基于PLC及伺服系統的剪板機的控制系統設計

王海祥，高 峰

（金陵科技學院，南京 211169）

0 引言

剪板機是一種在加工生產中經常用到的機械設備，它廣泛地應用在板材加工、線材加工、機械零件制造等多種場合。舊的剪板機主要靠人工畫線，然后進行剪切，既浪費了時間，同時加工精度也不高。文獻[1][3]提出了PLC控制自動剪板機的方案，但是無法對剪切長度數量進行控制，影響了整個流程的自動化。文獻[2]提出了基于三菱PLC與伺服電機的后擋板控制方案，但是沒有與整個剪板機自動系統相連接。本文提出了基于西門子PLC和伺服電機的解決方案。

1 工藝流程分析

剪板機的工作過程主要分成后檔定位－－送料－－剪切三個步驟，從而實現對物料的定長剪切，其主要控制及機械部件的結構如圖1所示。其中控制系統主要由伺服定位及順序動作兩個部分構成。

圖1 自動剪板機工作原理圖

其工作過程如下：首先由用戶在人機界面上輸入剪切的長度和數量，確定后伺服控制系統驅動后擋板移動到指定位置停止。如果用戶選擇自動運行，且按下啟動按鈕，此時液壓泵啟動并升壓至工作壓力，壓塊和刀具應該處于原始的上工作位，此時檢測剪板機下方的送料小車在工作位置（SQ4閉合），輸料電機開始啟動運送物料，當物料運送到位（SQ5閉合），壓塊開始下降直至壓緊物料（SQ2閉合），然后剪切刀具開始下落進行剪切，剪切后物料下落至送料小車上，如果光電開關探測到已經落料的板料數字達到了小車送料的上限，送料小車就向右運動將物料移出，等物料被卸掉后，小車又向左運行回到接料的位置。這樣又可以開始下一循環的加工。如果用于選擇

手動，過程相似，不過其中一些步驟需要通過按鈕控制。

2 伺服后檔板定位系統設計

伺服后檔板定位系統主要完成用戶數據輸入和后檔板的精確定位的作用。用戶數據輸入主要采用西門子面板TD400C，輸入的數據為剪切的長度和剪切的次數，面板的界面如圖2所示。

通過西門子STEP 7編程軟件的向導把剪切數量框里的數值賦值給VD140，將剪切數量賦值給VW4。用VD140、VW4來控制剪切長度和剪切數量。伺服工作的原理圖如圖3所示[4]。

圖2 控制面板示意圖

圖3 伺服電機控制原理圖

PLC對伺服電機的控制主要通過三個閉環來控制的，位置閉環通過不斷地將當前位置與PLC設置的位置相比較，通過負反饋使位置最終停留在設定的位置，位置調節器通過PID調節器來實現；速度閉環控制通過不斷地將當前的速度與設定的值比較，通過負反饋是速度達到設定值，速度控制器一般通過PI調節來實現。電流環將實際的電流與設定的電流相比較，差值經過PI調節后作為新的控制信號來控制伺服電機。

圖4 PLC與伺服驅動連接接線圖

后檔板定位主要通過伺服系統來完成，其硬件連接如圖4所示。

本系統采用西門子S7-200作為控制器，型號選擇CPU224XPSi CN型，伺服驅動采用東源公司的伺服驅動，伺服電機采用安川公司的伺服電機。

圖4是PLC與伺服驅動相連的接線圖，Q0.0向伺服驅動的pulse信號端輸出脈沖信號，Q0.2向驅動的sign信號端輸出正反轉的方向信號，Q0.4相伺服的on/off端輸出使能信息，Q0.5向CLR輸出清楚指令。而伺服驅動的編碼器接口向PLC反饋信號，反饋信號有報警信號ALM、編碼器Z相信號Phase Z信號、定位完成信號POS_OK。另外為了防止伺服電機運動超過極限，需要將正反極限限位開關與PLC相連，當超越極限時控制PLC停止運動。

后檔板伺服控制的軟件程序如圖5[5]所示。

圖5 后擋板位置控制程序

在圖5中，網絡1是對伺服驅動進行上電操作，網絡2對伺服的速度進行設置，設置了起停的速度、最大速度和加速的時間，接收當前位置信息。網絡3將面板上輸入的位置信息與當前位置進行比較，結果決定相對運動的方向。網絡4將當前的位置與面板的位置相減得出需要運動的相對距離。網絡5將工程量（以毫米進行計量）轉化為脈沖數，其中的Input管腳連接VD150，單位是毫米，將轉化后的脈沖量輸出給VD6。網路6利用庫函數Q0_0_MoveRelative來控制伺服運動，VD6輸入脈沖控制運動長度，V120.0用來控制方向。網絡7用來防止機械越位造成機械傷害，當工作臺超過前后限位時，Q0_0_Stop子程序工作使得伺服停止運動。

3 順序控制

順序控制主要完成剪板機的順序邏輯控制功能，其輸入輸出列表如表1所示。

順序控制的程序如圖6所示[6]。

在圖6中，泵由啟動按鈕啟動，用停止按鈕停止。泵壓的升高由液壓升高按鈕(I0.3)在泵轉動后(Q1.4)啟動，由泵卸荷按鈕I1.7停止。在選擇開關為自動（I2.5）的情況下，如果運料小車上的物料被清空，此時運料小車上的壓板開關常閉觸點閉合(I1.3)，運料小車向左運動，當觸碰到左行限位時（I0.7）停止；如果選擇開關為手動，可以通過左行按鈕實現左行的點動控制。接下來，在手動時，通過送料按鈕（I2.0）進行手動送料；自動時，當左行到位（I0.7）同時刀具在原位（I0.6）壓塊在上限位的位置（I0.4）情況下，才能開始送料（Q0.1），當料被送到位（I1.1）或壓塊壓下(I0.5)時將停止送料。然后，在自動情況，當料被送到位（I1.1）就開始讓壓塊壓下（Q0.6）；在手動時，通過手動夾緊按鈕（I2.1）直接控制壓塊壓下。緊接著，在自動情況下，壓塊壓緊后（I0.5），就可以進行剪切（Q1.0）；手動時，通過手動剪切按鈕（I2.2）控制剪切。剪切后，光電開關接收到物料下落的信號（I1.5），如果處于自動狀態時，壓塊將自動上移（Q0.3）；如果手動，則有人工控制壓塊上移的按鈕（I2.3）控制壓塊上移，松開物料。同時，剪刀在自動的情況下也可上移動，條件與壓塊相同，在手動的情況下，需要用手動按鈕（I2.3）上移。當下面的運料小車收到設定數量的板料，例如10個，就可以向右運動將板料運出（Q1.2），I1.5是接收板料下落信號的光電開關，將剪切板料的信息送入計數器計數，如果達到10個，就啟動運料小車右移動，當然也可在手動情況下，通過右移按鈕在任意數量的板材落下后控制運料小車右移。

表1 輸入輸出列表

圖6 順序運動梯形圖

4 結束語

本文用西門子PLC和伺服系統實現了剪板機的數控方案。該方案定位精確度高，運行自動化程度高，性能比傳統的傳統的控制方案有了很大的提高。

[1] 李清香, 丁時鋒, 熊儉. PLC控制的液壓剪板機系統設計[J]. 機械設計與制造. 2007, (11): 156-157.

[2] 史建平, 過軍, 張建生. 基于PLC 控制的剪板機后靠系統伺服定位的研究與應用[J]. 機電工程技術. 2007. 38(7):16-19.

[3] 熊幸明. 一種剪板機的PLC控制[J]. 自動化與儀表.2006(5): 72-74.

[4] 吳晨曦, 蔣嶸. 基于PLC-伺服驅動的位置控制系統設計[J]. 制造業自動化. 2008, 30(4): 84-86.

[5] 柴瑞娟, 陳海霞. 西門子PLC編程技術及工程應用[M],北京: 機械工業出版社, 2006.

[6] 西門子公司. 用S7-200和SINAMICS V80實現點到點位置控制, User Guider 2010-1.