西门子模块6ES7231-7PD22-0XA8详细资料
型材辊压生产线是生产汽车门、窗等型材的关键设备，其剪切系统自动化程度及定尺精度的高低将直接影响企业生产效率及产品质量。型材剪切一般有定尺停剪和飞剪两种。定尺停剪控制简单，定尺精度高，但生产效率低，特别是对于有缝焊机的辊压线，频繁起停将会影响焊机焊极的使用寿命；飞剪控制比较复杂，方法也较多，相对简单的一种就是由型材本身带动剪切工作台实现飞剪的方法[1～2]。这种剪切方法只适用于刚性较大的型材，而对于截面积较小的型材必须加牵引机，控制复杂。针对上述不足，我们设计了一种采用直流伺服机驱动、PLC控制剪切工作台实现连续不停机剪切的飞剪控制系统。应用结果表明，该系统运行可靠，同步精度较高，定尺误差较小，适用于剪切各种规格的型材，不仅提高了企业生产效率及产品质量，而且具有广泛的推广应用价值。
1 采用伺服机的型材辊压生产线飞剪控制系统的组成
型材飞剪系统是一种连续剪切型材的加工机械，相对于定尺停剪系统，可提高生产效率。采用伺服机的型材辊压生产线飞剪控制系统原理如图1所示。
图中，S1、S2、S3为接近开关，S4、S5、S6为滚轮式行程开关，负责工作台的终端停车及超程保护。伺服机通过丝杠拖动工作台运动，由液压缸带动刀具完成冲切任务，其运行过程如下：
(1)型材以恒速向前移动，由测长轮测定型材长度，当到达预定值时，起动伺服机，工作台开始移动。
(2)当工作台与型材的移动速度达到同步时，液压缸动作，刀具开始冲切，接近开关S2检测到冲切到位信号时，刀具抬起。
(3)工作台继续移动，当刀具回到初始位置时，接近开关S1有信号输出，伺服机反转，工作台高速返回。
(4)到接近开关S3位置时，工作台停止，根据切割的根数，决定是继续运行还是停车。
2 飞剪伺服同步控制系统的组成与参数计算
伺服同步控制系统由直流伺服驱动器、伺服同步控制器、PLC及测长轮等组成，其控制系统结构框图如图2所示。
测长轮光电编码器输出的脉冲信号分两路，一路送给PLC的高速计数口，做测长用；另一路先经光电隔离及F/V环节将频率信号转换成电压信号，再经放大器放大后，作为伺服驱动器的速度给定信号。连续剪切时，必须保证工作台的移动速度与型材线速度严格同步，在F/V变换器与伺服驱动器参数确定的情况下，放大器放大倍数的确定将是实现伺服同步的关键。已知系统参数如下：
F/V环节输入输出特性：Kf=(0～25kHz)/(0～5V)；
伺服驱动系统：大给定电压
额定转速ne=1500r/min，转速反馈系数α=
/ne=1/300(V．min．r－1)；
测长轮直径：DL=110mm=0.110m；
光电编码器每转脉冲数：N=5000；
型材大移动速度：Vm=15m/min=0.25m/s；
丝杠节距：T=10mm=0.01m。
当型材以线速度VL(单位为m/s)向前移动时，测长轮光电编码器输出脉冲的频率为
经F/V及放大环节加到伺服驱动器输入端的速度
给定电压为
式中KP为伺服同步控制器放大环节放大倍数。对应的工作台移动速度为
式中 n为直流伺服电机转速。
由Vg=VL，解得
将已知参数代入，即可求得放大器放大倍数KP=6.908。为了保证同步精度，放大器中调节放大倍数的电位器RP1选用多圈精密电位器，放大器选用LF356，光电隔离选用TLP5212。
伺服驱动器的速度给定除同步给定信号U*nl外，还设有工作台高速返回、工作台前向点动和后向点动3个给定电位器。设置点动功能的目的是当需要定尺停剪时，可使工作台处于有效行程内的任意位置。4种给定信号通过PLC的Y117(伺服机速度同步给定)、Y116(工作台高速返回)、Y120(工作台前向点动)和Y121(工作台后向点动)进行控制。
3 PLC控制系统的组成及软件设计
型材辊压飞剪系统采用日本富士NB1系列可编程序控制器控制，可实现定尺停剪、飞剪及剪切长度、剪切根数的自动控制，同时具有自保护、自诊断和报警等功能。剪切长度及剪切根数等参数由PLC通过串行通信从上位机读入。PLC剪切控制系统的输入信号包括：测长轮光电编码器LF输出的电脉冲(A、B两相)，接近开关S1～S3，行程开关S4～S6，伺服准备好信号VRDY；输出信号包括：伺服上电SON1，伺服使能ENBL(Y115)，伺服速度给定Y117、Y116、Y120、Y121，冲切电磁阀、抬起电磁阀、加速阀及溢流阀等，其PLC外部接线图略。控制流程如图3所示。
系统通过对光电编码器LF输出脉冲的检测来计算对应的型材长度。NB1系列U型PLC的高速计数指令功能是当条件满足时发出一中断信号，并控制相应的动作。由于系统剪切长度是可以改变的，故需要通过PLC中算术运算将剪切长度转换成对应的脉冲数。
为了使系统能够安全可靠工作，对软件和硬件均作必要的处理。软件主要是延时保护，因为系统工作过程主要是顺序动作。当某一工序到下一工序的时间超过确定值时，说明该工序的相关部分出现故障，命令系统停止运行，等候维修。图中长度检测到延时是根据型材的剪切长度与轧制速度的比值来确定；剪切到位和刀具抬起延时是根据冲切刀具动作的快慢来确定，本系统取3s；Y115为伺服使能信号，延时打开的目的是保证工作台高速返回停车时有足够的制动时间。硬件是采用4个保护开关，前两个是接近开关S1、S2，主要是检测型材是否切下和刀具是否抬到位，若未按规定动作，则视为故障，系统停止运行；另两个是限位开关S4、S6，作用是在前面保护均失效，工作台到达S4(或S6)位时，强制系统停止运行。
本系统充分利用了PLC的逻辑运算、数值处理、高速计数、中断及沿触发等功能，使整个系统控制方便灵活，外围设备减少，并能大大缩短现场的安装和调试周期。
实际调试过程中发现，连续飞剪的定尺精度往往不如定尺停剪的精度高，其主要原因如下： (1)测长轮与型材之间有相对滑动，使计数不准，可设法增加测长轮与型材之间的摩擦力，如增大气阀压力等；
(2)工作台每次返回的初始位置不一致，可增加一初始位置定位系统，提高位移控制精度，但系统要相对复杂一些；
(3)伺服同步精度低，剪切时工作台相对于型材有相对运动，可适当调整电位器RP1。
(4)由于伺服同步控制器在转速环外，因此系统元件(包括放大器、F/V变换器和电阻等)参数值随环境温度的变化对定尺精度有一定的影响，可在此基础上增加一位置环。
1、 PLC的选择
利用可编程序控制器（PLC）组成自动监控系统时，首先遇到的是PLC的选型问题。
在选用PLC时，除把可靠性、环境适应性放在首位外，还要根据具体应用场合尽量选用合适的可编程序控制器。
系统各部件的选择步骤。
2、PLC构成的控制系统
设计一个由构成的应用系统要经过很多步骤，从课题调研开始。
与常用的继电器控制逻辑设计比较，组件的选择代替了原来的部件选择，程序设计代替了原来的硬件设计。
采用了一台PLC控制油循环系统。用于监测对象（仪器）所处的地理位置比较接近，且相互之间有一定联系的场合。
PLC在监测系统中要完成信号数据实时采样、开关量检测、预警报信号监测与报警输出等，并通过各种二次仪表与传感器连接，PLC作为一种控制设备，用它单独构成一个监测系统是有局限性的，主要是无法进行复杂运算，无法显示各种实时图形和保存大量历史数据，也不能显示汉字或方便地打印报表，没有良好的界面。这些不足可用上位微机来弥补。上位微机完成监测数据的存储、处理与输出，以图形或表格形式对现场进行动态模拟显示，分析上下限值或警报信息，驱动打印机打印各种图表。
为提高PLC及系统的抗干扰能力，在硬件配置与安装上，交流电源使用双层隔离，输入信号光电隔离，远离强电布线，模拟量信号和开关量信号采用屏蔽线传送，采用放射性一点接地等措施，消除或减弱共模和瞬变干扰。
3、系统软件的设计
PLC梯形图所用逻辑符号与继电器、接触器系统原理图的相应符号极其相似，人们能迅速熟悉该种编程语言。一般设计梯形图程序大都采用继电器系统电路图的设计方法。对于复杂的系统，在梯形图设计中采用大量的中间单元来完成记忆、联锁、互锁等功能，由于需要考虑的问题较多，分析起来非常困难，并且很容易遗漏一些该考虑的问题，且修改和阅读也很困难。根据功能图表设计PLC的梯形图程序，可以有效地解决以上问题，达到事半功倍的效果。
下位机PLC采用梯形图来编制程序。
在编制软件前先要定义输入、输出号，然后才能在程序中调用，输入、输出定义号系统也会自动分配，但必须以插槽的顺序为依据，因此调整I/0模块的顺序也会改变输入、输出定义号。
下位机PLC软件用来实现数据采集、开关量控制、逻辑判断及声光报警输出。
上位微机机软件用来实现数据通讯、查询显示、数据通讯完成微机与PLC间数据和命令的传送，并将得到的数据按系统要求的格式分离成系统变量和数据。
显示模块将实时数据显示在屏幕上，以图形或表格形式分屏循环显示。
系统维护模块可用来修改设定参数、口令及限值等。
4、油循环系统的控制
油循环系统的过程控制如下：
(1)当起动按钮SBl按下时，泵1、泵2通电运行，由泵1将油从循环槽打入淬火槽，经沉淀槽，再由泵2打入循环槽，运行15min后，泵l、泵2停。
(2)在泵1、泵2运行期间，当沉淀槽液位到达高液位时，液位传感器SL1接通，此时泵l停，泵2继续运行lmin。
(3)在泵1、泵2运行期间，沉淀槽液位到达低液位时，液位传感器SL2由接通变为断开，泵2停，泵1继续运行lmin。
(4)当停止按钮SB2按下，泵1、泵2停。
用PLC实现控制要求，可按下列步骤进行：
步：设置I/0点输入/输出的设置，如图6所示。
输入：X00 起动按钮SB1
X01 停止按钮SB2
X02 高液位传感器接点SL1
X03 低液位传感器接点SL2
输出：Y30 泵1接触器KM1
Y31 泵2接触器KM2
第二步：设计梯形图
系统工作过程如下：
当按下启动按钮X00时，Y30、Y31线圈接通，泵1、泵2开始运行，同时由于Ml00接通，T50开始计时，到达预定时间15min时，T50的常闭接点断开，Y30、Y31线圈断开，泵1、泵2停。另一个T50的常闭接点使M100线圈断开，为下次操作做好准备。
在泵1、泵2运行期间，如果当沉淀槽液位到达高液位时，液面传感器SL1的常开接点接通，X02有输入，X02的常闭接点断开，Y30线圈断开，泵1停：同时X02的常开接点闭合，M101产生一脉冲使T51线圈接通，延时lmin后，T51的常闭接点断开，Y31线圈断开，泵2停。在延时lmin期间即使沉淀槽液位下降，SLI常开接点断开，泵2仍运行，直到延时lmin时间到。
同理，当沉淀槽的液位下降到低液位时，SL2的常开接点由接通变为断开，X03的常开接点断开，Y31线圈断开，泵2停、同时X03的常闭接点接通，M103接点产生一下降沿脉冲，使T52线国接通，延时lmin后，T52的常闭接点断开，Y30线圈断开，泵1停。在延时lmin期间，即使沉淀槽液位上升，SL2的常开接点接通，泵1仍运行，直到延时lmin时间到。
5、结论
根据油循环系统的要求，采用PLC来实现对系统的控制，并以微机为人机界面。这种监控系统运行可靠，使用寿命长，可实现脱机工作，很好地解决了对工作在恶劣环境系统的监测监控。
