基于PLC的自動剪切機控制系統(tǒng)

1、基于PLC的自動剪切機控制系統(tǒng)剪切機是鋼板連續(xù)生產(chǎn)線上不可缺少的重要設備，其用途是用來剪切定尺寸、切邊、切試樣及切除鋼板的局部缺陷等。目前，對剪切機的功能需求在不斷的擴展，同時也對剪切機的生產(chǎn)效率和加工精度提出更高的要求。通過將PLC控制技術應用于剪板機，極大地改善了設備的電氣性能，提高了設備的自動化水平，實現(xiàn)連續(xù)方式的生產(chǎn)，大大提高生產(chǎn)效率，減輕了工作人員的勞動強度。1 自動剪板機結構設計    自動化剪切機應能根據(jù)被剪板料的材質(zhì)、厚度和剪切長度，自動完成剪切行程、刀片間隙的調(diào)整，可配備前送料系統(tǒng)或后托料裝置，集送料、卸料于一體，有效地提高設備的自動化程度，并能

2、夠根據(jù)需要進行單步執(zhí)行或連續(xù)循環(huán)操作。圖1 自動剪切機系統(tǒng)示意圖    據(jù)此，設計完成的自動剪板機分為取料模塊、校平模塊、定長模塊、剪切模塊五個部分，幾個模塊聯(lián)合工作，從而實現(xiàn)自動剪板，并達到精度要求。在取料、校平、定長模塊中均采用輥軸來實現(xiàn)，用電動機作為動力源。對于剪切模塊，因工作時的振動較大，并且是直線往復動作，故考慮采用氣壓傳動方式。在工作中要注意電動機即輥軸傳動系統(tǒng)的同步性問題。如圖1所示為自動剪切機系統(tǒng)示意圖。    取料模塊由開卷模塊和夾送模塊組成。其中開卷模塊中發(fā)料機構的原料裝夾部分可以左右平移，以調(diào)節(jié)出料的最大寬度。夾

3、送模塊主要是將要剪切的鋼板往前傳送，該模塊有兩個轉動軸，上面的為從動軸，下面的為主動軸，主動軸直接由電動機傳動，從動軸可以上下移動以適應不同厚度的鋼板的夾緊和傳送。由于剪切的對象是鋼板，所以在夾送機構的鋼板輸出部分必須安裝支撐。    校平裝置采用上下壓力輥擠壓待加工產(chǎn)品，使其達到預期的要求。該模塊中壓力輥軸與軸之間的位置要安排合理，上下軸的轉向要相反，這樣才能達到傳輸作用。通過齒輪傳動系統(tǒng)，采用上輥單調(diào)節(jié)輥列平行式機構，通過在校直裝置上安置的壓力表來控制校平所需要的具體要求。    定長模塊主要由支架、上下輥軸、支撐桿以及滑塊組成。

4、自動剪板機要求應能滿足不同寬度、不同厚度的鋼板的剪切要求，因此，上下輥軸的間距應是能夠調(diào)節(jié)的。對于定長模塊的輥軸，為了確保高傳動精度，上下輥軸應能夠同步轉動，因此在傳動方式上選用同步齒形帶來實現(xiàn)，具有傳動精度高、傳動效率高、運轉平衡等優(yōu)點，進一步改善了設備的性能。    該自動剪切機的剪切模塊選用平行刃剪切式結構。對于剪切模塊，因為工作時的振動較大，并且是直線往復動作，故可考慮采用流體傳動方式。因為氣壓傳動具有清潔、安全、易于實現(xiàn)，且成本較液壓式低等特點，一般情況下盡可能采用氣壓驅(qū)動方式。這里根據(jù)工作時的振動較大的特點，依據(jù)剪切力工作負荷進行計算，采用氣壓驅(qū)動方式

5、實現(xiàn)鋼板剪切，實踐證明為行之有效的。2 自動剪切機控制系統(tǒng)設計2.1 控制系統(tǒng)硬件設計    根據(jù)剪板機的工作要求，其控制系統(tǒng)的主控制器采用PLC。取料模塊、校平模塊、定長模塊中的電動機通過變頻器進行變頻調(diào)速，滿足加工中的速度要求。為了保證三個電動機的同步動作要求，僅僅憑借變頻器調(diào)速還是不夠的，會存在誤差累積問題，當誤差累積過大時會導致物料堆積過多而損害鋼板，或者因鋼板受到的拉應力過大而導致鋼板變形，為此，在控制系統(tǒng)中采用同步控制器來實現(xiàn)電動機的同步控制。為了滿足剪板機對剪板長度的高精度要求，在定長模塊的輥軸上采用旋轉編碼器對輥軸的線速度和轉動長度進行記數(shù)，實現(xiàn)鋼

6、板長度的精確控制。圖2所示為自動剪切機控制系統(tǒng)原理框圖。圖2 自動剪切機控制系統(tǒng)原理框圖2.1.1 PLC選型及應用    工藝流程的特點和應用要求是選型的主要依據(jù)。控制系統(tǒng)中需要13個輸入端口，8個輸出端口。其中輸出端中有6個分別輸出給三個變頻器用以控制電動機的正反轉，為了保證輸出端的COM端不會交叉連接，所以選擇40點的IO點數(shù)(本來按IO點數(shù)來確定，24點的PLC就完全夠用的了)。PLC的輸出不僅要驅(qū)動變頻器，而且要驅(qū)動電磁閥，屬于是既有交流負載，又有直流負載，所以應選擇繼電器輸出方式。經(jīng)綜合考慮，選擇三菱PLC進行控制，型號為FX1N-40MR。表1、表2

7、為控制系統(tǒng)中PLC輸入、輸出分配表。表1 PLC輸入分配表表2 PLC輸出分配表2.1.2 變頻器選型及應用    由于PLC選用FX1N-40MR，為達到更好的工作性能，變頻器也選擇三菱FR-E500型。FR-E500型變頻器是一款小型高性能通用型變頻器，采用磁通矢量控制可以實現(xiàn)1Hz運行150轉矩輸出，內(nèi)置RS-485通信接口，柔性PWM實現(xiàn)低噪音運行。    變頻器運行頻率的設置方式有兩種，第一種是固定變頻器端口頻率法，即選通不同端口輸出不同頻率的方式使用變頻器，這樣使用的好處是連線簡單，無須使用復雜的軟件，但缺點卻是無法任意更

8、改設置，靈活性差。第二種是應用FR-E500自帶支持USS協(xié)議(通用串行接口協(xié)議)的通訊模塊，使用USS協(xié)議，可以在上位機中通過軟件設置變頻器的輸出頻率，實時地在線更新設置，改變輸出頻率，其相應缺點是導致PLC程序十分復雜，而且通過USS協(xié)議設置頻率的速度比第一種方法慢(第一種方法消耗時間少于10ms，第二種方法消耗時間在20-30之間)，考慮到在本文設計的系統(tǒng)中PLC的輸出點相對較少，連線數(shù)目不多，從系統(tǒng)穩(wěn)定性和實時性的角度考慮，采用第一種方式更合理。    根據(jù)變頻器(FRE500)的技術規(guī)格，以定長模塊為例，其端口分配如表3所示。表3 定長模塊用變頻器端口分

9、配表2.1.3 同步控制器選型及應用    市面上供應同步控制器的廠商較少，在這其中，以臺灣臺達的同步控制器性價比較高。因此，在本設備中選用臺達同步控制器SCD-B系列的產(chǎn)品，型號為SCD0882lA：每臺同步控制器可對8個單元的速度鏈進行控翩，每組速度鏈由反饋信號和單元輸出兩部分構成。在反饋信號端應輸入傳感器測量的鋼板松緊情況的信號，以模擬量的形式輸入給同步控制器，單元輸出端口接變頻器的頻率設定器端口。    同步控制器工作時以一個模塊電動機的轉速為基準(主電機)，將其它電動機的轉速與之匹配(從電機)。在本剪板機中以定長模塊的電動機

10、為基準，故在反饋信號輸入端應對應的在單元二和單元三接入反饋信號。三個變頻器的頻率設定器端口均要連接到同步控制器的單元輸出端口，通過控制器內(nèi)部運算，達到同步控制的目的。根據(jù)同步控制器(SCD08821A)的技術規(guī)格，設計其端口分配如表4所示。表4 同步控制器端口分配表2.1.4 自動剪切機控制系統(tǒng)接線原理圖圖3 PLC控制系統(tǒng)接線原理圖    圖3所示為自動剪切機PLC控制線路接線原理圖。由于PLC內(nèi)部能產(chǎn)生24V的直流電，所以可以直接對外部編碼器和位移傳感器進行供電。編碼器采用OMRON公司的產(chǎn)品，型號為E6A2-CWZ5B1000PR 0.5M。編碼器的輸出A、

11、B兩相分別接到PLC的X0、X1兩端(PLC內(nèi)部高速記數(shù)端)，通過內(nèi)部2相輸入(A-B相)計數(shù)器進行計數(shù)。同步控制器的輸入端分別為單元二(校平模塊)和單元三(送料模塊)接入的兩只非接觸式位移傳感器，為GEFRAN公司的IKlA型號的產(chǎn)品(模擬輸出)，它們是同步控制器用來檢測鋼板松緊情況輸入的信號。2.2 控制系統(tǒng)軟件設計    針對典型剪板工藝過程，編寫了相對應的PLC控制程序，具有手動操作、自動運行等功能。2.2.1 初始化梯形圖    所謂程序初始化就是設置控制程序的初始化參數(shù)。初始化程序是在開始時執(zhí)行一次，其結果存在元件映象寄存

12、器中，這些元件的狀態(tài)在程序執(zhí)行過程中大部分都不再變化。圖4為控制系統(tǒng)初始化梯形圖程序，M8044作為原點條件，初始狀態(tài)檢測原點條件，并作為自動運行的開始條件；M8000為運行監(jiān)控用，PLC運行時M8000接通；RUN監(jiān)視M8000驅(qū)動狀態(tài)初始化指令IST執(zhí)行后，下列元件被自動切換控制：S0，手動操作的初始狀態(tài)；S1，原點復位的初始狀態(tài)；S2，自動運行的初始狀態(tài)。圖4 初始化梯形圖2.2.2 手動操作SFC圖    圖5為手動操作SFC圖。狀態(tài)轉移圖的最大特點是由某一狀態(tài)轉移到下一狀態(tài)后，前一狀態(tài)自動復位。將兩位旋鈕開關選擇到手動操作功能位置(X20)，則可進行剪板機的手動操作，可以實現(xiàn)電動機的點動(正轉與反轉)、閘門的點動(點動升與點動降)等手動操作。圖5 手動操作SFC圖2.2.3 自動運行SFC圖圖6 自動運行SFC圖