田麗欣，江培蕾

基于MCGS和PLC的定長(zhǎng)切割機(jī)控制系統(tǒng)研究

田麗欣，江培蕾

定長(zhǎng)切割機(jī)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，要求其工作穩(wěn)定，切割精度高。文章采用PLC作為主控制器，利用光電編碼器對(duì)待切割管料的輸送位移進(jìn)行檢測(cè)，并與步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確定長(zhǎng)，采用PLC控制變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)切割機(jī)帶鋸的調(diào)速。采用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)界面，可輸入切割命令實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制，并顯示切割參數(shù)等。該控制系統(tǒng)滿(mǎn)足切割精度要求，具有一定實(shí)用性。

切割機(jī)；PLC；MCGS；定長(zhǎng)；控制系統(tǒng)

管材定長(zhǎng)切割機(jī)在各種管材生產(chǎn)中是不可缺少的生產(chǎn)設(shè)備。采用先進(jìn)的現(xiàn)代切割技術(shù)，不但可以保證切割精度、產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，而且使產(chǎn)品制造成本大幅度下降，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。PLC作為一種工業(yè)控制器具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。目前，PLC控制技術(shù)在現(xiàn)代化工業(yè)控制中起著舉足輕重的作用。它不僅在單機(jī)自動(dòng)化和小型企業(yè)整條流水生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制中廣泛應(yīng)用，還承擔(dān)著大企業(yè)整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)自動(dòng)化控制。

本設(shè)計(jì)以PLC作為下位機(jī)控制中心，利用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)友好的上位機(jī)人機(jī)界面，通過(guò)該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種管料不同長(zhǎng)度的高精度切割，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)。

一、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC作為定長(zhǎng)切割機(jī)控制中心保證定長(zhǎng)送料與切割下料的精度。管料的壓緊由液壓缸驅(qū)動(dòng)，送料機(jī)構(gòu)使用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，利用PLC的高速脈沖輸出（PTO）功能對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，采用光電編碼器和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)送料的精度。切割機(jī)構(gòu)采用帶鋸床，由變頻器控制帶鋸電機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同待切割材料的切割速度要求。通過(guò)行程開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程控制。通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入和對(duì)系統(tǒng)的各種操作命令輸入。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)需要16個(gè)數(shù)字量輸入、10個(gè)數(shù)字量輸出和1個(gè)模擬量輸出，選用CPU226型西門(mén)子S7-200 PLC。PLC連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器完成對(duì)管料輸送步進(jìn)電機(jī)的控制。擴(kuò)展模塊EM235CN的模擬量輸出端AQW0連接變頻器，AQW0輸出0-10V的電壓信號(hào)到變頻器，由變頻器調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)切割帶鋸速度的調(diào)節(jié)。變頻器的啟停通過(guò)Q1.0和Q1.1控制。高速計(jì)數(shù)器輸入端連接光電編碼器，選用日本歐姆龍生產(chǎn)E6B2-CWZ6C增量型編碼器。高速計(jì)數(shù)器接收來(lái)自光電編碼器的高速脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)送料長(zhǎng)度的檢測(cè)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

二、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)包括自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種工作方式。進(jìn)入工作環(huán)境后，選擇工作方式。如果為自動(dòng)方式，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)夾緊裝置、鋸條和管料是否在原位。如不在，PLC控制報(bào)警裝置報(bào)警。若在原位，輸入切割長(zhǎng)度和切割速度，啟動(dòng)切割。系統(tǒng)根據(jù)切割長(zhǎng)度自動(dòng)計(jì)算所需的高速脈沖數(shù)由PLC高速脈沖輸出端送出，并啟動(dòng)相應(yīng)計(jì)數(shù)器對(duì)編碼器計(jì)數(shù)，計(jì)算實(shí)際送料長(zhǎng)度。當(dāng)測(cè)量值較之設(shè)定值的誤差小于±1mm，脈沖停止輸出，夾緊裝置夾緊，啟動(dòng)變頻器和異步電動(dòng)機(jī)，帶鋸以一定速度切割管材，切割完畢后帶鋸返回，異步電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，夾緊裝置松開(kāi)。之后系統(tǒng)按前一次設(shè)定長(zhǎng)度繼續(xù)自動(dòng)切割管材。若選擇手動(dòng)工作方式，可以通過(guò)手動(dòng)按鈕實(shí)現(xiàn)送料前進(jìn)、后退，切割鋸條下行、后退以及夾緊裝置夾緊、松開(kāi)等控制，便于系統(tǒng)調(diào)試使用。自動(dòng)方式程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

本設(shè)計(jì)選擇PTO高速脈沖輸出，采用多段管線輸出高速脈沖控制步進(jìn)電機(jī)。高速計(jì)數(shù)器選用HSC1的工作模式0，通過(guò)I0.6接收由光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，通過(guò)PLC的計(jì)算以確定所送管材的實(shí)際長(zhǎng)度。復(fù)位端為I2.0。

圖2 自動(dòng)程序流程圖

系統(tǒng)程序主要包括主程序、手動(dòng)送料子程序、手動(dòng)切割子程序、自動(dòng)切割子程序、脈沖輸出子程序、包絡(luò)表子程序和模擬量輸出（變頻器控制）子程序等。其中脈沖調(diào)用包絡(luò)表子程序采用三段包絡(luò)表輸出脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)加速、高速運(yùn)行和低速停止。

主程序梯形圖如圖3所示。啟動(dòng)后PLC執(zhí)行主程序，I0.1為方式選擇開(kāi)關(guān)，進(jìn)行手動(dòng)方式和自動(dòng)方式選擇。在主程序中還調(diào)用了高速計(jì)數(shù)器初始化子程序，完成計(jì)數(shù)器控制字寫(xiě)入、工作模式設(shè)定等，在此部分還將待切割長(zhǎng)度寫(xiě)入了相關(guān)寄存器以進(jìn)行運(yùn)算。

圖3 主程序梯形圖

三、系統(tǒng)涉及主要運(yùn)算

本系統(tǒng)采用光電編碼器和管料輸送軸步進(jìn)電機(jī)同軸聯(lián)接。假設(shè)減速傳動(dòng)比為m∶1，驅(qū)動(dòng)設(shè)備輸送軸直徑為d，光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)一周產(chǎn)生n個(gè)脈沖。假設(shè)待切割管材的長(zhǎng)度存儲(chǔ)單元為VD100，VD100長(zhǎng)度下對(duì)應(yīng)的光電編碼器脈沖數(shù)存儲(chǔ)在VD104中，VD100長(zhǎng)度下對(duì)應(yīng)的PTO輸出脈沖數(shù)與光電編碼器輸出脈沖數(shù)一致。定長(zhǎng)切割機(jī)控制系統(tǒng)所需相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算如下。

VD100長(zhǎng)度下對(duì)應(yīng)的光電編碼器輸出脈沖數(shù)也即PTO輸出脈沖數(shù)為：

每毫米輸送距離對(duì)應(yīng)的PTO輸出脈沖數(shù)為：

假設(shè)設(shè)定的管料輸送速度為v mm/s，則發(fā)送脈沖頻率V為：

四、上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

管材定長(zhǎng)切割機(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面采用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)。監(jiān)控界面包括方式選擇、啟?？刂频雀骺刂瓢粹o輸入和相應(yīng)的狀態(tài)指示燈，可以輸入切割參數(shù)，包括切割長(zhǎng)度和切割速度，通過(guò)通信連接將上位機(jī)的切割參數(shù)送給下位機(jī)PLC進(jìn)行計(jì)算。定長(zhǎng)切割機(jī)的工作過(guò)程可通過(guò)動(dòng)畫(huà)顯示，反映現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況，方便、直觀。定長(zhǎng)切割機(jī)的監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 定長(zhǎng)切割機(jī)的監(jiān)控界面

五、結(jié)論

本控制系統(tǒng)由PLC的高速脈沖功能來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)送料，高速計(jì)數(shù)器接收來(lái)自光電編碼器的脈沖信號(hào)并對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際送料長(zhǎng)度的檢測(cè)，通過(guò)該閉環(huán)方式可以大大提高送料精度。切割速度由PLC控制變頻器來(lái)調(diào)節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)完成，可滿(mǎn)足不同切割材料時(shí)切割速度的選擇。該控制系統(tǒng)具有一定的智能性，操作方便、靈活。

通過(guò)PLC可實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)控制，經(jīng)過(guò)一定擴(kuò)展可滿(mǎn)足多自由度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的需要.因此，研究PLC運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有一定的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

［1］董學(xué)文，陳白寧.基于PLC步進(jìn)電機(jī)位置閉環(huán)控制研發(fā)與應(yīng)用［J］.機(jī)電信息，2011，（30）.

［2］高志等.基于PLC與LABVIEW的熱絲切割機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2013，（19）.

［3］張志娟.PLC在自動(dòng)剪板機(jī)中的精確定長(zhǎng)裁剪方法［J］.機(jī)床電器，2010，（3）.

唐山市科技計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：13110209b

田麗欣，唐山學(xué)院信息工程系講師，研究方向：自動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)，河北唐山，063000；江培蕾，唐山學(xué)院信息工程系講師，研究方向：自動(dòng)化技術(shù)，河北唐山，063000

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1007-0023（2015）01-0019-0003