基于PLC順序控制法自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

汪彥慧, 肖鳳艷, 劉 麗

(煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院, 山東 煙臺(tái) 264670)

隨著“中國(guó)制造2025”全面推進(jìn)制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略部署,冶金、輕工及建筑等工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω黝惏宀漠a(chǎn)品的需求量及加工精度越來(lái)越高,因此,金屬板材加工機(jī)械設(shè)備也要適應(yīng)時(shí)代需求的發(fā)展[1]。剪板機(jī)作為最常用的機(jī)械設(shè)備,在加工過(guò)程中對(duì)其控制系統(tǒng)的要求逐步提高。傳統(tǒng)剪板機(jī)以手動(dòng)操縱控制為主,應(yīng)用模板定位剪切,在裁剪大面積的薄型彩鋼板等某些特定材料板材時(shí),容易出現(xiàn)剛度不足、計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確或裁剪質(zhì)量低等問(wèn)題[2]。自動(dòng)剪板機(jī)是一種按加工要求,將金屬板料剪斷、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)裁剪數(shù)量、由運(yùn)料車送到下一工序的一種順序控制機(jī)械設(shè)備[3]。為了提高板材裁剪質(zhì)量及效率、減少原材料損耗,自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度[5]的提高成為重中之重,且要求控制系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng),可靠性高[6-7]?？紤]到機(jī)床壽命生產(chǎn)效率受限,部分規(guī)模小的企業(yè)對(duì)原設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造,實(shí)現(xiàn)投資低,效益高,速率高[8],但該控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的電氣控制已不能較好地滿足生產(chǎn)需求。基于此,本文選用西門(mén)子S7-1200PLC作為控制器,采用順序控制設(shè)計(jì)方法,根據(jù)不同板料加工要求與實(shí)際使用情況進(jìn)行程序改進(jìn),通過(guò)PLC與觸摸屏之間的通訊,確保定長(zhǎng)精度與板材尺寸的合格率。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明,該系統(tǒng)組態(tài)靈活、可拓展性強(qiáng),符合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求。該研究具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 自動(dòng)剪板機(jī)

自動(dòng)剪板機(jī)[9]主要包括送料機(jī)構(gòu)、定位壓緊機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)等部分。自動(dòng)剪板機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)剪板機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.1 自動(dòng)剪板機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

自動(dòng)剪板機(jī)使用4個(gè)限位開(kāi)關(guān)對(duì)各個(gè)部分的工作狀況進(jìn)行檢測(cè),分別為SQ1～SQ4。SQ1為工作臺(tái)右限位開(kāi)關(guān);SQ2為壓鉗上限位開(kāi)關(guān);SQ3為壓鉗下限位開(kāi)關(guān),壓鉗有上下2個(gè)限位開(kāi)關(guān);SQ4剪刀上限位開(kāi)關(guān)[10]。由于工件的厚度不同,無(wú)法檢測(cè)剪刀是否切斷板材,因此,不加剪刀的下限位開(kāi)關(guān)。自動(dòng)剪板機(jī)通過(guò)鋼板、壓鉗及剪刀的到位與否實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體運(yùn)行,利用板材到位信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綑z測(cè)板材是否被切斷,通過(guò)定時(shí)器延時(shí)一定合理時(shí)間判定板材否被剪斷。

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送輥道運(yùn)往復(fù)動(dòng),進(jìn)端及COM端通電,工件前進(jìn);退端及COM端通電,工件后退。電動(dòng)機(jī)在運(yùn)送板料時(shí)只前進(jìn),到達(dá)位置時(shí),板料被剪斷。壓鉗與剪切系統(tǒng)通過(guò)中間繼電器控制電磁閥,驅(qū)動(dòng)壓鉗和剪刀的上升與下降[11]。進(jìn)端及COM端通電,壓鉗下降;退端及COM端通電,壓鉗上升;進(jìn)端及COM端通電,剪刀下降;退端及COM端通電,剪刀上升。

1.2 自動(dòng)剪板機(jī)的控制要求

系統(tǒng)啟動(dòng)前,初態(tài)壓鉗和剪刀均在上方原位,分別壓合SQ2和SQ4,按下啟動(dòng)按鈕,系統(tǒng)正常運(yùn)行,電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送輥道開(kāi)始運(yùn)送板料。當(dāng)板料運(yùn)行觸碰到行程開(kāi)關(guān)SQ1后,檢測(cè)到鋼板到位信號(hào),輸送輥道停止,壓鉗下壓,當(dāng)碰到行程開(kāi)關(guān)SQ3后,檢測(cè)到壓緊后停止下壓。壓鉗停止下壓,剪刀下行,剪斷板料,延時(shí)10 s,延時(shí)時(shí)間到,剪刀回退,碰到形程開(kāi)關(guān)SQ4后,剪刀停止。剪刀停止運(yùn)動(dòng)后,壓鉗退回,碰到行程開(kāi)關(guān)SQ2停止,而后系統(tǒng)繼續(xù)循環(huán)啟動(dòng),直到剪完所設(shè)定的指定塊數(shù)(板材指定塊數(shù)通過(guò)計(jì)數(shù)器設(shè)定),機(jī)床自動(dòng)停在原始狀態(tài)。

2 PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)有6個(gè)輸入信號(hào)和5個(gè)輸出信號(hào),二者都為開(kāi)關(guān)量[12]。自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)PLC I/O分配表如表1所示。根據(jù)輸入輸出信號(hào)的數(shù)量、類型與控制要求,同時(shí)考慮到系統(tǒng)的可靠性、抗干擾性、系統(tǒng)的維護(hù)、功能擴(kuò)展及系統(tǒng)的改造和經(jīng)濟(jì)性等諸多因素,本文選用西門(mén)子S7-1200PLC機(jī)型,CPU類型為CPU1212C AC/DC/RLY型號(hào)[13],系統(tǒng)PLC硬件接線圖如圖2所示。

表1 自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)PLC I/O分配表

圖2 系統(tǒng)PLC硬件接線圖

2.2 自動(dòng)剪板機(jī)順序控制功能圖

順序控制是遵循生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的流程[14],在各個(gè)輸入信號(hào)的作用下,按照內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間次序,在生產(chǎn)流程中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)有序的操作[15]?；陧樞蚩刂圃O(shè)計(jì)方法,按自動(dòng)剪板機(jī)的控制要求,繪制順序功能圖[16],自動(dòng)剪板機(jī)順序控制功能圖如圖3所示。順序功能圖主要由步、動(dòng)作、有向連線、轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換條件組成,它是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法,可提高設(shè)計(jì)效率,方便程序調(diào)試、修改和閱讀[17]。

2.3 自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)梯形圖

順序控制設(shè)計(jì)方法有2個(gè)編程原則,即以步為目標(biāo)和以動(dòng)作為目標(biāo),程序的開(kāi)頭用初始化脈沖M1.0導(dǎo)通初始步。以步為目標(biāo)編寫(xiě)程序的原則是啟動(dòng)條件為前級(jí)步與轉(zhuǎn)換條件有效,停止條件為后級(jí)步變?yōu)榛顒?dòng)步,保持條件為自身的常開(kāi)觸點(diǎn)并聯(lián)在啟動(dòng)條件的兩側(cè)形成自鎖。以動(dòng)作為目標(biāo)編寫(xiě)原則,為將所有步并聯(lián)導(dǎo)通動(dòng)作,布爾代數(shù)式為Qn=M0.p+M0.q+......+M0.n。根據(jù)順序功能圖在博圖軟件中編寫(xiě)自動(dòng)剪板機(jī)控制程序,自動(dòng)剪板機(jī)部分系統(tǒng)梯形圖如圖4所示。

圖4 自動(dòng)剪板機(jī)部分系統(tǒng)梯形圖

為了確保剪刀剪斷鋼板,編寫(xiě)自動(dòng)剪板機(jī)控制程序過(guò)程中需要注意M0.3～M0.4的步驟,轉(zhuǎn)換條件為定時(shí)器延時(shí)10 s?？紤]到安全性與準(zhǔn)確性,將定時(shí)器定時(shí)時(shí)間與工件右限位開(kāi)關(guān)到位信號(hào)串聯(lián)作為M0.3～M0.4的轉(zhuǎn)換條件,通過(guò)工件右限位開(kāi)關(guān)上升沿信號(hào)的檢測(cè),確保板料被剪斷。

板料加工前,確定裁剪板料的數(shù)量,計(jì)數(shù)器[18]的計(jì)數(shù)值與板料加工數(shù)量一一對(duì)應(yīng)。未達(dá)到計(jì)數(shù)板料的計(jì)數(shù)值時(shí),程序步的循環(huán)從M0.1步開(kāi)始,循環(huán)剪切板料,達(dá)到板料計(jì)數(shù)值后,程序回到初始步停止工作,等待下一次啟動(dòng)。

根據(jù)工廠實(shí)際加工需求,采用順序控制設(shè)計(jì)方法對(duì)步、轉(zhuǎn)換條件、動(dòng)作進(jìn)行更改,程序編寫(xiě)實(shí)質(zhì)原則不變,方便自動(dòng)剪板機(jī)控制程序的開(kāi)發(fā)。自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)整體接線如圖5所示。

2.4 自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)板材長(zhǎng)度算法改進(jìn)

實(shí)際生產(chǎn)中,裁剪板材的長(zhǎng)度由輥軸轉(zhuǎn)動(dòng)的長(zhǎng)度決定,編碼器與輥軸柔性連接,同步轉(zhuǎn)動(dòng),但由于輥軸摩擦等因素,導(dǎo)致輥軸實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的長(zhǎng)度與脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)尺寸不匹配[19-20]。因此,PLC編程中將輥軸長(zhǎng)度設(shè)為變量,包括固定值與變化量,通過(guò)觸摸屏設(shè)計(jì)一個(gè)可以輸入變化量的直徑輸入界面。在PLC中增加2個(gè)數(shù)據(jù)寄存器,分別存儲(chǔ)輥軸長(zhǎng)度的固定值與變化量,通過(guò)比較指令進(jìn)行運(yùn)算。若輥軸直徑?jīng)]有發(fā)生變化,使用默認(rèn)值;若改變,通過(guò)觸摸屏輸入其變化量。該方法可保證每次裁剪的板材長(zhǎng)度相同。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

將自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)投入實(shí)際生產(chǎn),通過(guò)博圖軟件將預(yù)先編寫(xiě)的程序輸入PLC 控制器,在確保線路連接無(wú)誤的情況下,輸入板料加工尺寸和加工數(shù)量。啟動(dòng)系統(tǒng)后,根據(jù)觸摸屏顯示的加工過(guò)程,判斷自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果可以看出自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)在加工過(guò)程中,系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn),加工出的板材精度高,板料合格率高,解決了中小型企業(yè)板材裁剪質(zhì)量、生產(chǎn)效率與節(jié)能問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于西門(mén)子S7-1200PLC控制,采用順序控制設(shè)計(jì)方法,根據(jù)自動(dòng)剪板機(jī)生產(chǎn)實(shí)際要求進(jìn)行程序設(shè)計(jì)與改進(jìn),更加直觀易懂,通過(guò)PLC與觸摸屏之間的通訊,確保板材的定長(zhǎng)精度,減少原材料損耗,降低加工成本,達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的。該設(shè)計(jì)符合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求,解決了電氣控制中繼電接觸器控制的復(fù)雜性和可靠性低等問(wèn)題。該自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)中小型企業(yè)提高板材裁剪質(zhì)量、生產(chǎn)效率與節(jié)能具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。