基于PLC順序控制法自動剪板機控制系統的開發

汪彥慧, 肖鳳艷, 劉 麗

(煙臺職業學院, 山東 煙臺 264670)

隨著“中國制造2025”全面推進制造強國的戰略部署,冶金、輕工及建筑等工業領域對各類板材產品的需求量及加工精度越來越高,因此,金屬板材加工機械設備也要適應時代需求的發展[1]。剪板機作為最常用的機械設備,在加工過程中對其控制系統的要求逐步提高。傳統剪板機以手動操縱控制為主,應用模板定位剪切,在裁剪大面積的薄型彩鋼板等某些特定材料板材時,容易出現剛度不足、計數不準確或裁剪質量低等問題[2]。自動剪板機是一種按加工要求,將金屬板料剪斷、自動統計裁剪數量、由運料車送到下一工序的一種順序控制機械設備[3]。為了提高板材裁剪質量及效率、減少原材料損耗,自動剪板機控制系統的自動化程度[5]的提高成為重中之重,且要求控制系統的抗干擾能力強,可靠性高[6-7]?？紤]到機床壽命生產效率受限,部分規模小的企業對原設備的控制系統進行改造,實現投資低,效益高,速率高[8],但該控制系統采用傳統的電氣控制已不能較好地滿足生產需求?；诖?本文選用西門子S7-1200PLC作為控制器,采用順序控制設計方法,根據不同板料加工要求與實際使用情況進行程序改進,通過PLC與觸摸屏之間的通訊,確保定長精度與板材尺寸的合格率。實際測試結果表明,該系統組態靈活、可拓展性強,符合企業生產實際需求。該研究具有一定的實際應用價值。

1 自動剪板機

自動剪板機[9]主要包括送料機構、定位壓緊機構、剪切機構等部分。自動剪板機的結構如圖1所示。

圖1 自動剪板機的結構

1.1 自動剪板機的結構原理

自動剪板機使用4個限位開關對各個部分的工作狀況進行檢測,分別為SQ1～SQ4。SQ1為工作臺右限位開關;SQ2為壓鉗上限位開關;SQ3為壓鉗下限位開關,壓鉗有上下2個限位開關;SQ4剪刀上限位開關[10]。由于工件的厚度不同,無法檢測剪刀是否切斷板材,因此,不加剪刀的下限位開關。自動剪板機通過鋼板、壓鉗及剪刀的到位與否實現系統的整體運行,利用板材到位信號由高電平變為低電平檢測板材是否被切斷,通過定時器延時一定合理時間判定板材否被剪斷。

電動機驅動輸送輥道運往復動,進端及COM端通電,工件前進;退端及COM端通電,工件后退。電動機在運送板料時只前進,到達位置時,板料被剪斷。壓鉗與剪切系統通過中間繼電器控制電磁閥,驅動壓鉗和剪刀的上升與下降[11]。進端及COM端通電,壓鉗下降;退端及COM端通電,壓鉗上升;進端及COM端通電,剪刀下降;退端及COM端通電,剪刀上升。

1.2 自動剪板機的控制要求

系統啟動前,初態壓鉗和剪刀均在上方原位,分別壓合SQ2和SQ4,按下啟動按鈕,系統正常運行,電機驅動輸送輥道開始運送板料。當板料運行觸碰到行程開關SQ1后,檢測到鋼板到位信號,輸送輥道停止,壓鉗下壓,當碰到行程開關SQ3后,檢測到壓緊后停止下壓。壓鉗停止下壓,剪刀下行,剪斷板料,延時10 s,延時時間到,剪刀回退,碰到形程開關SQ4后,剪刀停止。剪刀停止運動后,壓鉗退回,碰到行程開關SQ2停止,而后系統繼續循環啟動,直到剪完所設定的指定塊數(板材指定塊數通過計數器設定),機床自動停在原始狀態。

2 PLC 自動控制系統設計

2.1 系統硬件設計

該自動剪板機控制系統有6個輸入信號和5個輸出信號,二者都為開關量[12]。自動剪板機控制系統PLC I/O分配表如表1所示。根據輸入輸出信號的數量、類型與控制要求,同時考慮到系統的可靠性、抗干擾性、系統的維護、功能擴展及系統的改造和經濟性等諸多因素,本文選用西門子S7-1200PLC機型,CPU類型為CPU1212C AC/DC/RLY型號[13],系統PLC硬件接線圖如圖2所示。

表1 自動剪板機控制系統PLC I/O分配表

圖2 系統PLC硬件接線圖

2.2 自動剪板機順序控制功能圖

順序控制是遵循生產工藝預先規定的流程[14],在各個輸入信號的作用下,按照內部狀態和時間次序,在生產流程中各個執行機構進行自動有序的操作[15]?；陧樞蚩刂圃O計方法,按自動剪板機的控制要求,繪制順序功能圖[16],自動剪板機順序控制功能圖如圖3所示。順序功能圖主要由步、動作、有向連線、轉換和轉換條件組成,它是一種先進的設計方法,可提高設計效率,方便程序調試、修改和閱讀[17]。

2.3 自動剪板機控制系統梯形圖

順序控制設計方法有2個編程原則,即以步為目標和以動作為目標,程序的開頭用初始化脈沖M1.0導通初始步。以步為目標編寫程序的原則是啟動條件為前級步與轉換條件有效,停止條件為后級步變為活動步,保持條件為自身的常開觸點并聯在啟動條件的兩側形成自鎖。以動作為目標編寫原則,為將所有步并聯導通動作,布爾代數式為Qn=M0.p+M0.q+......+M0.n。根據順序功能圖在博圖軟件中編寫自動剪板機控制程序,自動剪板機部分系統梯形圖如圖4所示。

圖4 自動剪板機部分系統梯形圖

為了確保剪刀剪斷鋼板,編寫自動剪板機控制程序過程中需要注意M0.3～M0.4的步驟,轉換條件為定時器延時10 s?？紤]到安全性與準確性,將定時器定時時間與工件右限位開關到位信號串聯作為M0.3～M0.4的轉換條件,通過工件右限位開關上升沿信號的檢測,確保板料被剪斷。

板料加工前,確定裁剪板料的數量,計數器[18]的計數值與板料加工數量一一對應。未達到計數板料的計數值時,程序步的循環從M0.1步開始,循環剪切板料,達到板料計數值后,程序回到初始步停止工作,等待下一次啟動。

根據工廠實際加工需求,采用順序控制設計方法對步、轉換條件、動作進行更改,程序編寫實質原則不變,方便自動剪板機控制程序的開發。自動剪板機控制系統整體接線如圖5所示。

2.4 自動剪板機控制系統板材長度算法改進

實際生產中,裁剪板材的長度由輥軸轉動的長度決定,編碼器與輥軸柔性連接,同步轉動,但由于輥軸摩擦等因素,導致輥軸實際轉動的長度與脈沖數對應尺寸不匹配[19-20]。因此,PLC編程中將輥軸長度設為變量,包括固定值與變化量,通過觸摸屏設計一個可以輸入變化量的直徑輸入界面。在PLC中增加2個數據寄存器,分別存儲輥軸長度的固定值與變化量,通過比較指令進行運算。若輥軸直徑沒有發生變化,使用默認值;若改變,通過觸摸屏輸入其變化量。該方法可保證每次裁剪的板材長度相同。

3 測試實驗

將自動剪板機控制系統投入實際生產,通過博圖軟件將預先編寫的程序輸入PLC 控制器,在確保線路連接無誤的情況下,輸入板料加工尺寸和加工數量。啟動系統后,根據觸摸屏顯示的加工過程,判斷自動剪板機控制系統的運行情況。實驗檢測結果可以看出自動剪板機控制系統在加工過程中,系統運行平穩,加工出的板材精度高,板料合格率高,解決了中小型企業板材裁剪質量、生產效率與節能問題。

4 結束語

本文基于西門子S7-1200PLC控制,采用順序控制設計方法,根據自動剪板機生產實際要求進行程序設計與改進,更加直觀易懂,通過PLC與觸摸屏之間的通訊,確保板材的定長精度,減少原材料損耗,降低加工成本,達到預期設計目的。該設計符合企業生產實際需求,解決了電氣控制中繼電接觸器控制的復雜性和可靠性低等問題。該自動剪板機控制系統對中小型企業提高板材裁剪質量、生產效率與節能具有較高的工程實用價值。