第24卷第3期 青岛大学学报(工程技术版) V ol.24N o.3 2009年9月JOURNAL OF QINGDAO UNIVERSITY (E&T)Sep.2009文章编号:1006-9798(2009)03-0013-04自动剪切生产线的PLC 控制系统设计王世红a ,崔海荣b ,徐世许a ,张传林a(青岛大学a.自动化工程学院; b.软件技术学院,山东青岛266071)摘要:为使自动剪切生产线设备协调运行,设计其控制系统。
系统以可编程控制器(PLC)为核心,还包括触摸屏、变频器、伺服驱动器/伺服电机等部件。
送料长度在触摸屏上设置,PLC 根据设定值计算出脉冲数后向伺服驱动器发送,控制伺服电机送料,从而实现精确的伺服定位,其定位精度可达1m ?0.01mm 。
关键词:PLC;伺服驱动器/伺服电机;变频器;触摸屏中图分类号:TP391.8文献标识码:A收稿日期:2009-06-08作者简介:王世红(1985-),男,山西省昔阳县人,硕士研究生,主要研究方向为计算机控制。
在工业生产过程中,自动剪切生产线应用十分广泛。
它能将金属卷料加工成一定尺寸的板料,可实现自动开卷、定长送料和自动剪切,其生产效率高、适应性强,适合较大规模生产。
但是传统的生产设备与系统多以机械为主,是电气液压或气动控制的机械设备[1],存在送料不够精确、生产效率低下等诸多不足,已不能满足所有的生产需要。
随着工业水平的不断发展,生产设备已逐步地由手动操作改为能够进行大规模生产的自动控制。
本文设计的PLC 控制系统,使用了伺服驱动装置,充分发挥其控制精度高、响应速度快和运行平稳等优点,有效地提高剪切的精度和效率,提升生产过程的自动化程度,具有十分广阔的应用前景。
1 自动剪切生产线组成自动剪切生产线由开卷机、送料机和剪切机3部分组成,如图1所示。
图1 自动剪切生产线1) 开卷机包括开卷轴、保持器和弧形托起器。
开卷轴由变频器驱动的电动机带动,负责将卷料展开。
为了避免送料机工作时对已展开的卷料产生较大的张力以及对机械设备造成损伤,开卷机先预放一定长度的料,起到缓冲的作用。
保持器在开卷机转动时压住卷料,避免卷料松动。
弧形托起器托起已展开的卷料,避免其触地。
2) 送料机通过伺服驱动器/伺服电机装置带动内部许多组压辊旋转,精确地给剪切机送料。
另外,这些压辊还能对卷料进行压平,使送到剪切机的料更加平整。
3) 剪切机完成对送料的剪切,是整个生产线的最后一道工序。
2 PLC 控制系统设计2.1 系统的控制要求1) 运行方式。
开卷机、送料机和剪切机都具有手动/自动两种工作方式。
采用自动工作方式时,系统将按预先设定的工艺流程不间断地循环工作;手动工作方式是在设备单动、调试和检修阶段使用[2]。
青岛大学学报(工程技术版)第24卷2) 协调一致。
在自动工作方式时,开卷机、送料机和剪切机3种设备需要配合使用,因此要求它们的动作能够协调运行。
3) 实时显示。
系统中各个工序的运行情况、报警信息、送料长度和加工工件数量等信息都要求在触摸屏上显示。
4) 故障检测。
系统能够自动检测各个工序的运行是否正常。
如果出现异常,在触摸屏上显示错误信息,同时生产线停止运行;故障解除后,按启动按钮生产线继续运行[3]。
5) 紧急停止。
当出现紧急情况时,按下急停按钮,所有正在运行的设备全部停止。
6) 安全保护。
在程序设计过程中,对关键环节设置多重防护,避免人身及设备事故的发生。
2.2控制系统设计图2 PLC 控制系统自动剪切生产线的PLC 控制系统如图2所示。
PLC 采用OMRON 40点的CP1H 机型,它是OM RON 最新的超高速的一体化紧凑型PLC ,内置高速脉冲输出功能,可以直接控制伺服电机运行[4]。
为了满足输入输出点数的需要,增加两个20点的输入/输出扩展模块。
PLC 接收系统中各种按钮及开关的信号,根据程序和预先设定的参数,控制电磁阀及继电器动作,同时通过高速脉冲输出向伺服驱动器发出定量的脉冲数控制伺服电机的运转。
变频器采用松下M ID 系列,主要是根据PLC 输出端信号控制电机的正反转及转速,从而实现对卷料的释放和回收。
交流伺服控制系统采用松下M INAS A4系列,由于其采用独特算法,速度频率高,定位超调整定时间短,可实现高速定位,是交流伺服电机中性价比较高的产品[5]。
伺服驱动器根据PLC 高速脉冲输出端发出脉冲的个数、频率控制伺服电机的转动位置及速度,从而精确地给出送料长度。
触摸屏采用OM RON NT5Z 系列,其作用是负责参数的设定、修改和部分机械动作的控制,同时将设备的动作信息反映给用户。
它与PLC 之间通过RS232串口通信实现数据交换,为用户提供了良好的人机交互界面。
开卷机上装有上、下两个光电开关,当卷料位于上光电开关之上时,变频器高速运行,控制开卷机高速放料;当卷料位于上、下两个光电开关之间时,变频器低速运行,控制开卷机低速放料;当卷料足够长以至于挡住下光电开关时,变频器停转,同时开卷机停止运行。
剪切机上装有一组凸轮开关,它们是一种微动机械开关,用来标识剪切机动作位置,作为输入信号提供给PLC 。
凸轮开关有上死点、干涉点、下死点和送料启动点4个信号。
当送料启动点信号接通时,伺服系统开始运行,控制送料机送料,送料启动点至干涉点上升沿之间的区域为可送料区域;当干涉点信号接通时,伺服送料必须完成,否则将发生干涉报警。
PLC 根据这组凸轮开关信号,协调开卷机、送料机和剪切机三者的动作,最终使整个生产线能够协调运行。
3 程序设计程序设计有2部分:触摸屏画面和PLC 控制程序。
触摸屏的画面有4种:参数设置、信息实时显示、操作按钮和报警信息。
参数设置是指对送料长度、加工工件个数、送料速度、开卷机速度等参数的设置。
信息实时显示是对以上各参数进行直观的显示,以方便操作人员更好地掌握系统的工作情况。
考虑到人身及设备的安全问题,对可能产生的错误操作设计了报警信息提示,包括伺服报警、变频器报警、凸轮开关信号重叠等。
PLC 程序流程如图3所示,其程序主要由凸轮开关信号去抖动、变频器运行、PLC 脉冲输出、报警和数据处理等5部分组成。
下面只对其中部分程序加以说明。
1) 凸轮开关信号去抖动14第3期 王世红,等:自动剪切生产线的PLC控制系统设计图3 PLC 程序流程图4 上死点去抖动程序图5 长度转脉冲数 由于剪切机在剪切过程中产生较大的震动,凸轮开关会产生抖动,发出错误信号,因此需要对其进行去抖动处理。
凸轮开关4个信号的去抖动电路相同,图4为上死点信号去抖动程序,信号导通和断开时间都为50m s 。
2) 设定长度转脉冲数PLC 根据设定长度计算出向伺服驱动器发送的脉冲数,其脉冲数计算公式为P =L P sG e L s式中,P 为脉冲数,P s 为标准脉冲数,指送1m 的料所需要发出的脉冲数;L 为设定长度,L s 为标准长度,设定为1m ;G e 为电子齿轮比。
设定长度转脉冲数的程序如图5所示,其伺服驱动器电子齿轮比设定为5。
程序中用到浮点数运算指令,输入参数要使用浮点数格式。
而高速脉冲输出指令中脉冲设定量必须为BIN 数,所以最后通过FIXL 指令将计算出的脉冲数转化为BIN 数格式。
3) 脉冲数转实际长度为了让操作人员更好的掌握送料机的工作情况,对送料长度的实时显示是非常必要的。
方法是读取PLC 当前脉冲数,然后换算为实际长度值,并显示在触摸屏上。
脉冲数转实际长度的公式为L a =P a G e L s P s 式中,L a 为实际长度,P a 为实际脉冲数。
以上转换可用浮点数运算指令来实现。
4) 送料速度转脉冲频率送料速度从触摸屏上设定,设定值为百分数,最高速度乘以百分数即为送料机速度。
可设计程序实现送料速度与脉冲频率的转换。
通过以上设定长度转脉冲数、送料速度转脉冲频率等数据处理程序的运行,PLC 根据送料长度设定值计算出脉冲数后,向伺服驱动器发送,控制伺服电机送料,从而实现精确的伺服定位。
程序中设计了伺服报警、变频器报警、紧急停车、缺料报警和干涉出错等故障检测程序。
当生产线运行出现异常时,在触摸屏上显示报警信息,同时所有设备停止运行。
故障解除后,按启动按钮生产线继续运行。
1516青岛大学学报(工程技术版)第24卷4结束语青岛某大型工厂的剪切生产线用于剪切出不同长度、厚度的板料,最终用于制冷、家电和汽车等制造行业。
该生产线的最高线速度可达200m/min,最大剪切长度可达9999mm,最大剪切厚度可达10mm,最高剪切次数可达120次/m in。
系统自在该工厂投入运行以来,设备运行稳定,抗干扰能力强,生产效率高,各项功能都达到了设计要求,伺服定位精度可达1m?0.01mm,满足了产品质量的要求,收到了良好的经济效益。
参考文献:[1]蔡玉强,刘宝林,玄兆燕.飞剪机精度控制的改进[J].冶金自动化,2003(3):24-27.[2]朱悦,王勇.PL C和变频调速器在铝塑复合管生产线上的应用[J].沈阳工业学院学报,2000,19(3):63-68.[3]齐坤坤,林树忠,孙立新.PL C结合触摸屏在锂锰扣式电池生产线中的应用[J].装备制造技术,2008(9):81-83.[4]霍罡,樊晓兵,谢飞,等.欧姆龙CP1H PL C应用基础与编程实践[M].北京:机械工业出版社,2008.[5]卢建刚,陈小飙.M inas A4系列交流伺服电机的PL C控制[J].微计算机信息,2008,24(9-1):91-93.Design of PLC Control System for AutomaticCutting Production LineWA N G Sh-i hong a,CU I H a-i rong b,XU Sh-i xu a,ZH A NG Chuan-lin a(a.Colleg e of Automation Eng ineering;b.College of So ftw are and T echno logy,Qingdao U niversity,Qingdao266071,China)Abstract:A co ntro l system w as designed in order to enable the equipm ent of the autom atic cutting produc-tion line to cooper ate harm oniously.The system consisted o f PLC,to uch panel,frequency converter,serv o driver/servo motor and other components.The feeding leng th w as set o n the touch panel.According to the feeding leng th,PLC calculated the pulse num ber,sent the pulses to the servo driver,and co ntro lled the m ovement of the ser vo mo to r.As a r esult,precise positioning could be realized,and its accuracy co uld be up to1m?0.01mm.Key words:PLC;servo driver/servo mo to r;frequency converter;touch panel。