大專自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 S7-200PLC薄鋼板自動剪切控制系統(tǒng)

1、1課題的背景和意義自動剪切機(jī)是一種精確控制板材加工尺寸，將大型板塊進(jìn)行自動剪切的設(shè)備。傳統(tǒng)自動剪切機(jī)采用繼電器作為控制器件，其控制系統(tǒng)較復(fù)雜，參數(shù)改變不靈活，大量接線使系統(tǒng)可靠性降低，維修率高，降低了生產(chǎn)效率。PLC以其靈活性、快速性、可靠性和性價比高等特點(diǎn)越來越受到企業(yè)或者團(tuán)體設(shè)計者們的歡迎，在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。用PLC替代繼電器設(shè)計自動控制系統(tǒng)，具有操作簡單，運(yùn)行可靠，抗干擾能力強(qiáng)，編程方便，控制精度高的明顯優(yōu)勢?；谝陨螾LC特點(diǎn)，本課題主要研究如何應(yīng)用S7-200PLC設(shè)計一個薄鋼板自動剪切控制系統(tǒng)，設(shè)計的關(guān)鍵是如何提高控制的精度。2系統(tǒng)總體設(shè)計2.1系統(tǒng)控制要求本設(shè)計的薄鋼板

2、自動剪切控制系統(tǒng)要達(dá)到以下控制要求：（1）控制系統(tǒng)分手動檔自動檔。手動檔時，用點(diǎn)動的方式，人工完成鋼板穿帶，零位校準(zhǔn)。自動檔時，系統(tǒng)自動完成薄鋼板剪切工作。（2）通過撥碼盤設(shè)置薄鋼板剪切尺寸參數(shù)，可根據(jù)不同需求改變其參數(shù)。（3）有配套的故障分析判斷和電氣保護(hù)裝置，若運(yùn)行不正常，系統(tǒng)自動停車并發(fā)出警告信號。（4）鋼板剪切的精度要在一定范圍之內(nèi)，剪切尺寸2m，誤差不超過1mm。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理本設(shè)計薄鋼板自動剪切控制系統(tǒng)設(shè)備組成如圖2.1所示。1-開卷機(jī)；2-矯正機(jī)；3-光電開關(guān)；4、5-限位光電開關(guān)；6光電編碼器；7-測量輥；8-動力輥；9-電機(jī)；10-沖頭；11-傳送帶；12-行程開關(guān)

3、；13-光電開關(guān)；14-小車；15-套坑圖2.1 鋼板剪切結(jié)構(gòu)組成圖在圖2.1中，PLC完成開卷機(jī)和矯正機(jī)同步傳送，鋼板位置檢測采樣，沖頭控制，傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)控制，小車位置檢測，小車裝載鋼板量檢測等工作。系統(tǒng)的基本工作原理是這樣的：一開始是手動控制，人工將鋼帶依次穿過矯正機(jī)、活套、測量輥和夾送輥一直到?jīng)_頭，鋼帶運(yùn)動是通過點(diǎn)動矯正機(jī)和夾送輥（由動力輥和測量輥組成）進(jìn)行的。用撥碼盤設(shè)定剪切尺寸參數(shù)，鋼帶頭對好沖頭，光電編碼器處于零位，然后啟動自動控制按鍵，如果檢測到裝料小車到位，系統(tǒng)進(jìn)入自動控制狀態(tài)，將鋼板剪切，傳送到裝料小車上。鋼板經(jīng)歷加速，勻速，降速和爬行四個階段后停車。如果鋼板尺寸和設(shè)定一致，則

4、啟動沖壓系統(tǒng)進(jìn)行剪切，如果超出或者不夠，則電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)補(bǔ)充直到與設(shè)定值一致再剪切，接著剪切下一塊鋼板，不斷循環(huán)。套坑起著緩沖的作用，標(biāo)號3光電開關(guān)檢測套坑前是否有鋼帶，若沒有系統(tǒng)停車；標(biāo)號4和5為一對限位光電檢測開關(guān)，檢測套坑鋼板量是否合適，若過少加快矯正機(jī)速度一段時間，或過多減慢矯正機(jī)速度一段時間；標(biāo)號12為行程開關(guān)，若檢測到小車沒有到位，系統(tǒng)停車；標(biāo)號13為光電開關(guān)，若檢測到小車鋼板已經(jīng)滿載，系統(tǒng)自動停車并發(fā)出指示信息，等待小車把鋼板運(yùn)到下一道工序回來，系統(tǒng)繼續(xù)開車。本設(shè)計的薄鋼板自動剪切控制系統(tǒng)簡單分為控制部分，輸入模塊和輸出模塊，其結(jié)構(gòu)組成和工作原理可以用圖2.2所示的框圖表示。圖2

5、.2 系統(tǒng)方框圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1光電編碼器3.1.1光電編碼器原理光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。脈沖序列能正確地反映轉(zhuǎn)速的高低，但不能鑒別轉(zhuǎn)向。為了獲得轉(zhuǎn)速的方向，可增加一對發(fā)光與接收裝置使兩對發(fā)光與接收裝置錯開光柵節(jié)距的1/4，兩組脈沖序

6、列A和B的相位相差90度，如圖3.1所示2。正轉(zhuǎn)時A相超前B相；反轉(zhuǎn)時B相超前A相。(a)正轉(zhuǎn) （b）反轉(zhuǎn)圖3.1 區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的A、B兩組脈沖序列3.1.2光電編碼器的選擇和安裝選擇合適的光電編碼器，對提高系統(tǒng)整體性能到頭重要。本設(shè)計選擇歐姆龍的編碼器產(chǎn)品，型號E6B2-CWZ6C 2000P/R（中空型，電源電壓DC524V，消費(fèi)電力80mA以下，輸出形式NPN開路輸出，最高響應(yīng)頻率100KHZ，相位差A(yù)相、B相差90度），A相、B相信號經(jīng)過脈沖處理電路后，編碼器每旋轉(zhuǎn)一周可得到4000個脈沖。中空型光電編碼器的機(jī)械安裝主要注意以下問題：要避免與編碼器剛性連接，應(yīng)采用板彈簧；安裝時編碼器應(yīng)

7、輕輕推入被套軸，嚴(yán)禁用錘敲擊，以免損壞軸系和碼盤；長期使用時，請檢查板彈簧相對編碼器是否松動；固定編碼器的螺釘是否松動。編碼器在電氣連接方面注意以下事項：接地線應(yīng)盡量粗，一般應(yīng)大于3；編碼器的輸出線彼此不要搭接，以免損壞輸出電路；編碼器的信號線不要接到直流電源上或交流電流上，以免損壞輸出電路；與編碼器相連的電機(jī)等設(shè)備，應(yīng)接地良好，不要有靜電；配線時應(yīng)采用屏蔽電纜；避免在強(qiáng)電磁波環(huán)境中使用。前面曾經(jīng)考試過，為了方便，不用外置電源，用PLC內(nèi)部電源給各種傳感器和光電開關(guān)提供電源。后來考慮到PLC的電源的穩(wěn)定性，光電編碼器的電源接外接直流電源5V，其它光電開關(guān)和傳感器也一樣單獨(dú)接電源。3.2撥碼盤的

8、應(yīng)用3.2.1撥碼盤原理在工業(yè)控制中， 輸人設(shè)備必不可少。對PLC控制系統(tǒng)而言,人機(jī)交互的輸人方式廣泛采用觸摸屏、撥碼盤、光電及電磁開關(guān)等.。由于撥碼盤具有接口簡單、數(shù)據(jù)鎖存、操作方便直觀、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，因此在需要輸人少量控制參數(shù)和數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，經(jīng)常采用撥碼盤作為輸人部件5。本設(shè)計采用BCD碼撥碼盤作為數(shù)據(jù)輸入部件。BCD 撥碼盤是十進(jìn)制輸入，BCD 碼（即210 十進(jìn)制）輸出，又稱為8421 撥碼盤。如圖3.3所示，每片BCD 撥碼開關(guān)可輸入1 位10 進(jìn)制數(shù)，N片BCD 撥碼開關(guān)拼接可得N位10 進(jìn)制輸入。每片BCD 撥碼盤后面有5 個接點(diǎn)，其中C 為輸入控制線，另外4 根是BCD碼輸出

9、信號線。撥碼盤撥到不同的位置時，輸入控制線C 分別與4 根BCD 碼輸出線中的某根或某幾根接通。其接通的BCD 碼輸出線狀態(tài)正好與撥盤指示的10 進(jìn)制數(shù)相一致，符合210 進(jìn)制編碼關(guān)系。 (a) 撥碼盤外形 (b) 撥碼盤接線端子圖3.3 4位BCD撥碼開關(guān)示意圖3.2.2撥碼盤與PLC的連接一片只有一位十進(jìn)制數(shù)輸出的BCD撥碼盤與PLC連接非常簡單，只要將4根BCD碼輸出信號線分別與PLC的4個輸入端相連，控制線C直接接高電平就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入。如圖3.4所示。圖3.4 一片撥碼盤與PLC連接本設(shè)計為了滿足脈沖數(shù)設(shè)定需要使用了3片2位十進(jìn)制數(shù)輸出的BCD撥碼盤，其與PLC連接如圖3.5所示，最

10、大設(shè)定數(shù)為99999。圖3.5 多片撥碼盤與PLC連接在圖3.5中，3片撥碼盤分為A、 B、 C三組，各組撥碼盤的每個開關(guān)輸出點(diǎn)都串入二級管，利用二極管單向?qū)щ姷奶匦詠斫油ā嚅_撥碼開關(guān)選通組和非選通組的輸出信號。當(dāng)需要讀取A組撥碼盤所設(shè)定的數(shù)據(jù)時，PLC的輸出端Q1.2輸出高電平，Q1.3和Q1.4輸出低電平，則A組撥碼開關(guān)所串聯(lián)的8個二極管處于正向接法，而B和C組撥碼盤串聯(lián)的16個二極管處于反向接法。雖然A、B、C三組撥碼盤輸出是并聯(lián)的，但從PLC的輸入所讀到的數(shù)是A組撥碼盤所設(shè)定的數(shù)。依此類推，如果需要讀取B或C組撥碼盤所設(shè)定的數(shù)時，只要令本身的控制端為高電平，其它兩組的為低電平即可。通

11、過編程，PLC依次讀入A、B、C三組撥碼盤設(shè)定的數(shù)。3.3檢測開關(guān)的安裝3.3.1光電開關(guān)在自動控制系統(tǒng)中，往往應(yīng)用到許多傳感器，檢測生產(chǎn)過程的各個物理量，為控制器做出合理的判斷提供依據(jù)。光電開關(guān)是一種常用的傳感器，光電開關(guān)（光電傳感器）是光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對目標(biāo)物體進(jìn)行探測。在本設(shè)計中，用到了4對對射式光電開關(guān)檢測薄鋼板在不同位置的信息，安裝方式如圖3.6所示。圖3.6 光電開關(guān)示意圖假如選用DC 5V的光電開關(guān)，為了PLC的運(yùn)行穩(wěn)定

12、，電源不由PLC直流電流供電，而是直接由外接電源供電。光電開關(guān)的Ov按扭和PLC的輸入公共端COM連接，光電開關(guān)的輸出端與PLC的輸入端口連接。當(dāng)光電開關(guān)輸出高電平時表明光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的光源被遮擋，光電開關(guān)接收器無法接收到光源，即光電開關(guān)發(fā)射器和接收器間存在物體。在系統(tǒng)運(yùn)行時，正常情況下，3號光電開關(guān)一直檢測到傳送帶上一直有鋼板；若是檢測到鋼帶上沒有了鋼板，PLC控制系統(tǒng)即判定為開卷機(jī)已經(jīng)沒有鋼帶，發(fā)出停車指令。相關(guān)電路圖如圖3.7所示。光電開關(guān)在本設(shè)計的薄鋼板自動剪切控制系統(tǒng)中有著重要的作用，光電開關(guān)實時檢測系統(tǒng)運(yùn)行時鋼板在各個位置的存在狀況，為PLC提供系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行的實時數(shù)據(jù)，

13、保證系統(tǒng)的安全。圖3.7 光電開關(guān)與PLC連接3.3.2行程開關(guān)行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動作，實現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關(guān)是一種根據(jù)運(yùn)動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關(guān)廣泛用于各類機(jī)床和起重機(jī)械，用以控制其行程、進(jìn)行終端限位保護(hù)。在電梯的控制電路中，還利用行程開關(guān)來控制開關(guān)轎門的速度、自動開關(guān)門的限位，轎廂的上、下限位保護(hù)。本設(shè)計的自動控制系統(tǒng)中有三個行程開關(guān)，分別是檢測剪切鋼板的沖頭上下位置各一個，檢測載物小車是否到位一個

14、，其安裝示意如圖3.8所示。沖頭上下位置開關(guān)給PLC目前沖頭位置信息，說明沖頭是在原位還是已經(jīng)下沖，或者下沖是否到位。若沖頭下沖到位，SQ2給PLC信息，說明鋼板已經(jīng)剪切成功，接著進(jìn)行復(fù)位，SQ1給復(fù)位位置信號，復(fù)位不成功，系統(tǒng)不會開車。小車的位置檢測行程開關(guān)SQ3，既給PLC小車位置信息，又給下一道工序控制系統(tǒng)小車位置信息。(a)檢測沖頭位置行程開關(guān) (b)檢測小車位置行程開關(guān)圖3.8 行程開關(guān)安裝示意圖3.4變頻器3.4.1變頻器的一般架構(gòu)在本設(shè)計中，需要對矯正機(jī)和夾送機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動速度和幅度進(jìn)行有效控制，為矯正機(jī)和夾送機(jī)構(gòu)提供動力的裝置可以選擇交流伺服系統(tǒng)，比如用步進(jìn)電機(jī)作為動力裝置，其控制

15、精度比較高，使用也較方便，但是交流伺服系統(tǒng)的造價一般比較高。在PLC和變頻器技術(shù)日趨成就的今天，選擇PLC和變頻器搭配，有效地控制三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速和幅度，從而控制系統(tǒng)傳送機(jī)構(gòu)啟動，運(yùn)行，降速和準(zhǔn)確停車，達(dá)到的控制效果與交流伺服系統(tǒng)相近，是一種比較高性價比的方案。目前市場上出現(xiàn)的變頻器各類繁多，但基本的架構(gòu)一樣，也為其使用提供了依據(jù)。變頻器的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖3.11所示。圖3.11 變頻器的一般結(jié)構(gòu)框圖其中，直流供電電源輸入一般為24V直流電源；數(shù)字量輸入和模擬量輸入一般是PLC輸出端口和PLC擴(kuò)展模擬量輸出端口來控制；三相電輸入為50HZ三相交流電；制動電阻用來制動時機(jī)；三相變頻輸出是指經(jīng)過變

16、頻后，用于給被控制的時機(jī)提供的三相電，其頻率是根據(jù)速度信息得到的頻率。3.4.2變頻器的選擇本設(shè)計采用西門子的MICROMASTER 420 變頻器。MICROMASTER 420 變頻器適合用于各種變速驅(qū)動裝置，尤其適合用于水泵，風(fēng)機(jī)和傳送帶系統(tǒng)的驅(qū)動裝置。它的特點(diǎn)是設(shè)備性能面向用戶的需求，并且使用方便。它的電源電壓規(guī)格很多， 因而可在世界范圍內(nèi)應(yīng)用。MICROMASTER 420 變頻器調(diào)試簡單；模塊化的結(jié)構(gòu)， 因而組態(tài)具有最大的靈活性；具有三個完全可編程的隔離的數(shù)字輸入；一個可標(biāo)定的模擬輸入 (0V至 10V)；它也可以作為第4 個數(shù)字輸入來使用。；一個可編程的模擬輸出(0mA 至 20

17、mA)；一個完全可編程的繼電器輸出 (30V，直流/5A，電阻負(fù)載或 250V，交流/2A，感性負(fù)載)；采用較高的開關(guān)頻率時，電動機(jī)運(yùn)行的噪聲很小 (在脈沖的開關(guān)頻率較高的情況下，額定輸出電流要降格使用)；完善的變頻器和電動機(jī)保護(hù)功能。本設(shè)計主要用PLC的3個輸出端口通過MICROMASTER 420 變頻器3個可自由編程的數(shù)字輸入實現(xiàn)對變頻器的控制。Q1.2、Q1.3、Q1.4、Q1.5、Q1.6、Q1.7的通斷情況選擇變頻器的輸出，其對應(yīng)情況如表3-1所列。表3-1 變頻器控制輸入與三相輸出對應(yīng)表矯正變頻器送送變頻器控制端接通三相輸出控制端接通三相輸出Q1.2、Q1.3、Q1.450HZ，

18、向前Q1.5、Q1.6、Q1.750HZ，向前Q1.2、Q1.340HZ，向前Q1.5、Q1.640HZ，向前Q1.3、Q1.440HZ，向后Q1.6、 Q1.740HZ，向后Q1.420HZ，向前Q1.720HZ，向前Q1.2、Q1.420HZ，向后Q1.5、Q1.720HZ，向后Q1.210HZ，向前Q1.510HZ，向前Q1.310HZ，向后Q1.610HZ，向后3.5主電路設(shè)計本設(shè)計的PLC薄鋼板自動剪切控制系統(tǒng)主電路設(shè)計主要有兩塊，一是電機(jī)與變頻器電氣連接，二是沖頭執(zhí)行機(jī)構(gòu)、指示燈電氣連接，分別如圖3.9和3.10所示。圖3.9 主電路(a)在圖3.9主電路(a)中，電源為三相市電輸

19、入，為了保護(hù)變頻器和電機(jī)安全，串連兩個低電斷路器QF1和 QF2，串接了熔斷器，三相異步電機(jī)M1和M2接地。其中，M1電機(jī)負(fù)責(zé)矯正機(jī)的傳動，M2電機(jī)負(fù)責(zé)夾送機(jī)構(gòu)和輸送皮帶的傳動。變頻器電源的通斷控制由PLC控制兩個接觸器開關(guān)KM1和KM2的通斷來實現(xiàn)。一般情況下，把QF1和QF2合上，在系統(tǒng)上電時，KM1和KM2默認(rèn)為斷開。圖3.10 主電路(b)另外，在圖3.10主電路(b)中，單相市電接入串接熔斷器FU起保護(hù)作用。該電路主要完成兩個功能，一個是系統(tǒng)啟動后，KM1和KM2閉合，L1和L2指示變頻器已經(jīng)正常上電；二是接觸器開關(guān)KM3和KM4分別控制沖頭執(zhí)行機(jī)構(gòu)下沖或復(fù)位。3.6PLC控制系統(tǒng)3

20、.6.1PLC選型西門子公司的S7-200 PLC 是一種疊裝式結(jié)構(gòu)的小型PLC，它指令豐富，功能強(qiáng)大，可靠性高，結(jié)構(gòu)緊湊，便于擴(kuò)展，性能價格比高。從CPU模塊的功能來講，S7-200 系列PLC具有以下五種不同結(jié)構(gòu)配置的CPU單元8。(1) CPU 221有6輸入/4輸出，無擴(kuò)展，存儲容量較小，有一定的高速計數(shù)能力，適合于點(diǎn)數(shù)少的控制系統(tǒng)。(2) CPU 222有8輸出/10輸出，可以進(jìn)行模擬量的控制和2個模塊的擴(kuò)展，應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。(3) CPU 224有14輸入/10輸出，存儲容量擴(kuò)大了一倍，有7個擴(kuò)展模塊，內(nèi)置時鐘，有更強(qiáng)的模擬量和高速計數(shù)的處理能力，是S7-200系列中使用

21、最多的產(chǎn)品。(4) CPU 224XP最新推出的一款實用機(jī)型，最大的不同是主機(jī)上增加了2輸入/1輸出的模擬量單元和一個通信口，適合有少量模擬信號的系統(tǒng)中使用。(5) CPU 226有24輸入/16輸出，增加了通信口的數(shù)量，通信能力大大增強(qiáng)，用于點(diǎn)數(shù)較多，要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。根據(jù)以上S7-200 系列PLC不同CPU資源的了解，考慮到本設(shè)計的薄鋼板自動剪切控制系統(tǒng)所要求的點(diǎn)數(shù)較多，故選擇CPU 226 DC/DC/DC（6ES7 216-1AD21-0XB0）。設(shè)計涉及的CPU 226相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表3-2所列。表3-2 CUP 226 相關(guān)技術(shù)參數(shù)輸入/輸出24/16時間中斷2 個

22、定時器總數(shù)256個 高速計數(shù)器總數(shù)6個邊沿中斷4 上升/4 下降1ms4個單相計數(shù)器個數(shù)6個，30KHZ脈沖捕捉14個10ms16個兩相計數(shù)器個數(shù)4個，20KHZ計數(shù)器總數(shù)256個100ms236個由表3-2可以看出，S7-200 CPU 226 的資源是相當(dāng)豐富的，基本滿足了本設(shè)計的薄鋼板自動剪切控制系統(tǒng)的端口要求和編程時所需要的功能要求。3.6.2PLC端口分配控制系統(tǒng)PLC的I/O點(diǎn)及地址分配如表3-3所列。表3-3 I/O口信號代碼和地址編號表名稱代碼地址編號名稱代碼地址編號啟動按扭SB1I0.2正常燈指示L3Q1.0停止按扭SB2I0.3異常燈指示L4Q1.1手動/自動方式

23、選擇SAI0.4主電路電源通斷KM1Q0.0矯正機(jī)前進(jìn)SB3I0.5主電路電源通斷KM2Q0.1矯正機(jī)后退SB4I0.6沖頭下沖控制KM3Q0.2夾送輥前進(jìn)SB5I0.7沖頭復(fù)位KM4Q0.3夾送輥后退SB6I1.0撥碼盤控制Q1.2 Q1.4光電脈沖信號PSP1I0.0矯正變頻器設(shè)定Q1.21.4光電脈沖方向DSP2I0.1夾送變頻器設(shè)定Q1.51.7光電開關(guān)3信號SQ1I1.1光電開關(guān)4信號SQ2I1.2光電開關(guān)5信號SQ3I1.3光電開關(guān)13信號SQ4I1.4沖頭上限行程開關(guān)SQ5I1.5沖頭下限行程開關(guān)SQ6I1.6小車位置行程開關(guān)SQ7I1.7撥碼盤輸入I2.02.7本設(shè)計所選型號C

24、PU 226 DC/DC/DC，其電源接入和信號輸出有直流電源也有交流電源，而且各種電源的等級不盡相同，在接線時選擇各種電源是獨(dú)立分開的，互不干擾。系統(tǒng)所采用開按扭有兩種，一種是能夠鎖存狀態(tài)的按扭，即手動/自動方式選擇按扭；另外一種是點(diǎn)動按扭，主要是在手動方式下對電機(jī)進(jìn)行手動控制。特別值得注意的是，本設(shè)計的系統(tǒng)中，由于要對光電編碼器的脈沖進(jìn)行高速計數(shù)，使用了CPU226的某一個高速計數(shù)器。光電編碼器的脈沖信號經(jīng)光電脈沖電路處理后得到兩個信號，光電脈沖P和方向信號D，這兩個信號接入PLC的端口不是隨便的，而是根據(jù)規(guī)定，P信號接I0.0（時鐘），D信號接I0.1（方向），否則高速計數(shù)器將得不到正確

25、的信號。3.7變頻分段調(diào)速與交流伺服系統(tǒng)不同，變頻器和三相異步電機(jī)不可能在高速運(yùn)行狀態(tài)下迅速停車，必須有一個降速和低速爬行的過程，才能保證定位點(diǎn)的準(zhǔn)確，可以選擇多檔調(diào)速，控制精度更高，其運(yùn)行曲線見圖3.12。圖3.12 變頻器定位運(yùn)行降速控制規(guī)律另外，鋼板剪切的長度與毛巾平網(wǎng)印花機(jī)的花色間距不同，它不是定值，而是從幾十毫米到數(shù)千毫米不等，因此不可能采用同樣的運(yùn)行速度和同樣的降速爬行距離。否則，變頻器的定位停車會處于一種無序狀態(tài)，剪切精度和生產(chǎn)效率也不能得到平衡和兼顧9。從圖3.12可以看出，不同的剪切鋼板尺寸，選擇加速上升時間和勻速運(yùn)行時間以及降速運(yùn)行時間不能夠完全一樣，假定所有的情況下到達(dá)定

26、位目標(biāo)前的爬行速度一樣，就要根經(jīng)驗保證爬行的距離基本一樣，能很好保證鋼板準(zhǔn)確停車。本設(shè)計以剪切2m的薄鋼板為例說明各段參數(shù)設(shè)定。已知所選的電動機(jī)為4級，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，減速箱的減速比為20/1，測量輥周長400mm，額定輥速75r/min，變頻器固定頻率輸出有多檔，如50HZ，40HZ，30HZ，20HZ，10HZ。剪切2m的鋼板，在加速到勻速段變頻器選擇輸出40HZ，在降速段選擇輸出20HZ進(jìn)行降速，在爬行階段選擇10HZ輸出，直到檢測脈沖數(shù)和設(shè)定脈沖相等，變頻器停機(jī)，鋼板準(zhǔn)確停車。3.8制動過程當(dāng)系統(tǒng)開始減速時，電動機(jī)處于再生發(fā)電制動狀態(tài) 。傳動系統(tǒng)中所儲存的機(jī)械能變成電能并

27、經(jīng)變頻器中的逆變器回饋到直流側(cè)。此時的逆變器處于整流狀態(tài)，中間回路的濾波電容器的電壓會因吸收這部分能量而提高，產(chǎn)生泵生電壓。當(dāng)電壓值超過上限700V時，制動單元電路導(dǎo)通，電流流過與濾波電容器并聯(lián)的制動電阻，從而將電能變成熱能消耗掉，泵生電壓隨之下降，待下降到設(shè)定下限680V值時斷開。繼續(xù)采樣泵生電壓，制動單元將重復(fù)導(dǎo)通和截止，使系統(tǒng)完成動力制動。4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1主流程本設(shè)計薄鋼板剪切自動控制系統(tǒng)主要分為兩大塊，一個是系統(tǒng)在手工操作方式下運(yùn)行，一個是系統(tǒng)在自動方式下運(yùn)行。主流程如圖4.1所示。圖4.1 主流程圖在主流程圖中，先進(jìn)行PLC初始化，讀撥碼盤值，然后按啟動按扭，主電路通電，接著按選

28、擇條件選擇手動工作方式或者是自動運(yùn)行工作方式。若選擇手動工作方式，因為其運(yùn)行的次數(shù)比較少，所以每執(zhí)行一次手動子程序都將直接返回到工作方式選擇。自動運(yùn)行子程序相對比較復(fù)雜，每次執(zhí)行完之后，進(jìn)行一個判斷，如果工作方式?jīng)]有改變，則直接返回自動子程序，若工作方式已經(jīng)改變，返回到工作方式選擇。因此，在主流程圖中，有兩個主體，一個是手動控制流程，一個是自動控制流程。這兩個主體的切換，因為使用了順序控制繼電器指令而變得相對方便。在自動控制子流程圖中，進(jìn)入自動控制狀態(tài)后，在滿足小車到位和小車沒有滿載條件下，才啟動變頻器。因為矯正機(jī)負(fù)載不穩(wěn)定，可能造成和夾送輥速度不同步，造成套坑鋼帶量不合適。4和5光電開關(guān)檢測

29、套坑里面的鋼帶量是否合適，如果過多或者過少都會引進(jìn)系統(tǒng)的振蕩和故障，正常狀態(tài)下4光電開關(guān)為開，5號光電開關(guān)為開，若5號光電開關(guān)為閉，說明套量過多，矯正變頻器減速一小會再跟夾送變頻器同步速度，若4為開，說明套量過少，矯正變頻器加速一小會再跟夾送變頻器同步速度。到達(dá)變速點(diǎn)，變頻器進(jìn)行降速爬行輸出，最后判定高速計數(shù)器的值等于撥碼盤的設(shè)定值后，發(fā)出沖壓信號。由于其它原因造成停車后實際板長與設(shè)定的板長不符合，調(diào)用停車異常子程序，經(jīng)過微小調(diào)整，再進(jìn)行判斷，實際值等于設(shè)定值后，發(fā)沖壓信號。4.2手動控制流程手動控制子流程比較簡單，即四個按扭分別控制矯正機(jī)和夾送輥的前進(jìn)或者后退，以便在系統(tǒng)進(jìn)行自動運(yùn)行方式前，

30、人工將鋼帶穿過矯正機(jī)和送輥一直到達(dá)沖頭的位置。手動控制流程如圖4.2所示。在圖4.2中，手動方式下四個按扭SB3/SB4/SB5/SB6均是點(diǎn)動式按扭，分別對應(yīng)了矯正機(jī)和夾送輥的前進(jìn)和后退。按下相應(yīng)的按扭，PLC根據(jù)指令的編程，控制輸出端Q1.2、Q1.3、Q1.4的通斷組合情況，控制矯正變頻器脈沖方向輸出和頻率輸出，實現(xiàn)控制矯正機(jī)前進(jìn)和后退的目的；控制輸出端Q1.5、Q1.6、Q1.7的通斷組合情況，控制夾送變頻器脈沖方向輸出和頻率輸出，實現(xiàn)控制夾送輥前進(jìn)和后退的目的。值得注意的是，電機(jī)前進(jìn)和后退控制按扭控制電機(jī)運(yùn)行的效果是矛盾的，為了避免出現(xiàn)混亂，程序編程采用了互鎖的手段。圖4.2 手動控

31、制流程電氣控制電路中，各電器之間具有互相制約、互相配合的控制，稱為聯(lián)鎖控制。在順序控制電路中，要求接觸器KM1得電后，接觸器KM2才能得電。在電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制電路中，要求接觸器KM1得電后，接觸器KM2不能得電吸合。則需將前者的常閉觸點(diǎn)串接在KM2線圈電路中。反之，也然。這種聯(lián)鎖關(guān)系稱為互鎖10。因此，手動控制流程編程中采用的互鎖手段，增強(qiáng)了可靠性和安全性。4.3編程軟件STEP7-Micro/WIN 3211編程軟件是基本W(wǎng)indows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專門為SIMATIC12 S7-200 系列PLC設(shè)計開發(fā)。該軟件功能強(qiáng)大，界面友好，并有方便的聯(lián)機(jī)幫助功能。用戶可利用該軟件PLC

32、應(yīng)用程序，同時也可實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。該軟件是SIMATIC S7-200用戶不可缺少的開發(fā)工具。5總結(jié)經(jīng)過幾個月的準(zhǔn)備和學(xué)習(xí)和網(wǎng)上查閱資料搜索相關(guān)知識，終于完成了這份課題通過設(shè)計，了解了PLC的起源、發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢，了解了薄鋼板剪切行業(yè)概況，熟悉了PLC在工業(yè)控制系統(tǒng)中的開發(fā)和應(yīng)用。在大學(xué)所學(xué)知識的基礎(chǔ)上，嘗試了基于PLC的薄鋼板自動剪切控制系統(tǒng)的設(shè)計，并因此將所學(xué)知識系統(tǒng)化、理論化、實用化。通過設(shè)計，提高了使用自己知識和獲取相關(guān)資料的能力，進(jìn)一步培養(yǎng)了踏實、勤奮、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。我在做這次設(shè)計的過程中要感謝指導(dǎo)老師孫老師和劉老師，他們對我有很大的幫助。由于客觀條件的限制，沒能將

33、指令程序通過編程器送入PLC進(jìn)行模擬運(yùn)行，也未進(jìn)行系統(tǒng)模擬調(diào)試和完善程序。另外，硬件系統(tǒng)的安裝，以及對整個系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試和試運(yùn)行都無法完成，若以后條件允許，以上的不足之處有待完善。參考文獻(xiàn)1 廖常初主編 S7-200PLC基礎(chǔ)教程（第二版） 機(jī)械工業(yè)出版社 20092 李增國主編 傳感器與檢測技術(shù) 北京航空航天大學(xué)大學(xué)出版社20093張勇主編 電機(jī)拖動與控制 機(jī)械工業(yè)出版社 20094 呂汀主編 變頻技術(shù)與原理 機(jī)械工業(yè)出版社 20095 吳麗主編 電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社 2009附錄PLC連線圖附錄 程序TITLE=PROGRAM COMMENTSNetwork 1 /

34、高速計數(shù)器選擇HSC0，工作模式4，允許更新當(dāng)前值和預(yù)置值，清除當(dāng)前值，建立中斷事件LD SM0.1MOVB 16#F8, SMB37HDEF 0, 4ATCH INT0, 12HSC 1Network 2 LD SM0.0S S0.1, 1Network 3 / 程序段S0.1開始，功能是讀撥碼盤值LSCR S0.1Network 4 / 選通LD SM0.0S Q1.2, 1Network 5 / 撥碼盤個十位LD Q1.2MOVB IB15, VB0Network 6 LD SM0.0R Q1.2, 0S Q1.3, 1Network 7 / 撥碼盤百位和千位LD Q1.3MOVB IB

35、15, VB1Network 8 LD SM0.0R Q1.3, 0S Q1.4, 1Network 9 / 撥碼盤萬位和十萬位LD SM0.0MOVB IB15, VB2R Q1.4, 0Network 10 / 分離得到十位千位LD SM0.0MOVB VB100, AC0MOVB AC0, VB6SRB VB6, 4MOVB VB101, AC0MOVB AC0, VB7SRB VB7, 4Network 11 / 將相應(yīng)位乘倍數(shù)LD SM0.0MOVB VB4, AC0MOVW +10, VW7MUL AC0, VD5MOVB VB5, AC0MOVW +100, VW8MUL AC0

36、, VD6MOVB VB6, AC0MOVW +1000, VW9MUL AC0, VD7MOVB VB7, AC0MOVW +10000, VW10MUL AC0, VD8Network 12 / 得到最終撥盤碼值，存在VD8LD SM0.0MOVB VB3, AC0MOVD VD5, AC1+I AC0, AC1MOVD VD6, AC0+I AC0, AC1MOVD VD7, AC0+I AC0, AC1MOVD VD8, AC0+I AC0, AC1MOVD AC1, VD8MOVW AC1, AC0-I +4000, AC0MOVD AC0, VD9Network 13 / 程序段S

37、0.1結(jié)束LD SM0.0CSCRENetwork 14 / 在手動控制方式下，按啟動按扭有效接通主電路LD SM0.0LD I0.4A I0.2LD Q0.3A Q0.4OLDALD= Q0.3= Q0.4Network 15 / 工作方式選擇，若I0.4閉合，則為手動控制方式LD SM0.0A I0.4A Q0.3A Q0.4S S0.2, 1Network 16 / 手動控制程序段S0.2開始LSCR S0.2Network 17 / 矯正機(jī)前進(jìn)LD SM0.0A I0.5AN I0.6= Q1.4Network 18 / 矯正機(jī)后退LD SM0.0A I0.6AN I0.5= Q1.2

38、= Q1.4Network 19 / 夾送輥前進(jìn)LD SM0.0A I0.7AN I1.0= Q1.7Network 20 / 夾送輥后退LD SM0.0A I1.0AN I0.7= Q1.5= Q1.7Network 21 / 停車控制LD SM0.0A I0.3R Q0.3, 0R Q0.4, 0R Q1.2, 0R Q1.3, 0R Q1.4, 0R Q1.5, 0R Q1.6, 0R Q1.7, 0SCRT S0.1Network 22 / 若工作方式?jīng)]改變，返回工作方式選擇LD SM0.0A Q0.3A Q0.4A I0.4SCRT S0.2Network 23 / 程序段S0.2結(jié)

39、束LD SM0.0CSCRENetwork 24 / 自動方式選擇LD SM0.0A Q0.3A Q0.4A I1.1A I1.4A I1.5A I1.7S S0.3, 1Network 25 / 程序段S0.3開始LSCR S0.3Network 26 / 清高速計數(shù)器當(dāng)前值，寫入變速點(diǎn)預(yù)置值，開全局中斷LD SM0.0MOVD +0, SMD38MOVD VD9, SMD42ENIHSC 1Network 27 / 啟動變頻器，以輸出40KZ運(yùn)行LD SM0.0S Q1.2, 1S Q1.3, 1S Q1.5, 1S Q1.6, 1Network 28 / 程序段S0.3結(jié)束LD SM0.0CSCRENetwork 29