于江龍，管琪明

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州　貴陽　550025)

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基于PLC的定長切割設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于江龍，管琪明

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽550025)

本文在分析現(xiàn)有定長管材切割設(shè)備控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種易于操作、可靠性高的定長切割設(shè)備控制系統(tǒng)。完成了定長切割設(shè)備控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)以PLC控制器為核心，使用PC上位機(jī)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，以驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)物料的進(jìn)給，依靠限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)切割刀、物料的定位控制和位置狀態(tài)的檢測，實(shí)現(xiàn)了定長切割設(shè)備自動(dòng)切割和手動(dòng)調(diào)試的控制功能。

定長切割設(shè)備，S7-200 PLC，自動(dòng)控制，手動(dòng)控制

0　引言

傳統(tǒng)定長切割設(shè)備控制系統(tǒng)采用繼電器作為控制器件，其控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，參數(shù)改變不靈活，可靠性降低，維修率高，生產(chǎn)率低。目前PLC(可編程控制器)以其靈活性、快速性、可靠性和性價(jià)比高等特點(diǎn)備受歡迎，以PLC控制器為核心的定長切割設(shè)備控制系統(tǒng)是未來的發(fā)展趨勢[1]。

1　可編程控制器概述

PLC 即可編程控制器，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。PLC機(jī)構(gòu)靈活、傳輸速度快并且質(zhì)量高，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。目前國內(nèi)外已將PLC成功地應(yīng)用到機(jī)械、汽車、冶金、石油、化工、輕工、紡織、交通、電力、電信、造紙、軍工、家電等各個(gè)領(lǐng)域，并取得了相當(dāng)可觀的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]。

S7-200具有高速脈沖輸出功能，以供給需要高速脈沖的設(shè)備使用。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制元件。在非超載的情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖先好的頻率和脈沖數(shù)，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)頻距角，而不受負(fù)載變化的影響[3]。

對于定長切割設(shè)備的高精度、高速度、低失誤的加工方式而言；其控制系統(tǒng)以PLC控制器為主，可以很好的實(shí)現(xiàn)其工作功能要求。

2　定長切割設(shè)備的控制任務(wù)

走停送料、靜態(tài)切割是最普遍的切割方式之一，因?yàn)榕c其他切割系統(tǒng)相比，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，操作簡單而精準(zhǔn)，性價(jià)比高并且大大提高了工作效率。

圖1　定長切割設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structure of fixed length cutting equipment

簡單示意圖如圖1所示，自動(dòng)切割設(shè)備主要由控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)組成，整個(gè)系統(tǒng)主要完成的任務(wù)如下：

1)設(shè)備運(yùn)行，PLC發(fā)送高速脈沖到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送運(yùn)行脈沖信號給步進(jìn)電機(jī)，來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)管材的進(jìn)給。

2)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，管材靠滾輪引出，當(dāng)管材引出長度達(dá)到預(yù)設(shè)值后，觸發(fā)SQ1限位開關(guān)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送停止脈沖信號給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行，管材進(jìn)給結(jié)束。

3)步進(jìn)電機(jī)停止送料同時(shí)，氣缸帶動(dòng)切割刀動(dòng)作將管材切割成大小相同的成品，切割刀繼續(xù)向下運(yùn)行，直到觸發(fā)SQ3限位開關(guān)后，切割刀回程開始。

4)切割刀回程觸發(fā)SQ2限位開關(guān)后，回程結(jié)束。設(shè)備再次運(yùn)行進(jìn)行物料進(jìn)給切割，循環(huán)往復(fù)。

通過S7-200提供的高速脈沖輸出功能(PTO)實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制是一個(gè)典型的應(yīng)用。

3　控制系統(tǒng)的硬件組成以及通訊協(xié)議

本控制系統(tǒng)對于PLC選型及程序設(shè)計(jì)、通訊協(xié)議和系統(tǒng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使系統(tǒng)操作簡單方便運(yùn)行效率更高。是由PC上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)組成，如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)主要有：PC上位機(jī)，西門子S7-200系列PLC，HMI觸摸屏，交流伺服電機(jī)，限位開關(guān)，編碼器，通訊電纜等[4]。

圖2　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2　Structure diagram of control system

3.1硬件組成

PLC選型：西門子S7-200PLC系列。S7-200除了具有PLC基本的控制功能外，其具有的功能強(qiáng)大的指令集、編程軟件易用性、易于掌握的優(yōu)點(diǎn)[5]。根據(jù)功能要求選取主機(jī)CPU224(14 / 10)的PLC，且依據(jù)控制系統(tǒng)需要的I / O點(diǎn)數(shù)，不需要其他擴(kuò)展模塊。人機(jī)交互：HMI觸摸屏，選用廈門宇電公司生產(chǎn)的7寸觸摸屏AI3270S系列。限位開關(guān)：新型SZL-WL-K型號，該型號成本低、適用多種環(huán)境、性價(jià)比高。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，有驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)滾輪等。

3.2通訊協(xié)議

主要使用的協(xié)議有PPI、Modbus協(xié)議。

1)PPI主從通訊，PPI一種是主站控制器S7-200PLC1與從站控制器S7-200PLC(2、3)的PPI主從通訊，PPI協(xié)議西門子公司專為S7-200系列PLC開發(fā)的通訊協(xié)議[6]。PPI協(xié)議是一種主-從協(xié)議。主站靠PPI協(xié)議管理的共享連接來與從站通訊。使用PPI協(xié)議則上位機(jī)只需要按照PPI協(xié)議進(jìn)行通訊即可，PLC中不需要編寫通訊程序，這對于定長切割控制系統(tǒng)來說，極大地節(jié)省了PLC有限的程序存儲(chǔ)空間[7]。

2)Modbus協(xié)議，Modbus是種一從站控制器S7-200PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器的Modbus通訊，Modbus網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計(jì)算機(jī)通過公用線路或局部專用線路連接而成。使用這個(gè)協(xié)議可以完成在控制器之間或者是控制器經(jīng)過的以太網(wǎng)和其他設(shè)備的通訊。

4　定長切割設(shè)備控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

定長切割控制方式有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式。自動(dòng)控制是由計(jì)算機(jī)給出命令PLC來執(zhí)行，同時(shí)定長切割設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)反映在PC上位機(jī)上[8]。手動(dòng)控制用于設(shè)備調(diào)試、維修或異常情況處理。

4.1控制系統(tǒng)流程

表1　PLC的I / O分配Tab.1　I / O distribution of PLC

控制流程如圖3所示。開始工作時(shí)，可以選擇是自動(dòng)工作還是手動(dòng)調(diào)整。

如果選擇手動(dòng)調(diào)整可以操作SB4、SB5、SB6、SB7等操作按鈕進(jìn)行送料前進(jìn)、送料后退、刀具前進(jìn)、刀具后退等各個(gè)動(dòng)作的手動(dòng)操作。

圖3　控制流程圖Fig.3　Flow chart of control

如果選擇自動(dòng)工作，則系統(tǒng)按如圖3所示自動(dòng)工作流程圖工作。首先檢查SQ1(進(jìn)給零位信號)的狀態(tài)，假如初始狀態(tài)不是在零位，則SB3(回零按鈕)按鈕進(jìn)行手動(dòng)歸零動(dòng)作。歸零位后繼續(xù)運(yùn)行進(jìn)行下一步送給送料動(dòng)作，其中Q0.0(脈沖串輸出)、Q0.2(電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制 置“1”正轉(zhuǎn)，“0”反轉(zhuǎn))是控制傳送電機(jī)動(dòng)作、電機(jī)運(yùn)行方向。送料到位后，SQ2(切割原位信號)動(dòng)作控制切割刀歸原位然后切割刀前進(jìn)進(jìn)行切割型材，SQ3(切割原位信號)動(dòng)作后切割刀退回，當(dāng)切割刀觸發(fā)SQ2(切割原位信號)后停止退回命令。然后循環(huán)操作命令進(jìn)行切割工作。等型材切割完畢后觸發(fā)SB2(停止按鈕)，設(shè)備停止運(yùn)行。

4.2控制系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，程序可分為5個(gè)部分，即主程序MAIN、自動(dòng)控制子程序AUTO、手動(dòng)控制子程序MANUAL、手動(dòng)停止子程序MSTOP和自動(dòng)切割中斷程序CUT。它們的關(guān)系如圖4所示。

圖4　程序Fig.4　Program

在主程序中，可以通過選擇開關(guān)SA(ON / DFF)選擇不同的工作方式，選擇自動(dòng)加工方式或手動(dòng)加工方式。在自動(dòng)加工方式下，當(dāng)達(dá)到需要的送料長度時(shí)，會(huì)觸發(fā)限位開關(guān)SQ3，SQ3動(dòng)作后會(huì)自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的切割中斷程序；在手動(dòng)加工的方式下，按下按鈕則設(shè)備開始工作，松開按鈕執(zhí)行停止子程序停止運(yùn)行。本文以出主程序(MAIN)、自動(dòng)自動(dòng)控制子程序(AUTO)以及自動(dòng)切割中斷程序(CUT)為例說明詳細(xì)的程序設(shè)計(jì)。

(1)主程序(MAIN)

主程序的任務(wù)是將控制程序的各個(gè)模塊組合起來，在主程序中，根據(jù)工作方式選擇開關(guān)SA的狀態(tài)，選擇調(diào)用相應(yīng)的子程序即可進(jìn)入選定工作狀態(tài)，開關(guān)SA的信號送到PLC的I0.2。然后調(diào)用子程序選擇自動(dòng)或者手動(dòng)控制。詳細(xì)程序如圖5所示。

圖5　主程序Fig.5　Main program

(2)自動(dòng)控制子程序(AUTO)

定長切割設(shè)備控制系統(tǒng)僅對一個(gè)高速脈沖發(fā)生器進(jìn)行編程。自動(dòng)控制子程序，設(shè)備會(huì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的步進(jìn)滾輪前進(jìn)、后退速度和物料被切割的長度等指令自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)設(shè)備回到零點(diǎn)且切割刀具也回到原位時(shí)，按下自動(dòng)控制按鈕，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)步進(jìn)滾輪送料設(shè)備運(yùn)行，直到達(dá)到系統(tǒng)預(yù)定切割長度后停止運(yùn)行。切割刀具由氣缸自動(dòng)驅(qū)動(dòng)切割，切割到位后回退到原位停止。詳細(xì)程序如下圖6所示，網(wǎng)絡(luò)1程序功能是設(shè)備的啟動(dòng)與停止。設(shè)備啟動(dòng)，運(yùn)行標(biāo)志位M0.0為1并自鎖。網(wǎng)絡(luò)2程序功能是在啟動(dòng)時(shí)，送料或切割刀不在原位時(shí)報(bào)警，報(bào)警信號提示操作人員，把送料機(jī)構(gòu)和刀具回零。網(wǎng)絡(luò)3程序的功能是已經(jīng)回零且切割刀在原位，則報(bào)警復(fù)位，可以自動(dòng)運(yùn)行，標(biāo)志M0.2置1正轉(zhuǎn)輸出信號Q0.2置1。其中M0.2是自動(dòng)運(yùn)行標(biāo)志位，Q0.2是正轉(zhuǎn)方向信號，Q0.4報(bào)警復(fù)位。

圖6　自動(dòng)控制子程序Fig.6　Automatic control subroutine

(3)手動(dòng)控制子程序(MANUAL)

手動(dòng)控制子程序，主要實(shí)現(xiàn)的功能是：設(shè)備的手動(dòng)回零、前進(jìn)、后退以及刀具的手動(dòng)前進(jìn)和回退。按下相應(yīng)的按鈕則產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作：按下按鈕動(dòng)作開始，松開按鈕動(dòng)作停止。手動(dòng)控制用于設(shè)備自動(dòng)控制運(yùn)行前的調(diào)整以及設(shè)備的單補(bǔ)調(diào)試。

(4)手動(dòng)停止子程序(MSTOP)

手動(dòng)停止子程序相對于手動(dòng)控制子程序用來實(shí)現(xiàn)設(shè)備手動(dòng)運(yùn)行時(shí)的停止控制。手動(dòng)方式松開按鈕時(shí)，調(diào)用手動(dòng)停止子程序來禁止PTO脈沖輸出，電機(jī)停止。

(5)自動(dòng)切割中斷程序(CUT)

自動(dòng)切割中斷程序?qū)崿F(xiàn)送料到位后，刀具的自動(dòng)切割和回退控制。在自動(dòng)方式下，脈沖串發(fā)送結(jié)束時(shí)，到達(dá)指定的送料長度，這就是19號中斷事件(PTO脈沖串輸出完成中斷)，此時(shí)自動(dòng)調(diào)用與該中斷事件聯(lián)系的自動(dòng)切割中斷程序。

5　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于西門子S7-200 PLC定長切割設(shè)備控制系統(tǒng)。用STEP 7-Micro / WIN編程軟件進(jìn)行plc控制程序的編寫，PC上位機(jī)直接發(fā)出操控命令對設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行控制。S7-200PLC執(zhí)行系統(tǒng)給予的指令，運(yùn)用西門子S7-200 PLC控制定長切割設(shè)備走停送料、靜態(tài)切割的工作過程。經(jīng)過S7-200模擬軟件的模擬測試，該控制系統(tǒng)完全滿足相關(guān)控制要求，同傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比具有穩(wěn)定性高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。因此為定長切割設(shè)備控制系統(tǒng)智能化、小型化的發(fā)展提供有利參考。

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Design of the control system for the fixed length cutting equipment based on PLC

YU Jianglong，GUAN Qiming

(SchoolofMechanicalEngineering，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China)

On the basis of analyzing the existing control system of fixed length pipe cutting equipments，we designed a control system for the fixed length cutting equipment which was easy to operate and reliable.We designed the hardware and software of the system，which had a PLC controller as the core，used PC for status monitoring，stepper motor for material feed，and limit switch to realize the detecting and positioning of the cutting knife and materials.The system has realized auto control and manual control of the fixed length cutting equipment.

fixed length cutting equipment，S7-200 PLC，auto control，manual control

TP273

A

1003-6563(2016)04-0082-05

2016-05-16；

2016-05-26

于江龍(1991-)，男，貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)，在讀研究生。