西门子6ES7323-1BH01-0AA0详细说明

剪板机是机械行业制造和维修常用的设备之一。随着我国经济的持续高速增长，社会对各类板材的需求量不断增长，对板材加工的精度提出了更高的要求；另外，随着企业之间的竞争日益加剧和人力资源成本的上升，厂家为了在竞争中占据有利地位，除了保证板材加工的精度外，对板材加工的效率也提出了更高的要求。基于上述，板材生产加工企业迫切需要高精度、高效率的生产设备。剪板机是板材加工企业的关键生产设备之一，一些资金雄厚的企业，出巨资购买全新数控剪板机；另外，还有相当一批中小企业希望通过对原设备的技术改造来满足这些新要求。
普通剪板机存在的主要不足有：
1. 加工精度不高。
造成加工精度不高的主要原因，一方面是加工尺寸由操作人员用普通钢尺手动测得，精度难以保证；另一方面采用异步电动机带动链条传动机构，这样不仅定位精度低，而且易造成剪切面的机械偏差，这种偏差随加工板材宽度增加而加大。
2. 操作繁琐，容易出错。
剪板机需要人工操作，剪板动作的控制需人工完成，占用人力资源，也容易出错。
3. 能耗大，效率低
剪板机的动力系统一般使用普通异步电机，在剪板过程中不断启停，能耗大、效率低。
针对这些情况，可以对剪板机进行自动化改造，提高工作效率和剪板精度，降低能耗。

控制系统设计的基本要求如下：
1、正常剪切功能。在正常加工某一规格产品前，可以事先设置加工尺寸、加工数量。当机器加工板材数量达到设定加工数量时，机器不再正常加工。此时，可重新设置加工参数或进入临时剪切状态。
2、临时剪切功能。选择该功能不需要设置加工参数，即可进行加工。该状态可加工任意尺寸（须在机器的机械加工范围内）和任意数量的产品。
3、设定加工参数（加工尺寸、加工数量）。
4、加工参数实时显示。
5、附加功能。包含点动调试、自动回零位、暂停等。

改造方案一：
如下图所示，自动控制系统由变频器、光电传感器、人机界面（文本显示器或触摸屏等）、正航A5系列PLC等构成。
图1 改造方案一

人机界面可以采用文本显示器或触摸屏，可以显示和设定目前的工作状态、剪板数量、加工长度、送料速度、剪板频率等等参数；
变频器接受PLC的控制，控制电机的启动、停止、转速等；
光电传感器的作用是检测后挡料的长度，通过改变光电传感器的位置可以调节加工长度；
正航A5系列PLC（以下简称A5）是整个自动控制系统的核心，由它来根据操作人员通过人机界面设定的参数控制整个系统的动作。
系统的工作流程如下：
系统上电启动，操作人员通过人机界面设定剪板数量、加工长度、送料速度、剪板频率等等参数，参数可以断电保持。正常剪切开始后，A5控制变频器启动电机，传动板材，当板材到达光电传感器的位置时，光电传感器将信号反馈至A5，A5控制变频器停车，控制切刀动作进行剪板，完成一块料的加工，然后A5再控制变频器启动，进行下一块料的加工。加工过程中，A5可以完成对加工数量、剪板频率、送料速度等的统计，并可以在人机界面上实时显示。
在此控制过程中，A5通过光电传感器检测材料长度，然后控制变频器停车来控制加工长度。由于变频器控制异步电机停车有一个滞后量，会造成一定的偏差，在设定光电传感器的位置时，需要将这个偏差考虑进去并加以调整。
图2 改造方案二

在方案一中，加工料的长度是通过光电传感器的位置来控制的。人工手工设定光电传感器的位置会有一定误差，同时如果需要加工的长度频繁改变时会很麻烦。
改造方案二取消了光电传感器，取而代之的是一个轮式旋转编码器。将轮式旋转编码器压紧在板材的表面，当板材向刀口输送时，轮式旋转编码器跟随旋转，输出的脉冲信号输送到A5的高速计数器。A5的高速计数频率可达20KHz，可以很**地根据脉冲数量**地测量出送料长度。
旋转编码器安装在刀口前面，只要旋转编码器其距离刀口的位置固定，就可以方便地对加工材料进行长度测量。
在方案二中，可以通过人机界面非常方便地设置加工长度，甚至可以设定多组加工长度和加工数量，或者尺寸也可以置为循环变动值。例如，可以设定加工100块80cm的板材，再加工200块100cm的板材；也可以设定成循环加工1块80cm的板材、1块90cm的板材。

以上两种方案目前都已经有批量的实际应用。实际使用结果显示，经以上两种方案改造的剪板机，极大地提高了工作效率和剪板精度，降低能耗。扣除机械误差，通过手动调整传感器位置，方案一的加工精度可以达到0.3cm以上；而在选择合适的编码器的情况下，方案二的加工精度可以达到0.4%左右。

 制动时，按下停机按钮SB2，X401常开触点断开Y430线圈，使KM1失电释放，而Y430的常闭触点接通Y431线圈，制动用的接触器KM2线圈通电，对调两相电源的相序，电动机处于反接制动状态。与此同时，Y430的常开触点断开Y432的线圈，KM3失电释放，串入电阻R限制制动电流。当电动机转速迅速下降至某一定值时，KS1常开触点断开，X402常开触点断开M100的线圈，M100的常开触点断开Y431线圈，KM2失电释放，电动机很快停下来。过载时，热继电器FR常开触点闭合，X403的两对常闭触点断开Y430和M110的线圈，从而使KM1或KM2失电释放，起到过载保护作用。

    上述控制过程指令程序如下：

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    3、PLC与继电器接触器控制系统的比较

    通过对鼠笼式异步电动机起制动的传统控制方法和PLC控制方法的比较，从某种意义上看，PLC控制是从继电器接触器控制发展而来的。两者既有相似性又有很多不同处。

    3.1二种方案的不同点

    (1)PLC内部大部分采用“软”逻辑

    继电器接触器控制全部用硬器件、硬触点和“硬”线连接，为全硬件控制；PLC内部大部分采用“软”电器、“软”接点和“软”线连接，为软件控制。

    (2)PLC控制系统结构紧凑

    继电器接触器控制系统使用电器多，体积大且故障率大；PLC控制系统结构紧凑，使用电器少，体积小。

    (3)PLC内部全为“软接点”动作快

    电器接触器控制全为机械式触点，动作慢，弧光放电严重；PLC内部全为“软接点”动作快。

    (4)PLC控制功能改变极其方便

    继电器接触器控制功能改变，需拆线接线乃至更换元器件，比较麻烦；PLC控制功能改变，一般只需修改程序便可，极其方便。

    (5)PLC控制系统制造周期短

    PLC控制系统由于结构简单紧凑，基本为软件控制，因此设计、施工与调试比继电器接触器控制系统周期短。

    此外，由于PLC技术是计算机控制的基础上发展而来，因此，它的软硬件设置上有着传统的继电器接触器控制无法比拟的优势，工作可靠性极高。

    3.2PLC方案的设计要点

    (1)设置滤波

    在PLC中一般都在输入输出接口处设置π形滤波器，它不仅可滤除来自外界的高频干扰，而且还可减少内部模块之间信号的相互干扰。

    (2)设有隔离

    在PLC系统中CPU和各I/O回路(主要指数字口)几乎都设有光耦合器作隔离，以防止干扰或可能损坏CPU等。

    (3)设置屏蔽

    屏蔽有两类:一类是对变压器采取磁场和电场的双重屏蔽，这时要用既导磁又导电的材料作为屏蔽层；另一类是对CPU和编程器等模块仅作电磁场的屏蔽，此时可用导电的金属材料作屏蔽层。

    (4)采用模块式结构

    PLC通常采用积木式结构，这便于用户检修和更换模板，同时在各模板上都设有故障检测电路，并用相应的指示器标志它的状态，使用户能迅速确定故障的位置。

    (5)设有联锁功能

    PLC中个各输出通道之间设有联锁功能。以防止各被控对象之间误动作可能造成的事故。

    (6)设置环境检测和诊断电路

    这部分电路负责对PLC的运行环境(例如电网电压、工作温度、环境的湿度等)进行检测，同时也完成对PLC中各模块工作状态的监测。这部分电路往往是与软件相配合工作的，以实现故障自动诊断和预报。

    (7)设置Watchdog电路

    PLC中的这种电路是专门监视PLC运行进程是否按预定的顺序进行，如果PLC中发生故障或用户程序区受损，则因CPU不能按预定顺序(预定时间间隔)工作而报警。

    (8)PLC的输入、输出控制简单

    PLC是以扫描方式进行工作的，即PLC对信号的输入、数据的处理和控制信号的输出，分别在一个扫描周期内的不同时间间隔里，以批处理方式进行，这不仅使用户编程简单、不易出错，而且也使PLC的工作不易受到外界干扰的影响；同时PLC所处理的数据比较稳定，从而减少了处理中的错误；另外，PLC的输入、输出的控制较简单，不容易产生由于时序不合适而造成的问题。

    4、结束语

    由于PLC在设计制造时充分考虑到工业控制的现场环境问题，并采取了多层次、多种有效措施来提高工作可靠性，因此，采用PLC实现电机控制，特别是对工作环境条件较恶劣的工矿企业应该是一项明智之举

随着市场需求和公司发展要求，公司购置了新的电缆管设备。电缆管设备原来的系统硬件由提升装置、卷取收线装置、横移排线装置及排线控制器等组成，其中卷取收线装置电机和横移排线装置电机由变频器驱动，利用排线控制器对横移排线速度进行控制。然而运行情况证明排线效果并不很好，横移排线速度时快时慢，铜管排线间隙时大时小，有时铜管重叠，给生产带来及大不便。为此，厂家也多次派人来调试过，效果仍旧不佳，严重影响电缆管的成材率、生产效率和产量，对系统横移排线部分进行改造势在必行。

一、 系统硬件改造
        分析了电缆管设备的控制原理后，决定对原有的提升装置、卷取收线装置不做改造，仅在原有控制电路的基础上，就排线速度控制系统部分进行局部改造。改造后的排线速度控制系统由收线转速检测单元、PLC（西门子s7-224PLC和EM235模拟量控制模块）及排线控制变频器等几部分组成(如图1所示)。其中收线转速检测单元由光电编码器完成，光电编码器将卷取电缆盘转速转换成电脉冲信号，输入到PLC的高速输入端（如：I0.0），利用PLC的高速计数功能对脉冲信号计数并计算出电缆盘的实际转速，计算出排线电机需要的运转频率，后通过PLC模拟量输出模块传给横移排线变频器，从而达到排线速度的**控制。改造后的硬件系统原理图见附页。
 
 

二、 横移排线速度控制的软件设计
        首先要对卷取电缆盘的实际速度进行实时**的检测，进而根据铜管的外径和横移排线丝杆的节距计算出电缆管排线需要横移的距离，考虑到横移排线电机的机械传动比，从而得到排线横移变频器的给定速度，达到横移排线速度的**控制。
 1，电缆盘的实际转速检测：
        由于电缆盘转动半径大的特点电缆盘的实际转速并不很高，将编码器与电缆盘同轴联结减小了减速机传动上的误差，确保对电缆盘实际转速测量的精度。将光电编码器的脉冲信号输入到PLC的高速输入端口I0.0上, 利用PLC 的高速计数功能对编码器进行计数，编写相应程序进一步计算出电缆盘的实际转速。
假设与电缆盘同轴联接的光电编码器每旋转一周输出脉冲数为p，在检测时间为t(s)内的计数脉冲数为m，则电缆盘的实际转速n(r/min)为：      n = 60m/pt     ①
2，横移排线电机的速度控制：
要对横移排线速度进行**控制，必须建立科学的数学模型公式。那么首先搞清以下几个公式：
(1) 单位时间内卷取电缆盘每转一转，横移排线丝杆应移动一个铜管外径φ的距离。φ(mm)为铜管外径，L(mm)为丝杆节距,n（r/min）为卷取电缆盘的转速就可以得到排线丝杆的转速n1（r/min）：                n1=n*φ/L                      ②
(2) 由排线丝杆转速n1（r/min），横移排线电机的机械传动比k,可以得到横移排线电机需要的电机转速n2（r/min）:        n2=n1*k                      ③
(3) 由于横移排线变频器根据U/f曲线控制横移排线电机在额定转速n0以下运行，横移排线变频器给定0-10v的模拟控制电压横移排线电机转速在0－－n0之间，那么给定电压为V时横移排线电机的转速n2应为：     n2=n0*V/10；                  ④
由于s7-200PLC模拟输出电压0-10V对应的控制字为0-32000,对应的排线电机转速为0－－n0，则PLC排线速度输出控制字为Vset时横移排线电机转速n2为:
 n2=n0*Vset/32000                      ⑤
(4) 综合上述数学模型公式不那得出：外径为φ的铜管卷取时需要的横移排线给定速度控制字Vset公式：
Vset=32000*k*φ*n/(n0*L)
其中：k：横移电机的机械传动比
     φ：铜管外径（mm）  
n：卷取的电缆盘的实际转速(r/min)
n0：横移排线电机额定转速(r/min)
      L：横移排线丝杆节距(mm)。
3．上述的排线速度公式基本满足了要求，但有时可能需要进行横移排线补偿，对此也做了改造。
手动横移排线速度补偿仍采用原有的继电器控制方式对排线变频器进行加速控制，另外加装压臂装置利用压臂左右摆动的检测开关（接近开关）对铜管的横移排线速度进行动态自动校正，控制更方便、灵活，控制精度更高。
4．根据上述设计思想和数学模型公式，编写相应的PLC程序。下载程序调试并试运行多日，效果明显。

三、总结：
       经过对电缆管横移排线的改造，排线速度得到了有效地控制，解决了卷取速度时快时慢，排线间隙时大时小的现象，提高了成材率和生产效率，保障了电缆管设备的正常运行。事实证明：电缆管设备的排线部分改造是成功的。
 
 
附图1：改造后的排线控制附加原理图