板材切割自動(dòng)化控制系統(tǒng)論文 2012-5-10.

1、目 錄1 板材切割自動(dòng)化控制系統(tǒng)的概述11.1板材切割自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程11.2板材切割自動(dòng)化控制系統(tǒng)分類及基本工作流程12 PLC的簡介32.1 PLC的發(fā)展歷程32.2 PLC的組成部分及作用- 5 -2.3 PLC的特點(diǎn)- 6 -2.4 PLC的應(yīng)用范圍- 6 -3 金屬板材切割系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)- 8 -3.1 金屬板材切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路- 8 -3.2 板材切割系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)- 8 -3.3 金屬板材切割系統(tǒng)工作原理- 9 -3.4 板材切割系統(tǒng)的功能- 10 -3.4.1檢測輸入信號- 10 -3.4.2控制輸出信號- 11 -4 硬件系統(tǒng)配置及PLC選型- 12 -4.1硬件構(gòu)

2、成簡述- 12 -4.2 PLC選型- 12 -4.3 PLC的I/O資源分配- 13 -4.3.1 輸入部分- 13 -4.3.2 輸出部分- 14 -4.4 其他方面資源配置- 15 -4.4.1 限位開關(guān)- 15 -4.4.2 電磁閥- 16 -4.4.3 接觸器- 16 -4.4.4 人機(jī)界面- 16 -4.4.5 各類按鈕- 17 -5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 18 -5.1 總體流程設(shè)計(jì)- 18 -5.1.1 手動(dòng)控制模式- 18 -5.1.2 自動(dòng)控制模式- 19 -5.2 各個(gè)模塊梯形圖設(shè)計(jì)- 20 -5.2.1 手動(dòng)程序- 21 -5.2.2 自動(dòng)程序- 22 -5.2.3 調(diào)用子程

3、序- 25 -總 結(jié)- 29 -參 考 文 獻(xiàn)- 30 -致 謝- 31 - 摘 要目前很多生產(chǎn)單位依然采用人工手動(dòng)操作，不僅步驟繁多，而且需要熟練的技巧和豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，由于在切割時(shí)產(chǎn)生大量粉塵，噪聲等因素，使得工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣，工人的身體產(chǎn)生壞的影響。同時(shí)各種不同的材料，因?yàn)楣ぷ魅藛T的熟悉程度。容易造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。本文介紹了板材切割自動(dòng)化控制系統(tǒng)的分類及基本工作流程，簡單介紹了PLC有關(guān)情況，板材切割自動(dòng)化控制系統(tǒng)的總體方案，具體詳細(xì)地說明了它的軟件和硬件設(shè)計(jì)。同時(shí)也分析了PLC對板材切割過程的控制方法，本控制系統(tǒng)涉及的主要硬件是S7-200 PLC、限位開

4、關(guān)、電磁閥、接觸器等 關(guān)鍵詞：PLC、板材切割自動(dòng)化控制系統(tǒng)、電磁閥、接觸器Abstract1 板材切割自動(dòng)化控制系統(tǒng)的概述1.1板材切割自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程液壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造要求高，使用此類設(shè)備需要增設(shè)油泵站，增加占地面積和噪聲，但是中國在液壓方面的原件制造工藝及質(zhì)量方面的原因，對于某些控制要求無法達(dá)到，因此需要進(jìn)口國外設(shè)備，使得該類設(shè)備在維護(hù)方面有部分困難。采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，其核心處理器為單片機(jī)，此類控制系統(tǒng)多為用戶自行設(shè)計(jì)，在可靠性方面無法與成熟的產(chǎn)品相比，而在工廠的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，用電設(shè)備較多而且功率較大頻繁的啟?？刂迫菀自斐呻娋W(wǎng)電壓波動(dòng)，同時(shí)電磁干擾也對單片機(jī)控

5、制系統(tǒng)的性能有較大的影響，容易產(chǎn)生程序跑飛等現(xiàn)象?；谟?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)方面總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高，軟件資源特別豐富，可支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可進(jìn)行復(fù)雜處理的優(yōu)點(diǎn)，但對環(huán)境有一定的要求，要在干擾小，具有一定溫度和濕度的環(huán)境下使用。在復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境下，粉塵和電磁干擾會(huì)影響計(jì)算機(jī)的控制性能。使用可編程控制器的控制系統(tǒng)，適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，干擾較多的場合，同時(shí)編程易學(xué)簡單，利于推廣，最重要的是其安裝方便、設(shè)計(jì)簡單，如果需要改變控制邏輯或增加控制功能時(shí)，只需改變程序即可，對硬件連線改動(dòng)較少，便于進(jìn)行技術(shù)改造。采用PLC作為控制器具有運(yùn)行速度快、調(diào)試時(shí)間周期短、維護(hù)簡單和較高的可靠性

6、。1.2板材切割自動(dòng)化控制系統(tǒng)分類及基本工作流程 根據(jù)切割材料不同，板材切割系統(tǒng)主要分為兩個(gè)方面，一個(gè)是金屬切割方面，另一個(gè)是石板切割方面。但其主要工作流程大體是相同的，都包含：工件傳輸、到位檢測、切割機(jī)啟動(dòng)準(zhǔn)備、切割過程啟動(dòng)、工件處理等過程。本設(shè)計(jì)主要關(guān)于金屬切割方面。金屬板材切割示意圖如圖1-1所示 圖1-1 金屬板材切割系統(tǒng)示意圖 322 PLC的簡介2.1 PLC的發(fā)展歷程(一) 早期的PLC(60年代末70年代中期)第一階段：開發(fā)的PLC容量較小，I/O點(diǎn)數(shù)小于120點(diǎn)。用戶存儲(chǔ)區(qū)容量在2KB左右，掃描速度為2050ms/KB，指令較為簡單，只有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等，編程語言采用簡

7、單的語句表語言。使用上，主要用來作開關(guān)量控制。早期的PLC一般稱為可編程邏輯控制器。這時(shí)的PLC多少有點(diǎn)繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制，定時(shí)等。(二) 中期的PLC(70年代中期80年代中，后期)第二階段：PLC 的容量有所擴(kuò)展，同時(shí)指令功能除了基本的邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)外，還增加了算術(shù)運(yùn)算指令、比較指令，以及模擬量處理指令等，輸入輸出類型也由純開關(guān)量I/O，擴(kuò)展為帶模擬量的I/O。編程語言除了使用語句表外，還可以使用梯形圖編程語言。而且采用了微處理器作為PLC的中央處理單元(CPU) 使得PLC得功能大大增強(qiáng)。(三) 近期的PLC(80年代中、后期

8、至今)進(jìn)入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場價(jià)格大幅度下跌，使得各種類型的PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進(jìn)一步提高PLC的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得PLC軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、板材切割、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、交通，輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、

9、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。2.2 PLC的組成部分及作用從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。CPU是PLC的核心部件之一， 它的主要功能有： 采集輸入信號 執(zhí)行用戶程序；刷新系統(tǒng)輸出；執(zhí)行管理和診斷程序； 與外界通信。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)

10、現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。 PLC的I/O部分，因用戶的需求不同有各種不同的組合方式，通常以模塊的形式供應(yīng)，一般可分為：  開關(guān)量I/O模塊  模擬量I/O模塊  數(shù)字量I/O模塊 高速計(jì)數(shù)模塊  精確定時(shí)模塊  快速響應(yīng)模塊  中斷控制模塊  PID模塊  位置控制模塊  軸向定位模塊  

11、通信模塊。開關(guān)量是指只有開和關(guān)（或1和0）兩種狀態(tài)的信號，模擬量是指連續(xù)變化的量。PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VAC）。大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個(gè)整體。編程設(shè)備：編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運(yùn)行。小編程器PLC

12、一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。人機(jī)界面：最簡單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面非常普及。輸入輸出設(shè)備：用于永久性地存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)，如EPROM、EEPROM寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機(jī)等。依靠先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出"網(wǎng)絡(luò)就是控制器"的觀點(diǎn)說法。PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)以及其他智能設(shè)備之

13、間能夠交換信息，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散集中控制。大多數(shù)具有RS-232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。PLC的通信，還未實(shí)現(xiàn)互操作性，IEC規(guī)定了多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，PLC各廠家均有采用。對于一個(gè)自動(dòng)化工程(特別是中大規(guī)?？刂葡到y(tǒng))來講，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。首先，網(wǎng)絡(luò)必須是開放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展；其次，針對不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議、機(jī)制的前提下進(jìn)行；再次，綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場環(huán)境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。2.3 PLC的特點(diǎn)（1）編程方法簡單易學(xué)（2）功能強(qiáng)，性

14、能價(jià)格比高（3）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)（4）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)（5）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少（6）維修工作量小，維修方便（7）體積小，耗能低（8）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 2.4 PLC的應(yīng)用范圍（1）開關(guān)量的邏輯控制 這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。（2）模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模

15、擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 （3）運(yùn)動(dòng)控制 PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。 （4）過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序

16、，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運(yùn)行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。 （5）數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品

17、工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 （6）通信及聯(lián)網(wǎng) PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3 金屬板材切割系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1 金屬板材切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路 金屬板材切割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面：一個(gè)是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，另一個(gè)是PLC電氣控制設(shè)計(jì)。機(jī)械機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)控制功能的基礎(chǔ)；PLC電氣控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)控制功能的核心部分，兩方面的設(shè)計(jì)過程相互獨(dú)立。3.2 板材切割系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)等及其附屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備。該金屬板材切割系統(tǒng)的

18、機(jī)械結(jié)構(gòu)比較簡單，主要包括牽引機(jī)、切割機(jī)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。(1)牽引機(jī)牽引機(jī)一般是由互相平行的前后兩對輥?zhàn)咏M成，通過電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)工件進(jìn)行前后移動(dòng)，完成工件的輸送功能。(2)切割機(jī)切割機(jī)是切割系統(tǒng)的核心設(shè)備，一般包括壓緊機(jī)構(gòu)、切割槍和進(jìn)給系統(tǒng)等設(shè)備。壓緊機(jī)構(gòu)有一對V型鐵在氣缸的帶動(dòng)下，通過杠桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行壓緊，通過PLC的指令控制氣缸的上升和下降，最后實(shí)現(xiàn)壓緊和松開的操作。切割槍包括三個(gè)氣體閥門，按照不同的開啟順序，通過PLC的控制可實(shí)現(xiàn)切割槍的打開和關(guān)閉。進(jìn)給系統(tǒng)是通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，利用PLC的高速脈沖輸出和電動(dòng)機(jī)方向輸出，來實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的精確控制。(3)液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)由泵站和

19、相應(yīng)的液壓控制系統(tǒng)構(gòu)成，相應(yīng)的油缸通過對應(yīng)的泵站進(jìn)行控制，完成其功能。板材切割系統(tǒng)的機(jī)械組成部分示意圖如圖3-1所示。 圖3-1 板材切割系統(tǒng)的機(jī)械組成部分示意圖(4)電氣控制系統(tǒng)如圖3-2所示的電氣控制結(jié)構(gòu)示意圖，電氣控制柜主要安裝PLC控制及其擴(kuò)展模塊，除此之外還有一些繼電器等設(shè)備用于驅(qū)動(dòng)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如，電動(dòng)機(jī)等，同時(shí)在電器柜中還要安裝一些顯示機(jī)構(gòu)，在調(diào)試時(shí)，便于觀察數(shù)據(jù)是否正確，以判斷過程是否滿足控制要求，電氣控制系統(tǒng)組成示意圖如圖3-3所示。 圖3-2 電氣控制結(jié)構(gòu)示意圖 圖3-3 電氣控制系統(tǒng)組成示意圖3.3 金屬板材切割系統(tǒng)工作原理接通電源后，通過按下控制面板上的啟動(dòng)按鈕，整個(gè)

20、系統(tǒng)開始工作，牽引機(jī)、壓緊裝置、切割槍等按照程序設(shè)定順序啟動(dòng)，同時(shí)PLC檢測外部各個(gè)開關(guān)量反饋的狀態(tài)，以確定如何進(jìn)行控制。該系統(tǒng)的工作過程包括以下幾個(gè)方面： (1)首先大車攜帶工件前進(jìn)，使工件到達(dá)切割槍所在位置下方，可通過切割槍下方的限位開關(guān)進(jìn)行檢測。 (2)大車到位后，啟動(dòng)壓緊裝置，經(jīng)過延時(shí)后，壓緊結(jié)束。 (3)延時(shí)結(jié)束后，切割槍下降到位。 (4)下降到位后，依次啟動(dòng)乙炔閥門、切割氧閥門、高壓氧閥門，點(diǎn)燃火焰。 (5)待預(yù)熱一段時(shí)間后，啟動(dòng)切割槍左右移動(dòng)電動(dòng)機(jī)，開始切割過程。(6)切割結(jié)束，切割槍復(fù)位。 (7)松開壓緊機(jī)構(gòu)，大車在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)固定長度。 (8)再次起用切割槍，切割過程

21、循環(huán)進(jìn)行。板材切割系統(tǒng)工作主要過程如圖3-4所示。 圖3-4金屬板材切割系統(tǒng)工作主要過程示意圖3.4 板材切割系統(tǒng)的功能 切割系統(tǒng)的功能主要是完成板材的切割和移動(dòng)，即通過牽引機(jī)（大車）將板材運(yùn)送到指定位置，切割槍或刀盤的位置處，然后通過切割槍和刀盤，對板材進(jìn)行切割處理，當(dāng)一次完整的切割過程結(jié)束后，大車在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下前進(jìn)一段距離，該距離為程序設(shè)定時(shí)所需切割的長度，然后再進(jìn)行切割過程，循環(huán)進(jìn)行直到達(dá)停止的條件。其主要涉及兩方面的功能：一是檢測輸入信號；二是控制輸出信號。3.4.1檢測輸入信號板材切割自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要完成對操作按鈕輸入的檢測、大車輸送到位的檢測、切割槍位置的檢測、大車步進(jìn)到位的

22、檢測等。(1)操作按鈕輸入檢測。完成對人工操作臺(tái)的輸入按鈕的檢測，主要的輸入按鈕有急停、復(fù)位、自動(dòng)/手動(dòng)選擇按鈕、自動(dòng)啟動(dòng)按鈕、切割槍上下移動(dòng)及左右移動(dòng)按鈕、大車前進(jìn)和后退按鈕、工件壓緊和松開按鈕、切割槍乙炔閥門按鈕、切割槍的切割氧和高壓氧閥門按鈕等。(2)大車輸送到位的檢測。完成對大車輸送情況的檢測，當(dāng)大車第一次攜帶工件到達(dá)切割槍處時(shí)，停止大車電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。(3)切割槍位置的檢測。大車到位后則開始切割過程，在切割過程中，主要是對切割槍的位置進(jìn)行檢測，包括四個(gè)限位開關(guān)，切割槍的上位、下位、左位、右位四個(gè)限位開關(guān)，用來控制切割槍的運(yùn)行，到達(dá)限位開關(guān)處停止PLC的輸出，保證切割槍在一定范圍內(nèi)進(jìn)行切

23、割操作。(4)大車步進(jìn)到位的檢測。在完成一次完整的切割過程后，切割槍復(fù)位，大車在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)一定長度后，到達(dá)限位后停止步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。3.4.2控制輸出信號控制輸出的方式主要有：大車步進(jìn)電機(jī)的控制、切割槍左右運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制、切割槍電磁閥的控制、切割槍氣體閥門的控制、壓緊裝置的控制。(1)大車步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制?？刂圃撾妱?dòng)機(jī)的啟停和移動(dòng)的長度，既要保證大車的運(yùn)行速度又要確保按照設(shè)定的長度移動(dòng)，包括PLC輸出的脈沖個(gè)數(shù)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。(2)切割槍左右運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制?？刂圃撾妱?dòng)機(jī)的方向和啟停，保證切割槍能正向運(yùn)行也能反向運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)切割槍的切割操作和復(fù)位操作。(3)切割槍電磁閥的控制?？刂圃?/p>

24、電磁閥的通斷，在大車到位后，將電磁閥接通，把切割機(jī)下降到位，是切割槍的位置正好處于工件的上方便于切割。切割過程結(jié)束后，切割機(jī)在電磁閥的作用下提升到位，然后移動(dòng)到初始位置。(4)切割槍氣體閥門的控制?？刂圃撻y門的通斷，在切割槍下降到位后，依次打開切割槍的乙炔閥門、切割氧閥門、高壓氧閥門，以便啟動(dòng)切割槍的運(yùn)行。(5)壓緊裝置的控制?？刂齐姶砰y的通斷，當(dāng)工件被輸送到位后，通過壓緊機(jī)構(gòu)將工件固定，然后才能啟動(dòng)切割。切割結(jié)束后，先松開工件以便工件進(jìn)行移動(dòng)。4 硬件系統(tǒng)配置及PLC選型4.1硬件構(gòu)成簡述如圖4-1所示的是金屬板材切割控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備連接示意圖。此控制系統(tǒng)的核心處理器是PLC，主要輸入和輸

25、出量多為數(shù)字量。圖4-1金屬板材切割系統(tǒng)硬件示意圖4.2 PLC選型根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面來考慮，選擇西門子S7-200系列PLC作為板材控制系統(tǒng)的主機(jī)。此控制系統(tǒng)的控制過程比較簡單，算法也不復(fù)雜，因此選用的CPU總共有19個(gè)數(shù)字量輸入和10個(gè)數(shù)字量輸出，共需29個(gè)數(shù)字量I/O。根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)，以及程序容量和控制的要求，選擇CPU224作為該控制系統(tǒng)的主機(jī)。CPU224具有以下特性：本機(jī)集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O 點(diǎn)。16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，

26、2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器4.3 PLC的I/O資源分配根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，對PLC的I/O進(jìn)行設(shè)置，具體分配如下所示。4.3.1 輸入部分在此控制系統(tǒng)中，所需要的輸入量基本上都屬于數(shù)字量，主要包括各種控制按鈕和各種限位開關(guān)，共有19個(gè)數(shù)字輸入量，如表4-2所示。輸入地址輸入設(shè)備輸入地址輸入設(shè)備I0.0急停I1.2手動(dòng)大車前進(jìn)I0.1復(fù)位I1.3手動(dòng)大車后退I0.2手動(dòng)/自動(dòng)I1.4手動(dòng)工件壓緊I0.3自動(dòng)切割啟動(dòng)I1.5手動(dòng)工件

27、松開I0.4手動(dòng)切割槍上升I2.0切割槍上限開關(guān)I0.5手動(dòng)切割槍下降I2.1切割槍下限開關(guān)I0.6手動(dòng)切割槍左移I2.2切割槍左限開關(guān)I0.7手動(dòng)切割槍右移I2.3切割槍右限開關(guān)I1.0手動(dòng)切割槍乙炔閥門I2.4大車到位開關(guān)I1.1手動(dòng)切割槍切割氧和高壓氧閥門表 4-2 數(shù)字輸入量地址4.3.2 輸出部分在這個(gè)控制系統(tǒng)中，主要輸出控制的設(shè)備有各種接觸器、電動(dòng)機(jī)等，共有10個(gè)輸出點(diǎn)，其具體分配如表4-3所示輸出地址輸出設(shè)備輸出地址輸出設(shè)備Q0.0步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖輸出Q0.5切割槍下降電磁閥Q0.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)方向Q0.6切割槍乙炔閥門Q0.2切割槍電動(dòng)機(jī)正向接觸器Q0.7切割槍切割氧閥門Q0.3切

28、割槍電動(dòng)機(jī)反向接觸器Q1.0切割槍高壓氧閥門Q0.4切割槍上升電磁閥Q1.1壓緊裝置 表 4-3 數(shù)字輸出量地址分配 根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，如表4-2和表4-3所示的I/O分配情況以及如圖4-1所示的硬件連接示意圖，設(shè)計(jì)出板材切割自動(dòng)化控制系統(tǒng)PLC控制部分接線圖，如圖4-4所示，此控制面板上的手動(dòng)控制部分主要在調(diào)試系統(tǒng)中使用，調(diào)試完成后基本處于閑置狀態(tài)。圖 4-4 金屬板材切割控制系統(tǒng)PLC控制部分硬件接線圖4.4 其他方面資源配置要完成系統(tǒng)的功能除了PLC及其擴(kuò)展模塊之外，還需要各種限位開關(guān)、電磁閥和接觸器等儀器設(shè)備。4.4.1 限位開關(guān)在此系統(tǒng)中共用了4個(gè)限位開關(guān)：上限位開關(guān)、下限位開

29、關(guān)、左限位開關(guān)和右限位開關(guān)。限位開關(guān)主要用來控制切割槍在運(yùn)動(dòng)過程中的停止位置，防止移動(dòng)超限導(dǎo)致事故。(1)上限位開關(guān)。上限位開關(guān)用于控制切割槍在上升時(shí)的位置，防止切割槍向上運(yùn)動(dòng)超出范圍。事先在切割系統(tǒng)工作平臺(tái)上方合適的位置上安裝好限位開關(guān)，當(dāng)切割槍逐漸上升，直到接觸到工作臺(tái)上方的限位開關(guān)時(shí)，PLC控制切割槍停止上升。(2)下限位開關(guān)。下限位開關(guān)用于控制切割槍在下降時(shí)的位置，防止切割槍向下運(yùn)動(dòng)超出范圍。事先在切割系統(tǒng)工作平臺(tái)下方合適的位置上安裝好限位開關(guān)，當(dāng)切割槍逐漸下降，直到接觸到工作臺(tái)下方的限位開關(guān)時(shí)，PLC控制切割槍停止下降。(3)左限位開關(guān)。左限位開關(guān)用于控制切割槍向左運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置，防止

30、切割槍向左運(yùn)動(dòng)超出范圍。事先在切割系統(tǒng)工作平臺(tái)合適的位置上安裝好限位開關(guān)，當(dāng)切割槍向左運(yùn)動(dòng)，直到接觸到工作臺(tái)左邊的限位開關(guān)時(shí)，PLC控制切割槍停止向左運(yùn)動(dòng)。(4)右限位開關(guān)。右限位開關(guān)用于控制切割槍向右運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置，防止切割槍向右運(yùn)動(dòng)超出范圍。事先在切割系統(tǒng)工作平臺(tái)合適的位置上安裝好限位開關(guān)，當(dāng)切割槍向右運(yùn)動(dòng)，直到接觸到工作臺(tái)右邊的限位開關(guān)時(shí)，PLC控制切割槍停止向右運(yùn)動(dòng)。4.4.2 電磁閥此系統(tǒng)中切割槍的上升和下降是通過控制氣缸來實(shí)現(xiàn)的，使用一個(gè)氣缸、一個(gè)電磁閥就能實(shí)現(xiàn)切割槍的上升和下降，對于利用切割槍的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)升降，汽缸控制簡單方便；在壓緊裝置中也采用了氣缸控制。在板材切割系統(tǒng)中，共采

31、用了四個(gè)電磁閥。(1)上升電磁閥：控制氣缸驅(qū)動(dòng)切割槍上升到設(shè)定位置。(2)下降電磁閥：控制氣缸驅(qū)動(dòng)切割槍下降到設(shè)定位置。(3)壓緊電磁閥：控制氣缸來驅(qū)動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)壓緊工件。(4)松開電磁閥：控制氣缸來驅(qū)動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)松開工件。4.4.3 接觸器此系統(tǒng)中，大車不需要時(shí)刻連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而是根據(jù)PLC檢測相關(guān)狀態(tài)后，發(fā)出控制大車運(yùn)行指令。因此，就必須在大車的電動(dòng)機(jī)部分裝一個(gè)可以控制電動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)和停止的接觸器，再連接到PLC控制接觸器，最后達(dá)到控制目的。切割槍的運(yùn)行同樣也不需要時(shí)時(shí)刻刻工作，因此在切割槍附近放置的接近開關(guān)，則可以將工件到位的信號傳至到PLC，控制壓緊機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，并且在程序中控制切割槍在壓緊裝置到位

32、的情況下開始工作。4.4.4 人機(jī)界面由于需要對板材切割長度進(jìn)行修改，為了方便修改，需要采用人機(jī)界面進(jìn)行控制和顯示。在此控制系統(tǒng)中，采用西門子公司為S7-200設(shè)計(jì)的文本顯示面板TD200。實(shí)物圖見圖4-5圖4-5 西門子文本顯示器TD200實(shí)物圖文本顯示器TD200的特點(diǎn)如下。1最大顯示2行中文文本。2支持中英文顯示。3與S7-200通過RS-485通信。4顯示為LCD顯示。5可編程的功能鍵有4個(gè)，系統(tǒng)鍵有5個(gè)。6可通過通信口供電，當(dāng)距離較長時(shí)，也可利用獨(dú)立電源供電。7顯示器電路具有反接保護(hù)、短路保護(hù)、浪涌保護(hù)和電子自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。8允許調(diào)整指定的程序變量。9允許強(qiáng)制改變輸入/輸出點(diǎn)。10組態(tài)

33、軟件采用STEP-Micro/WIN32 V4.0 SP4版本，無需單獨(dú)HMI組態(tài)軟件。4.4.5 各類按鈕急停按鈕采用帶鎖的，常閉觸點(diǎn)，按下旋轉(zhuǎn)復(fù)位按鈕；手動(dòng)/自動(dòng)按鈕采用旋鈕，一邊常閉，一邊常開；其余按鈕均采用觸點(diǎn)觸發(fā)方式，即按下接通，松開即復(fù)位。5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1 總體流程設(shè)計(jì)根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，金屬板材切割的控制分為手動(dòng)控制模式和自動(dòng)控制模式，在手動(dòng)控制模式時(shí)，每個(gè)設(shè)備可單獨(dú)運(yùn)行，相互之間沒有順序，互不干擾，模式選擇流程圖如圖5-1所示。圖 5-1 模式選擇流程圖5.1.1 手動(dòng)控制模式在手動(dòng)控制模式下，可單獨(dú)控制每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行，手動(dòng)控制模式流程圖如圖5-2所示。圖 5-2 手

34、動(dòng)控制模式流程圖在此模式下，大車的運(yùn)行可通過按鈕進(jìn)行前進(jìn)和后退的控制，對于切割槍則可進(jìn)行上下移動(dòng)和左右移動(dòng)，在不超過限位開關(guān)的情況下，也可單獨(dú)測試各類氣體閥門的控制，從而檢測切割槍的性能等。5.1.2 自動(dòng)控制模式處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)通電后，按下切割啟動(dòng)，系統(tǒng)開始工作，其工作過程包括以下幾個(gè)方面。1系統(tǒng)通電后按下啟動(dòng)按鈕。2大車攜帶板材開始運(yùn)行，到達(dá)切割槍處停止。3大車到位后，啟動(dòng)壓緊裝置將板材固定。4固定后，啟動(dòng)切割程序。5切割結(jié)束后，壓緊裝置松開。6大車通過步進(jìn)電機(jī)控制前進(jìn)所需的長度后停止。7大車到位后，再次調(diào)用切割程序。8切割結(jié)束后，如果沒有按下停止按鈕，調(diào)制步驟5循環(huán)執(zhí)行。9如果停止按

35、鈕被按下，系統(tǒng)停止。自動(dòng)模式流程圖如圖5-3所示。圖 5-3 自動(dòng)控制模式流程圖在以上流程圖中，調(diào)用了切割子程序，切割子程序的工作過程包括以下幾個(gè)方面。1大車到位后，切割槍左移。2左移到位后，切割槍下降。3下降到位后，先打開乙炔氣閥門，啟動(dòng)定時(shí)器。4定時(shí)2S，時(shí)間到后，打開切割氧和高壓氧閥門，啟動(dòng)定時(shí)器。5定時(shí)1S，時(shí)間到后，切割槍在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，向右移動(dòng)，開始切割。6到右限位后，切割過程結(jié)束，切割槍自動(dòng)復(fù)位。切割過程流程圖如圖5-4所示。圖 5-4 切割過程流程圖以上為金屬板材切割流程。5.2 各個(gè)模塊梯形圖設(shè)計(jì)以下列出了可能用到的軟元件。如表5-6所示。表 5-6 元件設(shè)置元 件意 義內(nèi)

36、 容備 注M0.0急停標(biāo)志ON有效M0.1手動(dòng)標(biāo)志ON有效M0.2自動(dòng)標(biāo)志ON有效M0.3自動(dòng)啟動(dòng)標(biāo)志ON有效M0.4大車運(yùn)行標(biāo)志ON有效M0.5工件壓緊標(biāo)志ON有效M0.6切割程序標(biāo)志ON有效M0.7大車步進(jìn)走設(shè)定的距離ON有效M1.0大車步進(jìn)后到位標(biāo)志ON有效M1.1切割槍左移標(biāo)志ON有效M1.2切割槍下降標(biāo)志ON有效M1.3乙炔閥門打開標(biāo)志ON有效M1.4切割氧和高壓氧閥門打開標(biāo)志ON有效M1.5切割槍右移標(biāo)志ON有效M1.6切割槍上升標(biāo)志ON有效M1.7切割槍復(fù)位標(biāo)志ON有效M2.0大車后退標(biāo)志ON有效M2.1工件松開標(biāo)志ON有效T37乙炔閥門打開后延時(shí)202ST38切割氧和高壓氧閥門

37、打開后延時(shí)101ST40工件壓緊時(shí)間101ST41工件松開時(shí)間101SVD0板材長度5005cm以下程序以金屬板材切割控制為主，由于在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，設(shè)備的執(zhí)行先后按先后順序，因此采用順序控制指令編寫軟件。5.2.1 手動(dòng)程序在系統(tǒng)通電后，將旋鈕置于手動(dòng)狀態(tài)，可通過面板上的按鈕控制每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行。手動(dòng)控制系統(tǒng)主要是便于在生產(chǎn)線初裝時(shí)進(jìn)行調(diào)試，檢測各個(gè)設(shè)備是否能正常運(yùn)行，手動(dòng)控制梯形圖程序如圖5-7所示。圖 5-7 手動(dòng)控制梯形圖程序手動(dòng)模式設(shè)置主要是為了方便系統(tǒng)調(diào)試和維修工作。調(diào)試時(shí)，可以不同的設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，最后整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試，在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)也能快速查找出問題出在那個(gè)設(shè)備上，如果切割系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出

38、現(xiàn)問題，也可采用手動(dòng)方式進(jìn)行檢查，便于維修。而在切割系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，主要采用自動(dòng)方式進(jìn)行控制。5.2.2 自動(dòng)程序在生產(chǎn)過程中，金屬板材切割系統(tǒng)大多處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)通過PLC檢測各種狀態(tài)，控制設(shè)備的運(yùn)行，按照設(shè)定的參數(shù)順序啟動(dòng)，自動(dòng)控制梯形圖如圖5-8所示。圖 5-8 自動(dòng)控制梯形圖程序系統(tǒng)開機(jī)自動(dòng)運(yùn)行后，大車先帶板材到達(dá)切割槍處，然后通過壓緊裝置將板材進(jìn)行固定，固定后就可以進(jìn)行切割，其過程如圖5-9所示。圖 5-9 自動(dòng)控制梯形圖程序如圖5-9所示，當(dāng)大車移動(dòng)到位后，工件被夾緊后，開始進(jìn)行切割過程。通過調(diào)用子程序3，完成一次切割過程，然后夾緊裝置松開工件，進(jìn)行后續(xù)工作，如圖5-10所示。圖 5-10自動(dòng)控制梯形圖程序5.2.3 調(diào)用子程序在自動(dòng)控制程序中，調(diào)用幾個(gè)子程序，在不同的子程序中，實(shí)現(xiàn)不同的功能要求。子程序0初始化步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸出，寫脈沖輸出的控制字，并完成脈沖的輸出；子程序2也是控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸出；子程序3實(shí)現(xiàn)切割過程。子程序0梯形圖程序程序如圖5-11所示。圖 5-11子程序0梯形圖程序與圖5-11所示的程序中，對應(yīng)的中斷梯形圖程序如圖5-12所示。圖 5-12 子程序0所對應(yīng)的中斷梯形圖程序子程序0控制大車每次前進(jìn)的距離，利用步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精確控制，而子程序2主要對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行慢速驅(qū)動(dòng)，等大車到