黃俊杰

摘 要：文章介紹了如何使用PLC對一臺舊式手動的SY-340型號玻璃切割機進行改造，采用機電一體化系統(tǒng)設計思想，實現(xiàn)玻璃切割機自動化控制。

關鍵詞：玻璃切割機；自動化；改造

中圖分類號：TM571 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）20-0098-04

Abstract： This paper introduces how to use PLC to transform an old manual SY-340 glass cutting machine and realize the automatic control of glass cutting machine by using the design idea of mechatronics system.

Keywords： glass cutting machine； automation； modification

由于生產(chǎn)規(guī)模以及資金不足的原因，該企業(yè)使用的是手動的SY-340型號玻璃切割機，品牌為：SY/申遠，規(guī)格為450*450（mm），最小加工尺寸為30mm，最大加工尺寸為120mm。具有切割弧線小，操作簡便的特點。

1 玻璃切割機基本構(gòu)成與加工過程

在改造之前，本人通過研究分析，得出玻璃切割機基本構(gòu)成如下：

（1）玻璃切割機主要用于切割，而且本機構(gòu)主要是用于玻璃劃圓的切割。

（2）在對玻璃切割時，切割機構(gòu)需要行進旋轉(zhuǎn)對與玻璃的切割工作。

（3）防止玻璃在切割時產(chǎn)生位移，影響產(chǎn)品質(zhì)量，在對玻璃進行切割前，需要設計玻璃的壓緊機構(gòu)。

基于以上的分析，本次自動化設計在此基礎上加以改進，使之實現(xiàn)以下過程：

玻璃放置——壓緊玻璃——自動切割——完成切割——切割機構(gòu)返回——切割機構(gòu)停止——松開切割好的玻璃——取出成品。

2 方案的選擇與可行性分析

基于以上的分析，制定了兩個自動化改造方案，分別是繼電器控制和PLC控制。并對兩種方案進行可行性分析。

2.1 控制邏輯

采用硬接線邏輯是繼電器控制邏輯主要特征，通過串聯(lián)或并聯(lián)的方法將繼電器機械觸點與其他元器件構(gòu)成控制電路，再加上延時繼電器的滯后動作組合成控制邏輯。基于繼電器控制的線路，系統(tǒng)構(gòu)成龐雜，對功能的增改操作非常不便，同時其體積大，功耗大。

2.2 工作方式

繼電控制線路中當電路形成閉合回路時，各繼電器吸合與不吸合的狀態(tài)都將受到制約。在PLC的控制邏輯中，是對程序進行循環(huán)掃描的，由于掃描時間非常之快，每個繼電器受制約的時間幾乎可以忽略不計。

2.3 控制速度

由于繼電器采用的是觸點吸合和釋放的機械動作，這樣的動作形式工作頻率低，同時還會伴隨有機械觸點的抖動。而PLC控制是由半導體邏輯電路來實現(xiàn)控制的，響應速度快，工作頻率高，并且不會出現(xiàn)機械抖動問題。

2.4 限時控制

繼電器控制一般都采用時間繼電器進行時間控制。時間繼電器容易受環(huán)境的影響，環(huán)境的濕度和溫度等都會制約其定時精度。有些特殊的時間繼電器結(jié)構(gòu)復雜造成維護上的不便。

2.5 計數(shù)控制

繼電控制不具備計數(shù)控制功能，而PLC能輕松實現(xiàn)。

2.6 設計與施工

繼電控制工程周期長，系統(tǒng)的更改麻煩。而采用PLC達到相同控制要求，則可很好避免以上缺點。整個設計和施工過程可以并列進行，大大縮短開發(fā)周期，編程與現(xiàn)場施工互不制約。

2.7 可靠性和可維護性

使用繼電控制必須要使用大量的機械觸點，這樣會導致龐雜的接線。因為電弧的產(chǎn)生，觸點容易機械磨損，造成使用壽命縮短，容易造成接觸不良，系統(tǒng)的可靠性和可維護性差。而PLC完成開關動作是通過驅(qū)動半導體電路來實現(xiàn)的，不存在觸點磨損的問題。PLC本身帶有自檢和監(jiān)督功能，若自身有故障產(chǎn)生，會顯示出來，方便操作人員發(fā)現(xiàn)問題。同時程序的執(zhí)行情況還能進行動態(tài)地監(jiān)視控制，為現(xiàn)場調(diào)試和維護提供了方便。

2.8 價格

繼電控制邏輯價格比較便宜，PLC價格比較昂貴。

綜上所述，選擇PLC控制具有以下優(yōu)勢：

（1）工作可靠，環(huán)境變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響小。

（2）開發(fā)周期短，調(diào)試方便。

（3）系統(tǒng)精簡、功能強大，方便維護，改造容易。

（4）能耗低，體積小，重量輕。

因此，經(jīng)過以上對比分析發(fā)現(xiàn)，為實現(xiàn)系統(tǒng)的安全性、可靠性、生產(chǎn)效率最優(yōu)化、產(chǎn)品效益最大化的要求，本設計采用基于PLC的控制方案。

結(jié)合系統(tǒng)控制要求，本方案的PLC需滿足輸入15個點，輸出11個點，采用晶體管輸出。

再綜合考慮性價比以及結(jié)構(gòu)，本設計最后選擇了三菱的FX1N系列PLC，F(xiàn)X1N系列PLC集合了眾多優(yōu)點，功能強大，體積小，功耗低。

3 玻璃切割機控制系統(tǒng)的設計

現(xiàn)將玻璃切割機控制系統(tǒng)的設計研發(fā)論述如下：

3.1 工作原理

玻璃切割機的具體結(jié)構(gòu)如圖1。

玻璃切割機主要由工作臺，固定裝置，步進電機，傳動裝置，限位裝置（限位器8，定位器，切割裝置，控制裝置組成。

做切割工作的時候，只需把原料平放在工作臺上，系統(tǒng)啟動踩下腳踏開關即可，此時電磁閥YA得電，傳動軸在氣缸的帶動下下降；按下啟動按鈕，步進電機運行，傳動輪在主動輪通過齒帶帶動下轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動軸在傳動輪帶動下做旋轉(zhuǎn)運動。經(jīng)過一系列機械傳動后，玻璃刀具便可實現(xiàn)對玻璃進行圓形或弧形的切割。

為避免在切割時，刀具過度下降，造成刀具碰撞工作臺，損壞刀具和工作臺。本設計引入定位器進行規(guī)避。為適應加工不同規(guī)格的玻璃，只需調(diào)節(jié)限位器固定螺母進行上下位置調(diào)整。

3.2 玻璃切割機的控制要求

為了適應不同切割的要求，改造的玻璃切割機應可以實現(xiàn)以下的要求：

（1）手動控制和自動控制可

切換。

（2）手動控制模式下，腳踏開關一直踩住不放，轉(zhuǎn)動軸根據(jù)用戶設定時間下降到位，時間一到，轉(zhuǎn)動軸開始轉(zhuǎn)動，刀具對玻璃進行切割。切割速度為預置值，腳踏開關的接通時間長短決定切割的角度，腳松開即停止切割。

（3）自動控制方式下，操作員只需踩一下腳踏開關，在設置時間內(nèi)轉(zhuǎn)動軸就會自動下降到位，PLC自動獲取用戶輸入的速度和角度。時間到，刀具根據(jù)PLC程序設定的動作進行切割玻璃，完成切割后自動回到初始位置。

（4）切割角度為可調(diào)三位，從0至999度。系統(tǒng)時間設定值由0.5至5秒；速度為兩位可調(diào)從0至99。

（5）不同的工作狀態(tài)有相應的指示燈指示，在自動狀態(tài)時，控制面板上的手動/自動切換開關上的指示燈點亮，只要系統(tǒng)啟動時，啟動指示燈就會點亮，進行切割工作時切割指示燈點亮。無論系統(tǒng)進行到那種工作狀態(tài)，當按下停止按鈕，系統(tǒng)復位并停止。

（6）切割次數(shù)由計數(shù)器進行計數(shù)。

3.3 玻璃切割機的控制系統(tǒng)

綜合以上的控制要求，設計玻璃切割機控制系統(tǒng)如圖2。

通過圖2簡明示意了各元件控制流程控制系統(tǒng)和各部分組成的邏輯關系。

啟動信號由腳踏開關產(chǎn)生，PLC從急停按鈕處獲取急停信號，方式選擇信號由手動/自動轉(zhuǎn)換按鈕產(chǎn)生。

時間值、速度值、角度值都由BCD數(shù)字開關設定。其中時間值設定用一位的，速度值設定用兩位的，角度值設定用三位的。

以上信號發(fā)出后，PLC立即作出響應，經(jīng)運算后。輸出指示燈的控制信號，并對計數(shù)器發(fā)出計數(shù)信號。

PLC根據(jù)用戶輸入的速度和角度參數(shù)通過程序產(chǎn)生相應的速度、角度脈沖列信號，步進電機啟動器接收脈沖列信號，從而控制步進電機的運動。

3.4 玻璃切割機的PLC控制

3.4.1 I/O分配

根據(jù)以上對控制系統(tǒng)的設計，將PLC的I/O分配如圖3。

時間設定用的BCD數(shù)字開關，將其公共端接于輸入的公共端子上。如圖3所示。

3.4.2 程序設計分析

（1）信號采集

采用MOV指令將時間設定的信號儲存于寄存器D0中。

采用DSW數(shù)字開關指令將速度設定的信號儲存于寄存器D2中。PLC的DSW數(shù)字開關指令被執(zhí)行時，輸出點Y14至Y17將輪流導通100ms，BCD兩位數(shù)字開關連接了輸入點X14至X17，這些輸入信號將按Y14至Y17的順序讀入和存儲于D2中。執(zhí)行DSW指令會占用Y16和Y17，因此Y16和Y17應懸空，不能用作其他輸出點。

采用DSW數(shù)字開關指令將角度輸入信號儲存于寄存器D4中。與采集速度信號一樣，PLC的DSW數(shù)字開關指令執(zhí)行時，輸出點Y10至Y13將輪流導通100ms，BCD三位數(shù)字開關連接了輸入點X10至X13，這些信號將按Y10至Y13的順序讀入并存于D4中。執(zhí)行DSW指令會占用Y13，因此Y13應懸空，不能用作其他輸出點。

（2）數(shù)據(jù)處理

采集的數(shù)據(jù)是PLC處理的第一步，還要通過適當?shù)乃惴ǖ贸龇陷敵隽恳蟮闹怠?/p>

比如輸出時間值，我們將信號存儲于D0，采集的信號為數(shù)字0至9。所以輸出的信號應為0.5至5秒左右，這就要求將D0的值放大5倍后存儲于D10中，這樣我們就可以得到時間設定值為0至45。最后用指令“OUT T0 D10”便可實現(xiàn)0至5秒的時間控制。

將存儲于D2中的速度信號值放大一定的倍數(shù)后存儲于D12中，這就把脈沖輸出頻率設定完成。經(jīng)現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)試，本系統(tǒng)的最佳放大倍數(shù)為60倍。

存儲于D4中的角度信號值，經(jīng)PLC運算后其輸出脈沖數(shù)應在被步進驅(qū)動器獲取后，準確驅(qū)動步進電機，使玻璃刀轉(zhuǎn)過的角度達到設定值的要求。

（3）信號輸出

如前所述，時間值的輸出采用指令“OUT T0 D10”。

指令DPLSR 是具有32位的帶加減速脈沖輸出功能的指令，可以用在速度和角度信息的輸出。步進電機在瞬間加速或減速會發(fā)生失步現(xiàn)象，影響控制精度，加工角度會有誤差，采用帶加減速設定可以避免這種現(xiàn)象。

為了保證有足夠時間進行連續(xù)切割，手動時設置DPLSR指令為：“DPLSR D12 K99999999 K100 Y0”，其中K99999999為設置時間，自動模式下指令為：“DPLSR D12 D16 K100 Y0”。

其中D12為頻率設定值，對應輸入的速度值，D16代表了總輸出脈沖，代表輸入的角度值，數(shù)值K100為加減速時間，代表時間設定為100ms。

3.4.3 梯形圖

通過以上程序設計分析，編程的梯形圖如圖4，并進行了程序注釋。程序分為數(shù)據(jù)采集與計算（0～63步）、手動方式（64～66、70～97步）、自動方式（67～69、98～143步）、輸出處理（144～160步）四部分，參見圖4中的注釋。

4 結(jié)束語

本次玻璃切割機的自動化改造采用了PLC控制，證明了舊設備能添加PLC進行自動化改造的可行性。而在該機器的玻璃送料機構(gòu)進行自動化設計改造方面，可以繼續(xù)開展研究，將其改造成能實現(xiàn)自動送料、自動定位、自動切割的全自動玻璃切割機。

參考文獻：

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