張興國

ZHANG Xing-guo

（南通大學 機械工程學院，南通 226019）

基于PLC的自動剪切機控制系統(tǒng)

The control system based on plc of auto shearing machine

張興國

ZHANG Xing-guo

（南通大學 機械工程學院，南通 226019）

分析了自動剪切機的結(jié)構(gòu)方案，對各組成模塊等進行了說明。針對控制要求，給出了系統(tǒng)的控制方案，詳細闡述了PLC、變頻器、同步控制器等硬件選用及應(yīng)用。通過變頻器實現(xiàn)對電動機的調(diào)速控制，使用同步控制器來保證各電動機同步傳動，提高自動剪切機的整體性能。

剪板機，PLC，變頻器，同步控制器

0 引言

剪切機是鋼板連續(xù)生產(chǎn)線上不可缺少的重要設(shè)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(shù)應(yīng)用于剪板機，極大地改善了設(shè)備的電氣性能，提高了設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計

自動化剪切機應(yīng)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(shè)備的自動化程度，并能夠根據(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(shè)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(gòu)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。夾送模塊主要是將要剪切的鋼板往前傳送，該模塊有兩個轉(zhuǎn)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(yīng)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(gòu)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(zhuǎn)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(gòu)，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。自動剪板機要求應(yīng)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(yīng)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(yīng)能夠同步轉(zhuǎn)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(zhuǎn)平衡等優(yōu)點，進一步改善了設(shè)備的性能。

該自動剪切機的剪切模塊選用平行刃剪切式結(jié)構(gòu)。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(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)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(yīng)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(zhuǎn)編碼器對輥軸的線速度和轉(zhuǎn)動長度進行記數(shù)，實現(xiàn)鋼板長度的精確控制。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(yīng)用

工藝流程的特點和應(yīng)用要求是選型的主要依據(jù)?？刂葡到y(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(zhuǎn)，為了保證輸出端的COM端不會交叉連接，所以選擇40點的I/O點數(shù)（本來按I/O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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)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(shè)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改設(shè)置，靈活性差。第二種是應(yīng)用FRE500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(shè)置變頻器的輸出頻率，實時地在線更新設(shè)置，改變輸出頻率，其相應(yīng)缺點是導致PLC程序十分復雜，而且通過USS協(xié)議設(shè)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(shè)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（FR-E500）的技術(shù)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配表

2.1.3 同步控制器選型及應(yīng)用

市面上供應(yīng)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(shè)備中選用臺達同步控制器SCD-B系列的產(chǎn)品，型號為SCD08B21A：每臺同步控制器可對8個單元的速度鏈進行控制，每組速度鏈由反饋信號和單元輸出兩部分構(gòu)成。在反饋信號端應(yīng)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(shè)定器端口。

同步控制器工作時以一個模塊電動機的轉(zhuǎn)速為基準（主電機），將其它電動機的轉(zhuǎn)速與之匹配（從電機）。在本剪板機中以定長模塊的電動機為基準，故在反饋信號輸入端應(yīng)對應(yīng)的在單元二和單元三接入反饋信號。三個變頻器的頻率設(shè)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（SCD08B21A）的技術(shù)規(guī)格，設(shè)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-CWZ5B 1000P/R 0.5M。編碼器的輸出A、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IK1A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(shè)計

針對典型剪板工藝過程，編寫了相對應(yīng)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(shè)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(jié)果存在元件映象寄存器中，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I(lǐng)ST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(zhuǎn)移圖的最大特點是由某一狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一狀態(tài)后，前一狀態(tài)自動復位。將兩位旋鈕開關(guān)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(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)）、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

圖6為自動運行SFC圖。自動運行程序可執(zhí)行循環(huán)和單周期命令，以達到不同的控制要求。自動模式中又分為循環(huán)方式和單周期方式。循環(huán)方式是在生產(chǎn)中使用最多的一種方式，按下自動啟動按鈕后，剪板機應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的自動送料、剪切。單周期方式是剪板機實現(xiàn)自動送料、剪切，每次僅循環(huán)一次，即一個周期。這種方式較自動循環(huán)方式效率低，主要是用于調(diào)試時使用，以便操作者能夠方便調(diào)試出滿意的剪切效果。

3 結(jié)論

通過現(xiàn)場應(yīng)用證明，將先進的PLC、變頻器、同步控制器等相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于自動剪板機的控制系統(tǒng)，設(shè)備的電氣性能、自動化水平有了極大的改善，大大提高產(chǎn)品了的質(zhì)量，降低了工作人員的勞動強度，并能滿足產(chǎn)品品種變化的柔性需求。該自動剪切機經(jīng)投入生產(chǎn)運行，性能良好，取得滿意效果，對于該產(chǎn)品的進一步擴大市場有著巨大的促進作用，真正體現(xiàn)出技術(shù)革新價值所在。

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TP273

B

1009-0134(2010)10(上)-0132-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(上).42

2009-11-04

南通大學機械工程學院院級自然科學項目（2010002）

張興國（1975 -），男，江蘇沭陽人，副教授，碩士，主要從事機電一體化及機器人技術(shù)方面教學、科研工作。