應(yīng)用等基本知識(shí)做一簡(jiǎn)介。2.1 PLC的發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱ProgrammableController（PC）。個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為ProgrammableLogicController（PLC），現(xiàn)在，仍常常將PLC簡(jiǎn)稱PC。PLC的定義有許多種。國際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)PLC的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為3040%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量的能力、數(shù)字運(yùn)算的能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。2.1.1 PLC的分類 PLC的構(gòu)成從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 2.1.2 CPU的構(gòu)成CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序以及工作數(shù)據(jù)。PLC常用的存儲(chǔ)類型有RAM 、ROM、 EPROM、 EEPROM。圖2 PLC的工作原理PLC采用循環(huán)掃描工作方式，在PLC中，用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直至遇到結(jié)束符后，又返回第一條，如此周而復(fù)始的不斷循環(huán)。PLC的掃描過程如圖2。這個(gè)工作過程分為內(nèi)部處理、通信操作、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理幾個(gè)階段。全過程掃描一次所需的時(shí)間稱為掃描周期。內(nèi)部處理階段，PLC檢查CPU模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器等。同信操作服務(wù)階段，PLC與一些智能模塊通信，響應(yīng)程序器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當(dāng)PLC處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，只進(jìn)行內(nèi)部處理和通信操作服務(wù)等內(nèi)容。在PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，從內(nèi)部處理、通信操作、到程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。輸入處理又叫輸入采樣。在此階段，順序輸入所有端子的通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存所對(duì)應(yīng)的映象寄存器。在此輸入映象寄存器被刷新，接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行時(shí)，輸入映象寄存器與外界隔離，即使輸入信號(hào)發(fā)生變化，其映象寄存器的內(nèi)容也不會(huì)發(fā)生變化，只有在下一次掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息。程序執(zhí)行階段根據(jù)PLC梯形圖程序掃描原則，按先左后右，先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。循環(huán)掃描的工作方式是PLC的一大特點(diǎn)，也可以說PLC是串行工作的，這和傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)并行工作有質(zhì)的區(qū)別。PLC的串行工作方式避免了繼電器控制系統(tǒng)中觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序失配的問題。由于PLC采用掃描工作過程，所以在程序的執(zhí)行階段即使發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)映象寄存器的內(nèi)容也不會(huì)變化，要等到下一個(gè)周期的輸入采樣階段才能改變。掃描周期是一個(gè)很重要的指標(biāo)，小型PLC的掃描周期一般為十幾毫秒到幾十毫秒。PLC的掃描時(shí)間取決于I/O掃描速度和用戶程序的長(zhǎng)短，以及程序使用的指令類型。毫秒級(jí)的掃描時(shí)間對(duì)于一般工業(yè)設(shè)備通常是可以接受的，PLC的影響滯后是允許的，但是對(duì)某些I/O快速響應(yīng)的設(shè)備，則采取相應(yīng)的處理措施。如選用高速CPU，提高掃描速度，采用快速響應(yīng)模塊、高速記數(shù)模塊以及不同的中斷處理等措施減少滯后時(shí)間。影響I/O滯后的主要原因：輸入濾波器的慣性，輸出繼電器接點(diǎn)的慣性，程序執(zhí)行的時(shí)間，程序設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)母郊佑绊懙?。我們?cè)诖瞬槐匾敿?xì)分析CPU的內(nèi)部電路，但對(duì)各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號(hào)控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。2.1.3 I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。開關(guān)量是指，只有開和關(guān)（或1和0）兩種狀態(tài)的信號(hào)，模擬量是指，連續(xù)變化的量。常用的I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號(hào)類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受到最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。2.2 電源模塊PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。2.2.1 底板或機(jī)架 大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個(gè)整體。2.2.2 PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備編程設(shè)備：編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測(cè)運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，用于編程、對(duì)系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場(chǎng)控制運(yùn)行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。人機(jī)界面：最簡(jiǎn)單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面非常普及。輸入輸出設(shè)備：用于永久性地存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)，如EPROM、EEPROM寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機(jī)等。2.2.3 PLC的通信聯(lián)網(wǎng)依靠先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出網(wǎng)絡(luò)就是控制器的觀點(diǎn)說法。 PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。PLC的通信，還未實(shí)現(xiàn)互操作性，IEC規(guī)定了多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，PLC各廠家均有采用。 圖3 總體設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)圖對(duì)于一個(gè)自動(dòng)化工程(特別是中大規(guī)模控制系統(tǒng))來講，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。首先，網(wǎng)絡(luò)必須是開放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展；其次，針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議、機(jī)制的前提下進(jìn)行；再次，綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化必須根據(jù)板材自動(dòng)精確剪切加工的工作特點(diǎn)及動(dòng)作要求進(jìn)行設(shè)計(jì),因此本方案采用了可編程控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)剪板機(jī)的控制，設(shè)計(jì)思想如圖3所示。 3 自動(dòng)剪板機(jī)的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 3.1.1設(shè)計(jì)進(jìn)料機(jī)構(gòu)E用交流電機(jī)帶動(dòng)送料皮帶，傳送皮帶送料只向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，只要求電機(jī)向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)即可，輕負(fù)載小工率電動(dòng)機(jī)可直接起動(dòng)，用熔斷器和熱繼電器作短路、過載保護(hù)。使待剪板料自動(dòng)快速穩(wěn)定地輸送到剪切位置。3.1.2 設(shè)計(jì)壓料機(jī)構(gòu)B壓塊B的作用是壓緊板料，以利于剪切刀切斷板料，壓塊B又上升和下降兩種運(yùn)動(dòng)，要求帶動(dòng)壓塊的電動(dòng)機(jī)具有正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，控制電路有聯(lián)鎖保護(hù)、用熔斷器和熱繼電器作短路、過載保護(hù)。圖4 電機(jī)正反轉(zhuǎn)主電路所謂聯(lián)鎖控制是指，凡是生產(chǎn)線上某些環(huán)節(jié)或一臺(tái)設(shè)備的某些部件之間具有相互制約或相互配合的控制均稱為聯(lián)鎖控制，聯(lián)鎖控制包括：自鎖控制、互鎖控制、正常工作與點(diǎn)動(dòng)的聯(lián)鎖控制、實(shí)現(xiàn)按順序工作時(shí)的控制。電機(jī)正反轉(zhuǎn)就需要互鎖控制。3.1.3 剪切刀 剪切刀有兩種運(yùn)動(dòng)，下行切斷板料，然后上升復(fù)位，帶動(dòng)剪切刀機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)也應(yīng)具有正反轉(zhuǎn)，用熔斷器和熱繼電器作短路、過載保護(hù)。根據(jù)電機(jī)控制要求，其電機(jī)正反轉(zhuǎn)主電路圖如圖4所示，程序流程框圖如圖5所示。圖5 電機(jī)正反轉(zhuǎn)程序流程框圖電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制PLC設(shè)計(jì)討論：電力拖動(dòng)是指對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，采用繼電器-接觸器控制，都有自己的基本控制電路。采用PLC控制也應(yīng)該有自己的基本控制環(huán)節(jié)，為此而提出電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制PLC設(shè)計(jì)討論，尋找其較好的控制方案。繼電器-接觸器電氣控制原理如圖6所示。上、下兩圖比較，不管是電器元件、觸點(diǎn)數(shù)量、連接導(dǎo)線的數(shù)量都是一樣的，分別是5只、9個(gè)、13條。按鈕連線也是6根，但上圖的按鈕和接觸器連線較集中，從維修的角度看要比下圖優(yōu)越。元件的代號(hào)意義SB0帶磨姑頭急停按鈕。5SB1、5SB2正反轉(zhuǎn)啟/停按鈕。5KM1正轉(zhuǎn)接觸器。5KM2反轉(zhuǎn)接觸器。其中的5KM1和5KM2要求選用帶機(jī)械聯(lián)鎖的交流接觸器。圖6 繼電器-接觸器電氣控制原理電器元件的工作情況正轉(zhuǎn)：?jiǎn)?dòng)撳5SB1，5KM1得電動(dòng)作，其中一個(gè)觸點(diǎn)自鎖，另一個(gè)觸點(diǎn)則用于互鎖，即斷開5KM2的線圈回路。 反轉(zhuǎn)啟動(dòng)撳5SB2，首先是5KM1失電，其互鎖觸點(diǎn)恢復(fù)閉合，才是5KM2得電動(dòng)作，其中一個(gè)觸點(diǎn)自鎖，另一個(gè)觸點(diǎn)則用于互鎖，即斷開5KM1的線圈回路。 再次正轉(zhuǎn)啟動(dòng)撳5SB1，首先是5KM2失電，其互鎖觸點(diǎn)恢復(fù)閉合，才是5KM1得電動(dòng)作，其中一個(gè)觸點(diǎn)自鎖，另一個(gè)觸點(diǎn)則用于互鎖，即斷開5KM2的線圈回路。3.1.4設(shè)計(jì)小車送料裝置為實(shí)現(xiàn)板料自動(dòng)輸送到下一工位并返回,可采用交流電通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸,驅(qū)動(dòng)行走輪來完成小車往返各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力來自電機(jī),根據(jù)控制的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性要求,用交流電機(jī)來實(shí)現(xiàn)進(jìn)料、小車送料、托架下料，采用伺服電機(jī)控制擋料器精確定長(zhǎng)。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置在傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。而且永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)同直流伺服電動(dòng)機(jī)比較，主要優(yōu)點(diǎn)有：1）無電刷和換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低。2）定子繞組散熱比較方便。3）慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。4）適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。伺服的額定速度比一般異步電機(jī)高的多，并且可以控制轉(zhuǎn)速和位移，而一般的變頻器只側(cè)重于轉(zhuǎn)速控制，適用于開環(huán)調(diào)速，而伺服可以做到精確定位，速度環(huán)控制響應(yīng)比變頻器加外圍速度控制更直接，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的控制，采用圖7所示主電路,控制對(duì)象為4臺(tái)電機(jī)和一個(gè)蜂鳴器。KM1KM7為接觸器，KM1是緊急停止接觸器,KM2控制蜂鳴器,KM3KM7分別控制送料、壓塊、剪切和小車電機(jī)。FR1FR5都采用熱敏電阻作為測(cè)量元件的熱繼電器,FR1、FR3的設(shè)定值取送料和剪切電機(jī)上限溫度的95%,當(dāng)?shù)竭_(dá)此溫度時(shí)進(jìn)行閃光報(bào)警。該控制系統(tǒng)需要完成對(duì)工作機(jī)構(gòu)的控制情況如下：1）進(jìn)料控制,執(zhí)行器件為進(jìn)料電機(jī),通過對(duì)進(jìn)料電機(jī)的起?？刂?實(shí)現(xiàn)進(jìn)給機(jī)構(gòu)輸送板料，停止輸送板料的控制。2）刀具剪切控制,執(zhí)行器件為電磁離合器和電磁制動(dòng)器。通過控制主電機(jī)傳動(dòng)路線中的電磁離合器,控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刀具完成向下剪切板料,撤回利用彈簧完成。為了防止慣性造成連續(xù)剪切需要控制制動(dòng)器剪切一次制動(dòng)一次。3） 小車往返運(yùn)動(dòng)及停止控制,執(zhí)行器件為小車電機(jī),通過控制小車電機(jī)的起、停、正反轉(zhuǎn),控制送料小車在剪板機(jī)與下一工位往返送料。 圖7 控制系統(tǒng)的主電路圖其中,1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)都可采用光電、開關(guān)量控制。由于可編程控制器是低壓直流輸出,所以,我們使用中間繼電器作為控制器輸出的第1級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu),通過繼電器的觸電控制大功率接觸器的通斷,從而控制交流電機(jī)的起、停。執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的電磁離合器、制動(dòng)器需要采用專用輸出驅(qū)動(dòng)控制電路。 系統(tǒng)原來采用繼電器接觸器控制,但控制系統(tǒng)較復(fù)雜,大量的硬件接線使系統(tǒng)可靠性降低, 也間接降低了設(shè)備的工作效率。采用可編程控制器較好地解決了這一問題, 它不僅減少了系統(tǒng)的硬件接線, 提高了工作可靠性, 而且在加工工藝改變時(shí), 只需修改程序, 就可適應(yīng)新的加工要求, 大大提高了工作效率。3.2 PLC控制器的選擇選用歐姆龍CPM2AH系列PLC列主機(jī)3.2.1 I/O端子分配1 ） 輸入設(shè)備限位開關(guān): SQ1, SQ2, SQ3,SQ4,SQ5, SQ6, SQ7系統(tǒng)的停止啟動(dòng)按鈕: SB1, SB22） 輸出設(shè)備 一塊板料剪切完成并落入小車時(shí), 光電檢測(cè)開關(guān)SQ7合一次,計(jì)數(shù)器作減1計(jì)數(shù)。本設(shè)計(jì)中假設(shè)小車可最多載40塊板料。 KM1控制送料機(jī)構(gòu)電機(jī)的接觸器；KM2、KM2控制壓塊電機(jī)的接觸器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制壓塊壓緊和放松板料；KM3、KM3分別控制剪切電機(jī)的接觸器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制剪切刀上下運(yùn)行KM4和KM4控制送料小車電機(jī)的接觸器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn),從而控制小車的左行和右行。HL1為小車空載指示,根據(jù)需要, 還可增設(shè)其它信號(hào)指示。其輸入輸出端子分配如圖8所示。圖8 自動(dòng)剪板機(jī)PLC控制系統(tǒng)I/O端子分配圖把現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)輸入設(shè)備按編號(hào)接在PLC的輸入端子上，相應(yīng)的輸出設(shè)備接在輸出端子上。其端子的對(duì)應(yīng)輸入輸出為：輸入：表1 I/O地址分配表 輸入 輸出 停止SB100000送料電機(jī)KM101000系統(tǒng)啟動(dòng)SB200001壓塊上移KM201001板料到位SQ100002壓塊下移KM201002壓塊上限SQ200003剪切刀上移KM301003壓塊下限SQ300004剪切刀下移KM301004剪切刀狀態(tài)SQ400005小車左行KM401005小車到位SQ500006小車右行KM401006小車狀態(tài)SQ600007空載指示燈HL101007板料計(jì)數(shù)SQ700008卸貨按鈕SQ8000093.2.2 系統(tǒng)的軟件分析可知，本系統(tǒng)是一個(gè)多工步的順序控制系統(tǒng)，運(yùn)用模塊化程序結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便等優(yōu)點(diǎn)。利用PLC移位寄存器的移位功能，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)順序控制，使每一步嚴(yán)格按順序動(dòng)作。計(jì)數(shù)器對(duì)每車板料進(jìn)行計(jì)數(shù)，其值由用戶根據(jù)需要設(shè)定。3.2.3 系統(tǒng)的流程圖，控制系統(tǒng)的流程順序如圖9所示：圖9 控制系統(tǒng)的流程圖3.2.2 系統(tǒng)的梯形圖及其程序語句表1） 系統(tǒng)的梯形圖圖10系統(tǒng)的梯形圖2 ） 程序語句表表2 程序語句表0LDNOT 0.0749LD 200.071ANDNOT CNT10050AND 0.052ANDNOT 0.0051OR 200.083OUT 200.0052ANDNOT 200.094LD 200.0053ANDNOT 0.005AND 0.0154OUT 200.086OR 200.0155LD 200.087ANDNOT 200.0256AND 0.088ANDNOT 0.0057OR 200.099OUT 200.0158ANDNOT 200.1010LD 200.0159ANDNOT 0.0011AND 0.0660ANDNOT 200.0312OR 200.0261OUT 200.0913ANDNOT 200.0362LD 200.0914ANDNOT 0.0063AND CNT10015OUT 200.0264OR 0.0716LD 200.0265OR 200.1017OR 200.0366ANDNOT 200.1118LD 200.0967ANDNOT 0.0019ANDNOT 0.0368OUT 200.1020ANDNOT 0.0569LD 200.1021ANDNOT CNT10070AND 0