鋼管據(jù)切機(jī)的PLC控制設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、沈陽理工大學(xué)畢業(yè)論文1 引 言1.1 概述本課題是為鋼管生產(chǎn)線定尺自動切割機(jī)控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，定尺自動切割機(jī)是鋼管生產(chǎn)線上的一個(gè)重要設(shè)備，本文將分別詳細(xì)論述自動切割機(jī)的原理、設(shè)計(jì)理論、軟件程序編制。隨著市場經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對生產(chǎn)效率以及成品質(zhì)量的要求越來越高，同時(shí)微機(jī)控制技術(shù)發(fā)展趨于成熟，各種自動化程度很高的高性能切割機(jī)迅速發(fā)展起來。比如卷筒料（紙、鋼板等）高速切割機(jī)、凹板切割機(jī)、玻璃切割機(jī)、鋼板整平切割機(jī)等等，基本都具備了微機(jī)控制、定長設(shè)置、速度實(shí)時(shí)監(jiān)測、直流調(diào)速等功能。鋸切的速度與精度達(dá)到了比較高的水平，擴(kuò)展功能如自動裝卸等也都比較齊全。作為管材領(lǐng)域重要的生產(chǎn)設(shè)備，鋼管自動切割機(jī)的鋸切

2、精度、鋸切速度、自動化程度直接影響到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，因此對其技術(shù)要求非常高。它里面融合了計(jì)算機(jī)自動控制、精密機(jī)械傳動控制、電機(jī)調(diào)速、人機(jī)工程等多種技術(shù)，有著較深的理論價(jià)值。針對不同的管材，切割機(jī)組采用的切割方式不盡相同。對于硬度非常高的合金鋼管材，對鋸切片硬度又有非常高的要求，一般是管材達(dá)到設(shè)定長度后停止運(yùn)行，然后下鋸切割。對于大部分普通硬度管材，一般都是進(jìn)行隨動鋸切，即在管材運(yùn)動中進(jìn)行下鋸鋸切，以滿足鋸切精度的更高要求。自動切割機(jī)是對鋼管生產(chǎn)線上運(yùn)動著的鋼管進(jìn)行連續(xù)在線測長并切割的裝置。鋸車在對鋼管的在線切割過程中，應(yīng)不影響鋼管生產(chǎn)線的流水作業(yè)。它是鋼管生產(chǎn)線上必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，它與

3、堆垛機(jī)，自動包裝設(shè)備共同構(gòu)成鋼管生產(chǎn)線。在鋼管生產(chǎn)線上，已經(jīng)成型的待切鋼管不停的在生產(chǎn)線上向前輸送，自動切割機(jī)應(yīng)根據(jù)輸送速度及待切長度適時(shí)啟動鋸車拖動裝置進(jìn)行跟蹤，迅速達(dá)到同步。并經(jīng)過進(jìn)一步調(diào)整，在滿足鋸切精度的前提下，輸出夾緊指令，使鋼管與鋸車之間相對固定，以保證鋸切過程的安全進(jìn)行。固定完成后，輸出鋸切指令，鋸切結(jié)束后下達(dá)抬鋸、松夾和返回指令，拖動裝置拖動鋸車迅速精確回位，等待下一個(gè)啟動信號到來時(shí)再重復(fù)鋸切過程。切割機(jī)這一工業(yè)產(chǎn)品經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜，從低級到高級的發(fā)展過程，最早的切割機(jī)不能在線切割鋼管，這就大大影響了生產(chǎn)效率。后來切割機(jī)安裝在鋼管生產(chǎn)線上，能夠進(jìn)行在線切割，但定尺控制都采用機(jī)

4、械裝置，生產(chǎn)效率和定尺精度都不高。隨著電子技術(shù)的發(fā)展及芯片的不斷更新，國外七十年代推出了計(jì)算機(jī)控制定尺的切割機(jī)，其中以德國和日本的產(chǎn)品為代表。國內(nèi)八十年代中期才推出微機(jī)定尺切割，采用單片機(jī)控制4。目前，全國正在使用中的自動設(shè)備有2000多臺套，大部分為機(jī)械定尺的氣動鋸車（鋸車采用汽缸中的壓縮空氣作為推進(jìn)動力，無電氣調(diào)速系統(tǒng)）定尺精度不高；少部分為單片機(jī)控制的定尺切割機(jī)，這種自動控制的鋸車采用直流電機(jī)經(jīng)齒輪齒條傳動，有電氣調(diào)速系統(tǒng)。加裝單片機(jī)系統(tǒng)的切割機(jī)比前代產(chǎn)品性能有了提高，但單片機(jī)電路元件孤立，整個(gè)控制電路布線復(fù)雜，使用多年的自動設(shè)備還會出現(xiàn)抗干擾性差，定尺精度下降，故障率高等問題，經(jīng)常延誤

5、用戶生產(chǎn)。從目前國內(nèi)定尺切割的使用情況來看，普遍存在著進(jìn)口設(shè)備造價(jià)昂貴，維護(hù)費(fèi)用高。國產(chǎn)設(shè)備控制精度低，可靠性差等現(xiàn)象。鋼管行業(yè)普遍呼吁換代產(chǎn)品的早日出現(xiàn)，要求新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，易于維護(hù)，成本低廉。此外，鋸切機(jī)組采用的電氣傳動方式也因切割對象而各異。隨著交流調(diào)速技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越多的廠家開始采用高性能交流調(diào)速系統(tǒng)，但在要求高控制性能的工業(yè)場合，仍有很多采用直流傳動裝置進(jìn)行直流調(diào)速以滿足高控制要求1。針對鋸切機(jī)的自動控制，一般采用傳統(tǒng)的電氣控制線路與PLC結(jié)合的控制方案。采用這種方案，系統(tǒng)具有可靠性高、故障率低、便于維修等特點(diǎn)。1.2 研究對象介紹鋼管鋸切機(jī)由PLC，可調(diào)速伺服系統(tǒng)，

6、繼電器操作系統(tǒng)，機(jī)械，液壓或氣動系統(tǒng)及測速系統(tǒng)所組成。1.2.1 技術(shù)性能1） 管材速度：0100 m/min2） 鋸車加速度：1.23 m/s3） 鋸切長度：10 m內(nèi)（任意選定）4） 鋸片線速度：86 m/s5） 定尺精度：+6 mm6） 能實(shí)現(xiàn)自循環(huán)，手工操作和模擬調(diào)試1.2.2 工作過程數(shù)控鋼管鋸切機(jī)是整個(gè)鋼管生產(chǎn)線的一個(gè)重要組成部分。生產(chǎn)過程中，鋼管以某一速度運(yùn)動，鋼管的設(shè)定切割長度和鋸車的追蹤加速度可以設(shè)定。當(dāng)鋼管運(yùn)行到一定長度時(shí)，鋸車啟動加速，當(dāng)追至管速時(shí)，鋼管的運(yùn)行長度應(yīng)該恰好等于設(shè)定長度。此時(shí)，在鋸車與鋼管無相對運(yùn)動的情況下，鋸車的夾緊裝置夾住鋼管，鋸片落下切割鋼管。然后，夾

7、緊裝置松開，鋸車抬起并返回原位停止。鋸車和鋼管的位置通過測速輥極其脈沖編碼器檢測。 鋸車的工作循環(huán)是嚴(yán)格的按照一定的時(shí)序動作的，如果有一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯(cuò)，都將導(dǎo)致工作的失?。狠p則節(jié)拍失控，重則打鋸片。因此，嚴(yán)格各時(shí)序的發(fā)生是十分重要的。1.2.3 設(shè)計(jì)要求：1. 建立實(shí)時(shí)檢測鋼管殘長（剩余長度）S的數(shù)學(xué)模型。2. 通過PLC高速計(jì)數(shù)器接受管速脈沖和鋸車脈沖。3. 可根據(jù)檢測結(jié)果通過D/A模塊送出控制鋸車直流司服電機(jī)的控制電壓，控制電壓在010V，對應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速為01500r/min該電動機(jī)由晶閘管可控整流電路進(jìn)行調(diào)壓控制。同時(shí)將實(shí)測的速度值由D/A送出到控制電路，作為速度反饋信號。4. 整個(gè)生產(chǎn)

8、線可進(jìn)行手動控制，自動控制和模擬自動控制。其中模擬自動控制的管速脈沖由PLC內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生。由于鋼管與檢測管速的測速輥無滑移接觸，因此，測速棍每轉(zhuǎn)一周移動距離為：S2r（r：測速輥半徑）?，F(xiàn)按S=400mm/r設(shè)計(jì)，脈沖編碼器與測速棍同軸連接，測速棍每轉(zhuǎn)一周，脈沖編碼器發(fā)出2000個(gè)脈沖。這一脈沖信號經(jīng)PLC采集并處理后作為位置信號求出鋼管的長度,通過運(yùn)算得出鋼管的速度并顯示。當(dāng)殘長（鋼管剩余長度）Sc達(dá)到起動殘長Scq時(shí)，PLC送出給定信號,鋸車開始以等加速度追蹤鋼管，鋸車經(jīng)減速后通過齒輪-齒條傳動，鋸車的齒輪齒數(shù)按Z=24設(shè)計(jì)，模數(shù)按m=6設(shè)計(jì)，減速傳動比按=6.3設(shè)計(jì)。直流伺服電動機(jī)額

9、定轉(zhuǎn)速為1500r/mm，采用可控硅調(diào)速，調(diào)速電壓為010V。繼電操作系統(tǒng)共分兩部分，即手動部分及自動部分。自動部分又分為模擬自動部分及全線自動部分。由于系統(tǒng)要求能設(shè)定管長、鋸車加速度，同時(shí)顯示實(shí)時(shí)管長、實(shí)時(shí)管速，即要有輸入數(shù)據(jù)功能和數(shù)據(jù)顯示功能。1.3 課題目的、內(nèi)容及其意義本課題的主要任務(wù)是對上一節(jié)中所介紹的切割機(jī)控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。PLC作為切割機(jī)控制的核心部件，也是整個(gè)系統(tǒng)的大腦部分，它指揮協(xié)調(diào)周邊設(shè)備共同工作，一起完成高質(zhì)量高效率的生產(chǎn)。設(shè)計(jì)完成后的切割機(jī)，除要求達(dá)到控制要求的技術(shù)指標(biāo)外，同時(shí)還要保證更可靠更快速的工作，為此需進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研工作及相應(yīng)的理論分析研究。本課題的主要目的是利

10、用可編程序控制器（PLC）來完成對切割機(jī)的自動控制，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制任務(wù)，并設(shè)計(jì)一些優(yōu)化功能（比如觸摸屏，文本顯示等人機(jī)界面）。主要包含了四方面內(nèi)容:1. 熟悉切割機(jī)工作原理及其工藝生產(chǎn)流程。2. 對鋸切控制這個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行詳細(xì)理論分析。3. 針對具體情況，探討PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用中對某些具體問題的處理。4. 利用 PLC設(shè)計(jì)理論制定實(shí)施控制方案。2 切割機(jī)系統(tǒng)的整體研究與分析2.1切割機(jī)基本結(jié)構(gòu)2.1.1 鋸切機(jī) 這部分是整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵部分，由鋸車和鋸車電機(jī)、鋸片和鋸切電機(jī)、夾緊裝置及其電機(jī)等組成，主要作用是切割鋼管。當(dāng)鋼管運(yùn)行到一定長度時(shí)，啟動鋸車加速至管速，然后再夾緊、鋸切，鋸切完成后，鋸車

11、加速返回至原位。 2.1.2 垛管臺這部分結(jié)構(gòu)簡單，主要作用是運(yùn)送鋸切后的鋼管。動作裝置有傳送皮帶與兩個(gè)垛管臺電機(jī)(圖中未給出)。鋼管被鋸切后，經(jīng)傳送前行，落入垛管臺。鋼管積累到一定根數(shù)后由人工控制垛管臺電機(jī)運(yùn)出垛管臺，將鋼管進(jìn)行打包。2.1.3 控制臺控制臺放置有各種按鈕、指示燈、CRT等設(shè)備。其作用是用來輸入要鋸切的鋼管長度與鋸車加速度并實(shí)時(shí)顯示鋼管速度與實(shí)時(shí)管長，完成實(shí)時(shí)監(jiān)控。工作狀態(tài)的選擇，系統(tǒng)工作模式顯示等。2.2相關(guān)理論探討2.2.1 鋸車鋸切機(jī)構(gòu)工作流程具體來講,在同步跟隨鋸切方式的應(yīng)用中，鋸片安裝在一個(gè)可以在送料方向上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動的鋸車上。鋸車首先處于等待狀態(tài)，當(dāng)被切割材料送到

12、某一個(gè)合適的位置時(shí)，鋸車啟動加速，追趕被切割鋼管，當(dāng)鋸車與鋼管速度同步，（理論上追趕到所設(shè)定的切割長度），落鋸鋸切鋼管。在切割鋼管的過程中和被鋼管保持速度同步，鋸車在同步運(yùn)動中切斷鋼管。圖2.1為鋼管鋸切機(jī)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。在圖2.1中：光電編碼器GM1，記錄鋼管行程脈沖；光電編碼器GM2，記錄鋸車行程脈沖；鋼管鋸切機(jī)在工作過程中，首先通過測速輥（光電編碼器1）測出鋼管的長度和速度，當(dāng)鋼管長度達(dá)到鋸車啟動點(diǎn)時(shí)，PLC給出鋸車前進(jìn)給定信號，調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動直流電動機(jī)，通過減速機(jī)帶動齒輪和齒條鋸車加速前進(jìn)，鋸車跟蹤鋼管。軟件在每個(gè)采樣周期內(nèi)計(jì)算一次鋼管和鋸車的位置和速度，計(jì)算出調(diào)速給定信號，使鋸車調(diào)整

13、自身位置和速度，使之達(dá)到與鋼管同步，進(jìn)而達(dá)到定尺精度。軟件判斷定尺精度達(dá)到要求后，CPU向鋸車發(fā)出夾緊（夾具將鋼管夾?。M(jìn)鋸（鋸片在液壓缸推動下移向鋼管），抬鋸（鋼管切割完畢，鋸片返回原位），松夾（夾具松開，即鋼管與夾具脫離接觸），反轉(zhuǎn)（鋸車返回零位），完成一次鋸切過程，等待下次啟動指令。圖2.1 鋼管鋸切機(jī)的基本結(jié)構(gòu)示意圖3 關(guān)鍵問題分析與數(shù)學(xué)建模3.1直流調(diào)速裝置控制鋸車電機(jī)在PLC的協(xié)調(diào)之下，完成高效率高質(zhì)量的生產(chǎn)，是整個(gè)機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備。本課題所研究的的控制系統(tǒng)為鋸車電機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)，鋸切機(jī)電機(jī)調(diào)速裝置的差動模擬量是由PLC給定的。由于是單機(jī)系統(tǒng)，沒有采用在多機(jī)通訊中占據(jù)絕對優(yōu)勢的數(shù)據(jù)

14、通信，而是采用了可靠性更強(qiáng)的端子通信控制。在切割機(jī)系統(tǒng)控制方案中，我們依然采取了端子控制，直流調(diào)速裝置的差動模擬量由S7-200模擬量輸出模塊EM232給定。在PLC與模擬量輸入端子之間，設(shè)有一電位器，調(diào)節(jié)此電位器，輸入至調(diào)速模塊的電壓信號隨之發(fā)生變化，從而使得電動機(jī)速度變化。操作人員可以根據(jù)現(xiàn)場的情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鋼管行進(jìn)速度。其輸入端子給定值是由PLC根據(jù)鋼管行進(jìn)速度計(jì)算后所確定的。具體數(shù)學(xué)模型參考3.3節(jié)。3.2 鋸車的控制同直流調(diào)速裝置一樣，鋸切機(jī)也是切割機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備，它在保證鋸片和機(jī)組其它設(shè)備及管材的速度同步配合的情況下，將平動中的管材按要求的尺寸進(jìn)行高精度的鋸切。由于鋸車通過傳動齒輪齒

15、條帶動，其速度太快會加快齒輪齒條的磨損，速度太慢又保證不了工作效率。因此，對鋸車的控制成為整個(gè)系統(tǒng)的核心問題。為保證其快速啟停，鋸車電動機(jī)選用了低慣量電機(jī)ZFQZ-280-21B。鋸切機(jī)如圖3.1所示：圖3.1鋼管自動切割機(jī)鋸車示意圖3.2.1鋸切機(jī)鋸切流程鋸切機(jī)鋸切示意圖如圖3.1所示。這里重點(diǎn)介紹切割機(jī)自動鋸切流程。首先，在操作員調(diào)節(jié)好鋼管速度后，啟動切割機(jī)組進(jìn)入自動鋸切狀態(tài)。PLC根據(jù)脈沖編碼器發(fā)來的沖可以得出鋼管走過的長度以及行進(jìn)速度，并根據(jù)行進(jìn)速度求得將要給鋸車電機(jī)調(diào)速模塊的速度信號。其次，當(dāng)鋼管達(dá)到預(yù)定長度時(shí)，PLC發(fā)信號至鋸車電機(jī)調(diào)速模塊。鋸車由零位啟動并加速，在調(diào)速模塊的固定斜

16、率時(shí)間內(nèi)，加速到與鋼管行進(jìn)相同的速度轉(zhuǎn)入勻速運(yùn)行，經(jīng)過時(shí)間T或者到達(dá)一定位置后，PLC發(fā)信號打開鋸車上的落鋸繼電器開關(guān)，鋸片在鋸切電機(jī)帶動下落鋸進(jìn)行鋸切。鋸切完畢后，PLC發(fā)返回信號至鋸車電機(jī)調(diào)速模塊，鋸車先在調(diào)速模塊的固定斜坡時(shí)間內(nèi)減速至零，而后反向加速，最后停在零位位置等待下次鋸切。在鋸車回零位過程中，為了防止慣性作用沖過零位行程開關(guān)，鋸車在回零位的過程中將電機(jī)速度減到很小的值，等待零位信號。鋸切機(jī)工作流程圖如圖3.2所示：圖3.2鋸切機(jī)工作流程圖鋼管切割機(jī)在精確鋸切時(shí)要同時(shí)滿足兩個(gè)條件:1. 鋸車與鋼管同步。2. 殘長Sc趨于零。3.2.2 鋸車控制方案通過鋼管自動切割機(jī)的鋸切流程，我們

17、可以看到，鋸切的控制既有開關(guān)量控制（夾緊、落鋸、抬鋸、松夾）又有模擬量控制（調(diào)速模塊速度給定）。對于鋸片的控制，可以通過PLC開關(guān)量輸出控制。調(diào)速模塊的速度給定，可通過PLC模擬量輸出模塊給定。根據(jù)鋸切機(jī)工作流程，我們確定了速度比較控制方案對鋸車進(jìn)行控制。從鋸切流程，可以得出:鋸車速度變化過程:零位正向加速勻速正向減速停止反向加速勻速反向減速零位。鋸車速度/位移理想線性變化曲線如圖3.3所示。圖3.3鋸車速度/位移變化示意圖0t1段為正向加速階段，t1為鋸車電機(jī)調(diào)速模塊上升斜坡時(shí)間（根據(jù)鋼管速度與鋸車加速度計(jì)算得出），在這段時(shí)間內(nèi)，控制電動機(jī)從零加速到給定速度，同時(shí)鋸車在齒輪齒條傳動下從零位開

18、始向右加速行駛。t1t2 段為鋸車正向勻速運(yùn)行階段，鋸車?yán)^續(xù)向鋸切位置行駛，在t2時(shí)刻，PLC控制夾具夾緊、鋸片下切、抬鋸、松夾等動作，同時(shí)發(fā)送返回信號給鋸車電機(jī)調(diào)速模塊。t2t3段為正向減速階段，t3t2為鋸車電機(jī)調(diào)速模塊下降斜坡時(shí)間（本課題設(shè)置為與加速時(shí)間相同），調(diào)速模塊接到返回信號后，在這段時(shí)詢內(nèi)控制電機(jī)進(jìn)入正向制動運(yùn)行階段。t3時(shí)刻，鋸車到達(dá)最大位置，不再繼續(xù)前行。t3t4為反向加速階段，上升斜坡時(shí)間與正向加速時(shí)相同。這段時(shí)間內(nèi)，鋸車由最大位置開始返回，即向左行駛。t4t5為反向勻速階段，鋸車?yán)^續(xù)左行。為反向減速階段，在t5時(shí)刻，鋸車減到一個(gè)很小的速度等待零位信號。t6t7鋸車以很小的

19、速度運(yùn)行，t7零時(shí)刻零位信號控制PLC發(fā)停車信號至鋸車電機(jī)調(diào)速模塊，電機(jī)開始進(jìn)入停車過程，鋸車停于初始位置，即零位。為方便控制，我們把鋸車的正向運(yùn)行與反向運(yùn)行設(shè)成類似狀態(tài)，把調(diào)速模塊的上升下降斜坡時(shí)間設(shè)為相同，實(shí)際也可不同，但不能把鋸車返回時(shí)間設(shè)的太長，否則鋸車可能回以很大的速度到零點(diǎn)，產(chǎn)生很大的沖擊。最后要使得S反相=S正相（S正相是鋸車正向走過的距離，S反相是鋸車反向走過的距離）。 速度比較控制方案描述如下：鋼管達(dá)到鋸切長度后，PLC發(fā)與給定速度對應(yīng)的電壓信號至鋸車電機(jī)調(diào)速模塊。鋸車開始從零加速，定位編碼器正向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)鋸車速度達(dá)到鋼管運(yùn)行速度值，隨后PLC發(fā)夾具夾緊信號至夾具，夾具夾緊鋼管

20、，更好的保證鋸車與鋼管相對靜止。夾具夾緊后，PLC發(fā)鋸切信號至鋸片電機(jī)下鋸鋸切，鋸切到位后，發(fā)送松夾信號給夾具，松夾到位PLC發(fā)返回信號（與給定速度對應(yīng)的負(fù)電壓信號）至鋸車電機(jī)調(diào)速模塊，鋸車開始減速，速度減至零后，開始反向加速，反向加速到給定速度后，鋸車開始反向勻速運(yùn)行，動行到一定位置時(shí)，鋸車開始反向減速，鋸車減到一個(gè)很小的速度時(shí)等待零位信號。零位信號發(fā)出后，PLC發(fā)送停車信號給鋸車電機(jī)調(diào)速模塊，鋸車停于零位。為防止鋸車沒有到達(dá)零位就停車的情況，在鋸車返回時(shí)，將鋸車減到很小的速度等待零位信號。采用速度比較控制方案，實(shí)現(xiàn)起來較為簡單，不需要非常復(fù)雜的調(diào)試。第五部分系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)里面就采用了速度比較

21、控制方案。3.3 數(shù)學(xué)建模在上兩節(jié)的關(guān)鍵問題分析當(dāng)中，涉及到了測量鋼管速度、計(jì)算啟動殘長的問題，比如根據(jù)脈沖編碼器計(jì)算鋼管走過的長度及行進(jìn)速度，根據(jù)鋼管行進(jìn)速度確定鋸車電動機(jī)的速度給定值。根據(jù)鋼管實(shí)際運(yùn)行速度、用戶預(yù)先輸入的鋸車加速度，由PLC內(nèi)部邏輯運(yùn)算器計(jì)算鋸車的啟動殘長。3.3.1鋼管速度數(shù)學(xué)模型脈沖編碼器通過一個(gè)滾輪帶動，兩者同軸。示意圖如圖3.4所示圖3.4 測速輥工作示意圖滾輪與編碼器同軸旋轉(zhuǎn)，減速比為1:1。在本課題切割機(jī)組中，我們選取的滾輪直徑為400mm，脈沖編碼器為增量式2000 P/r，則每產(chǎn)生1個(gè)脈沖測速輥轉(zhuǎn)過0.2mm。因此，計(jì)算出每100毫秒的脈沖數(shù)差值n1，就可以

22、計(jì)算出鋼管速度V為： mm/s (3.1)本課題要求速度顯示在0100m/min范圍內(nèi)，則速度單位轉(zhuǎn)換公式為： m/min (3.2)3.3.2 啟動殘長及鋼管剩余長度的數(shù)學(xué)模型鋸車從速度為零加速到鋼管的速度時(shí)，鋼管走過的距離S1與鋸車走過的距離S2 的差值即為鋸車的啟動殘長Scq4，如圖3.5所示，則Scq的數(shù)學(xué)模型為： Scq=S1-S2= mm (3.3)鋸車加速度a的輸入單位為m/s2，且輸入值為實(shí)際值的10倍，故單位轉(zhuǎn)換公式為： mm (3.4) 鋼管剩余長度Sc計(jì)算公式為： mm (3.5) 當(dāng)時(shí)，由PLC發(fā)出啟動加速的信號至鋸車直流電機(jī)調(diào)速模塊。圖3.5 啟動殘長Scq示意圖3.

23、3.3 鋸車速度、位移數(shù)學(xué)模型鋸切機(jī)組控制要求鋸車速度必須與鋼管行進(jìn)速度相同的時(shí)候，才能下刀鋸切。通過減速器、齒輪齒條傳動，把電機(jī)的轉(zhuǎn)動變換為鋸車的平動，因此需要根據(jù)鋸車的平移速度求取電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而確定PLC送至鋸車電機(jī)調(diào)速模塊的給定值。齒輪齒數(shù)Z=24，模數(shù)m=6，減速比 i=6.3，齒輪分度圓周長C計(jì)算公式為： mm (3.6)本課題的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速為01500r/min (25r/s) ，經(jīng)減速后線速度為： mm/s (3.7)鋼管的速度V對應(yīng)的D/A模塊增益值x為： (3.8) (3.9) 增益值在加速時(shí)間t內(nèi)送給電機(jī)調(diào)速扳。則單位時(shí)間的增益值為： (3.10) 每10ms的增益值為：

24、 (3.11)鋸車位移S數(shù)學(xué)模型： mm (3.12) 式中n 為編碼器2累計(jì)脈沖數(shù)。我們選取的齒輪分度圓周長為mm，脈沖編碼器為增量式2000 P/r，則每產(chǎn)生1個(gè)脈沖測速輥轉(zhuǎn)過mm。因此，計(jì)算出每10毫秒的脈沖增量差n2，就可以計(jì)算出鋸車速度V為： mm/s (3.13)本課題要求速度顯示在0100m/min范圍內(nèi)，則速度單位轉(zhuǎn)換公式為： m/min (3.14)4 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)4.1 工藝流程與控制要求4.1.1 工藝流程鋸切機(jī)的垛管臺采用了傳統(tǒng)的繼電器線路控制，與PLC控制的鋸車加速電機(jī)相互獨(dú)立，在第四部分已經(jīng)詳細(xì)分析了鋸切流程，本部分要解決的重點(diǎn)是利用PLC完成切割機(jī)組的鋸切控

25、制。4.1.2 控制要求根據(jù)鋸切機(jī)組的生產(chǎn)工藝流程，可以得出PLC控制的設(shè)備有：鋸車電機(jī)調(diào)速模塊、驅(qū)動鋸片電機(jī)。PLC控制的動作有：鋸車啟動與停止、鋸車的零位調(diào)整、夾具夾緊、下鋸鋸切、夾具松夾、抬鋸等動作。鋸切機(jī)組要求實(shí)現(xiàn)手動控制、自動控制、模擬自動控制三種控制方法。1. 手動控制手動系統(tǒng)包括手動夾緊，手動落鋸，抬鋸，手動松夾，手動正沖（鋸車前進(jìn)），手動反沖（鋸車后退）及手動計(jì)算機(jī)復(fù)位等部分。其動作要求如下：首先，將“自動開車手動開車模擬自動”轉(zhuǎn)換開關(guān)旋至手動開車位置；接著，系統(tǒng)上電，按動“控制電源接通”按鈕，“松夾”、“抬鋸”，“原位”等信號燈亮，調(diào)速柜控制電源接通；按“硅柜合閘”按鈕，調(diào)速

26、柜主電路接通，“硅柜合閘”信號燈亮；按“主軸接通”按鈕，鋸切電機(jī)旋轉(zhuǎn)；按“夾具夾緊”按鈕，松夾信號燈滅；按“手動落鋸”按鈕，鋸落下，抬鋸信號燈滅；松開“手動落鋸”按鈕，鋸抬起，抬鋸信號燈亮；按“夾具松開”按鈕，夾具松開，松夾信號燈亮；按“計(jì)算機(jī)復(fù)位”按鈕，計(jì)算器顯示為零；按“手動正沖”按鈕，鋸車前進(jìn)，同時(shí)顯示鋸車實(shí)際運(yùn)行距離；按“手動反沖”按鈕，同時(shí)顯示鋸車實(shí)際運(yùn)行值，當(dāng)鋸車退至原位，理論上數(shù)碼顯示應(yīng)復(fù)零。2. 自動控制自動系統(tǒng)又分為模擬自動及全線自動部分。首先將“自動開車手動開車模擬自動”轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至“自動開車”（如是模擬開車時(shí)應(yīng)撥至“模擬自動”）位置；按動“控制電源”按鈕，“松夾”、“抬鋸

27、”、“原位”、“數(shù)字測量”等信號燈亮，調(diào)速柜控制電源接通；按動“硅柜合閘”按鈕，“硅柜合閘”信號燈亮，調(diào)速柜主電路接通；按動“主軸接通”按鈕，鋸切電機(jī)旋轉(zhuǎn)；按動“自動開車”按鈕，自動信號燈亮，系統(tǒng)及進(jìn)入自動工作狀態(tài)；取鋼管脈沖信號，顯示實(shí)際管長、管速。當(dāng)Sc=Sq時(shí)，啟動鋸車加速。當(dāng)管長設(shè)定管長時(shí)（在此之前，鋸車應(yīng)加速到管速，同步跟蹤），夾緊、落鋸，管長清零，抬鋸、松夾，鋸車返回，鋸車原位停，再循環(huán)。3. 模擬自動控制若為“模擬自動”，則啟動PLC內(nèi)部定時(shí)器模擬管脈沖，并設(shè)定一固定值的的管速，其余與“自動開車”相同。急停按鈕：此按在系統(tǒng)出現(xiàn)緊急狀態(tài)時(shí)使用，按此按鈕，中間繼電器吸合，系統(tǒng)退出自動

28、狀態(tài)，全線停止，主軸停轉(zhuǎn)，調(diào)速柜主電路斷電，并進(jìn)入制動狀態(tài)PLC檢測環(huán)節(jié)有:控制模塊部分開關(guān)狀態(tài)逐檢查所有設(shè)備是否準(zhǔn)備好。鋼管長度通過編碼器檢測。鋼管運(yùn)行速度根據(jù)脈沖編碼器脈沖數(shù)及參數(shù)計(jì)算得出。鋸車零位零位行程開關(guān)檢測。操作方式分為手動、自動、模擬方式。手動方式用于故障排除，或測試鋸切機(jī)的各個(gè)動作是否能正常實(shí)現(xiàn)。自動方式根據(jù)輸入的鋼管長度與鋸車加速度自動鋸切。模擬方式用于在無鋼管的情況下測試鋸車的工作情況。4.2 I/O設(shè)備確定:4.2.1 PLC控制系統(tǒng)輸入設(shè)備控制電源按鈕、硅柜合閘按扭、主軸接通按扭、停止按鈕、急停按鈕、手動/自動/模擬選擇旋鈕、夾具夾緊按鈕、手動落鋸按鈕、夾具松開按鈕、計(jì)

29、算機(jī)復(fù)位按鈕、手動正沖按扭、手動反沖按鈕、鋸車零位行程開關(guān)、鋸切限位行程開關(guān)、脈沖編碼器。4.2.2 PLC控制系統(tǒng)輸出設(shè)備鋸車電機(jī)調(diào)速模塊、鋸片驅(qū)動繼電器、鋸車零位信號燈、鋸車零位指示燈、緊急停止繼電器、松夾信號燈、抬鋸信號燈、硅柜合閘信號燈等。4.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.3.1 PLC外部電氣控制線路配合PLC控制的還有一部分電氣控制線路，由這些傳統(tǒng)的繼電器控制線路，在PLC控制切割機(jī)組運(yùn)作之前，按下控制電源接通按鈕與硅柜合閘按鈕，使相關(guān)繼電器得電，觸點(diǎn)動作，為鋸切做好準(zhǔn)備等等。正常工作狀態(tài)下，按下緊急停車按鈕將使得緊急輔助繼電器得電，相應(yīng)觸點(diǎn)動作，鋸切機(jī)停止工作?；謴?fù)鋸切機(jī)組至正常狀態(tài)后，必

30、須用復(fù)位按鈕重新啟動切割機(jī)組。旋轉(zhuǎn)復(fù)位按鈕后，相應(yīng)L觸點(diǎn)動作，在程序中必須通過PLC重新調(diào)用程序，方可開始進(jìn)行鋸切前的準(zhǔn)備工作。4.3.2 PLC的選型根據(jù)工程技術(shù)要求，該系統(tǒng)主要由開關(guān)量進(jìn)行控制，涉及模擬量輸出，切割機(jī)由一小型PLC即可完成控制，根據(jù)第三部分PC設(shè)計(jì)理論，主機(jī)選用德國西門子公司生產(chǎn)的S7-200 CPU226（24輸入DC/16輸出DC），模擬量模塊選擇該系列中有2路輸出的EM232模塊。CPU226用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能。可完全適用于較復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。具體的技術(shù)性能請參考表4.1表4

31、.1 Siemens S7-200 CPU226技術(shù)特性表項(xiàng)目CPU226XMCPU226程序存儲器16KB8KB用戶存儲器類型EEPROMEEPROM本機(jī)I/O24入/16出24入/16出擴(kuò)展模塊數(shù)量77數(shù)字量I/O256入/256出 128入/128出模擬量I/O32入/32出32入/32出33MHz布爾指令執(zhí)行速度0.37us/指令0.37us/指令內(nèi)部繼電器256256計(jì)數(shù)器/定時(shí)器256/256256/256順序控制繼電器256256內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器66模擬量調(diào)節(jié)電位器22脈沖輸出22通信中斷2發(fā)/4收2發(fā)/4收定時(shí)中斷22硬件輸入中斷44通信口數(shù)量22支持協(xié)議O口：I口：PPI,DP

32、/T,自由口PPI,DP/T,自由口PPI,DP/T,自由口PPI,DP/T,自由口EM232具有兩路模擬量輸出。其具體技術(shù)性能見表4.2表4.2 EM232模塊技術(shù)性能說明電壓輸出電流輸出信號范圍10V020mA分辨率（全量程）12位11位數(shù)據(jù)字格式-32000+320000+32000精度（25）滿量程的0.5%滿量程的0.5%設(shè)置時(shí)間100us2ms最大驅(qū)動最小5000最大5004.3.3 輸入輸出端子連接與I/O地址分配I/O端子分配圖如圖4.1所示 圖4.1 I/O分配PLC 輸入/輸出端子地址分配表4.3表4.3輸入/輸出端子地址分配輸入設(shè)備輸入端子輸出設(shè)備輸出端子脈沖編碼器1 (

33、HSC0)I0.0、I0.1、I0.2鋸車零位指示燈L1Q0.0脈沖編碼器2 (HSC1)I0.6、I0.7、I1.0零位限位開關(guān)SQ1I0.5硅柜合閘指示燈L2Q0.1松夾限位開關(guān)SQ2I1.1夾緊限位開關(guān)SQ3I1.2自動開車指示燈L3Q0.2落鋸限位開關(guān)SQ4I1.3抬鋸限位開關(guān)SQ5I1.4松夾指示燈L4Q0.3自動開車轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1I1.5手動開車轉(zhuǎn)換開關(guān)SA2I1.6抬鋸指示燈L5Q0.4模擬自動轉(zhuǎn)換開關(guān)SA3I1.7控制電源接通按扭SB1I2.0主軸接通繼電器Q0.5硅柜合閘按鈕SB2I2.1主軸接通按鈕SB3 I2.2夾具夾緊繼電器Q0.6自動開車按鈕SB4I2.3停止按鈕SB

34、5I2.4落鋸繼電器Q0.7急停按鈕SB6I2.5夾具夾緊按鈕SB7I2.6抬鋸繼電器Q1.0手動落鋸按鈕SB8I2.7夾具松開按鈕SB9I3.0夾具松夾繼電器Q1.1手動正沖按鈕SB10 I3.1手動反沖按鈕SB11I3.2電機(jī)正轉(zhuǎn)繼電器Q1.2計(jì)算機(jī)復(fù)位按鈕SB12I3.3電機(jī)反轉(zhuǎn)繼電器Q1.3數(shù)字測量指示燈Q1.4電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)給定AQW04.3.4 工作電源部分選擇西門子S7-200專用SITP電源，確保其穩(wěn)定可靠工作。4.3.5 操作面板布置PLC控制面板布置如圖4.2所示?？刂泼姘迳显O(shè)置文本編輯器，操作按鈕，指示燈等部件，設(shè)計(jì)布置要合理，突出操作方便，顯示清晰等特點(diǎn)，充分考慮人性化設(shè)

35、計(jì)。接通I1.5自動鋸切方式。按下啟動按鈕，鋼管行進(jìn)，鋸車先自動進(jìn)行找零定位，而后自動按照文本編輯器輸入的參數(shù)鋸切。按下停止按鈕，鋸車完成一個(gè)鋸切周期自動回零不再動作。接通I1.6是手動鋸切方式，停止按鈕不起作用。利用鋸車手動正沖按鈕、手動反沖按鈕可控制鋸車前進(jìn)或后退。按下鋸切按鈕，鋸片下鋸鋸切。按下緊急按鈕I2.5急停車輔助繼電器動作，PLC回復(fù)初始狀態(tài)，鋸車停止鋸切，等待啟動命令。PLC控制面板布置如圖4.2所示：圖4.2 PLC控制面板布置4.3.6 人機(jī)界面人機(jī)界面用于操作者與機(jī)器之間的交流，屏幕設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)顯示清晰，便于操作的特點(diǎn)。顯示單元功能主要是進(jìn)行輸入產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中需要改變的參數(shù)

36、、各部分工作狀態(tài)以及速度顯示，采用西門子的文本顯示作為人機(jī)界面，效果好且方便操作。根據(jù)課題要求，本機(jī)需要設(shè)計(jì)輸入、輸出兩個(gè)屏幕作為文本顯示。文本顯示界面設(shè)計(jì)如圖4.3所示：輸入?yún)?shù)值允許用戶修改，輸入值包括鋸切長度值、鋸車加速度值，在實(shí)際生產(chǎn)中允許用戶編輯，用戶可以根據(jù)要求改變輸入值，實(shí)現(xiàn)不同長度的鋼管鋸切。屏幕內(nèi)容設(shè)計(jì)及輸入值對應(yīng)的存儲地址如圖4.34.5所示：圖4.3 用戶編輯屏幕圖4.4 用戶編輯屏幕 圖4.5顯示屏幕4.4 PLC軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.4.1 內(nèi)部寄存器分配具體的內(nèi)部寄存器地址的分配列于下表。表4.4內(nèi)部寄存器分配表地址號內(nèi)容VD116鋼管實(shí)時(shí)速度VD200鋸車加速度VD20

37、4鋸切長度VD124鋼管啟動殘長VD132鋼管實(shí)時(shí)管長VD136剩余鋼管長度VD420鋸車實(shí)時(shí)速度VD428鋸車實(shí)時(shí)位移4.4.2 初始化子程序脈沖編碼器對應(yīng)高速計(jì)數(shù)器HSC0、HSC1，在子程序內(nèi)容主要包括對兩個(gè)高速計(jì)數(shù)器的初始化（選擇工作模式、寫操作字等）及某些寄存器清零。梯形圖實(shí)現(xiàn)請參考附圖。4.4.3 手動鋸切程序手動工作方式主要用來解決故障及測試鋸車各個(gè)動作是否能正常執(zhí)行。按住手動正沖按鈕，鋸車加速追蹤鋼管，并與鋼管同速運(yùn)行。松開手動正沖按鈕，鋸車開始減速。梯形圖實(shí)現(xiàn)請參考附圖。4.4.4 自動鋸切程序這部分是切割機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。大多數(shù)情況，切割機(jī)組是工作于自動鋸切方式，這

38、部分程序要具備高可靠性、高效率、快速故障反應(yīng)能力等基本功能。具體梯形圖見附圖。自動鋸切過程描述如下:l. 按下啟動按鈕I2.3，高速計(jì)數(shù)器HSC0、HSC1計(jì)數(shù)。2. 按下停止按鈕I2.4，鋸切機(jī)完成當(dāng)前循環(huán)后停止鋸切。3. 當(dāng)HSC0開始計(jì)數(shù)時(shí)，啟動定時(shí)器T37，定時(shí)100ms用以計(jì)算鋼管速度。4. 定時(shí)器T37定時(shí)到了以后，取出HSC0當(dāng)前值，計(jì)算出鋼管行進(jìn)速度。5. 取HSC0的當(dāng)前值用于計(jì)算鋼管走過的位移，即當(dāng)剩余鋼管長度達(dá)到啟動殘長時(shí)。6. 由標(biāo)志位M0.4啟動鋸車電機(jī)加速，當(dāng)鋸車速度加速到與鋼管速度相同時(shí)，由標(biāo)志位M1.3啟動鋸車勻速運(yùn)行，并完成夾具夾緊、落鋸動作。7. 鋸片至鋸切

39、行程開關(guān)I1.3，鋸切完畢。計(jì)數(shù)器清零，抬鋸、松夾。松夾繼電器Q1.1得電，同時(shí)置標(biāo)志位M0.5。8. 由標(biāo)志位M0.5發(fā)返回信號至鋸車電機(jī)調(diào)速模塊，鋸車減速。 9. 減速到零后，接通電機(jī)反轉(zhuǎn)繼電器Q1.3。鋸車反向加速，加速到設(shè)定速度后，開始反向勻速，當(dāng)鋸車運(yùn)行到設(shè)定位置時(shí)，鋸車開始減速，速度減到一個(gè)很小的值后勻速，等待原點(diǎn)信號。10. 鋸車停在原位，等待下次啟動信號，啟動下一循環(huán)周期。 自動鋸切部分程序設(shè)計(jì)1. 檢測鋼管速度V的梯形圖設(shè)計(jì)脈沖編碼器發(fā)出的管速脈沖有高速計(jì)數(shù)器測得，生產(chǎn)線啟動100ms后訪問高速計(jì)數(shù)器HSC0的當(dāng)前值，將其傳送到VD104地址所對應(yīng)的存儲器單元里，再與上一次傳

40、送到VD100地址所對應(yīng)的存儲單元里的脈沖值相差，將相差后的值存到VD108地址所對應(yīng)的存儲單元里，然后把存儲當(dāng)前值的VD104地址所對應(yīng)的存儲單元里的值傳送到VD100地址所對應(yīng)的存儲單元里，PLC 設(shè)計(jì)程序如圖4.6。再根據(jù)公式（3.1）計(jì)算得出鋼管速度傳入VD112地址所對應(yīng)的存儲單元里，根據(jù)公式（3.2）轉(zhuǎn)化鋼管的速度的單位為(mm/min)傳入VD116地址所對應(yīng)的存儲單元里。PLC 設(shè)計(jì)程序如圖4.7。 圖4.6 PLC檢測鋼管速度梯形圖圖4.7 PLC計(jì)算鋼管速度梯形圖2. 計(jì)算殘長的梯形圖設(shè)計(jì)根據(jù)公式（3.4）算出鋸車的啟動殘長值，將其傳送到VD124地址所對應(yīng)的存儲單元里，P

41、LC 設(shè)計(jì)程序如圖4.8。將高速計(jì)數(shù)器HSC0的當(dāng)前值，傳到VD118地址所對應(yīng)的存儲單元里，再根據(jù)公式（3.5）算出鋼管的剩余殘長值，傳送到VD136地址所對應(yīng)的存儲單元里，PLC 設(shè)計(jì)程序如圖4.9。當(dāng)鋸車的啟動殘長等于鋼管的剩余殘長鋸車電機(jī)正轉(zhuǎn)。圖4.8 PLC計(jì)算鋸車啟動殘長梯形圖圖4.9 PLC計(jì)算鋼管剩余殘長梯形圖3. 檢測鋸車速度、實(shí)時(shí)位置的梯形圖設(shè)計(jì) 脈沖編碼器發(fā)出的鋸車脈沖有高速計(jì)數(shù)器測得，鋸車電動機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)100ms后訪問高速計(jì)數(shù)器HSC1的當(dāng)前值，將其傳送到VD404地址所對應(yīng)的存儲器單元里，再與上一次傳送到VD400地址所對應(yīng)的存儲單元里的脈沖值相差，將相差后的值存到VD

42、408地址所對應(yīng)的存儲單元里，然后把存儲當(dāng)前值的VD404地址所對應(yīng)的存儲單元里的值傳送到VD400地址所對應(yīng)的存儲單元里，PLC 設(shè)計(jì)程序如圖4.10，再根據(jù)公式（3.13）計(jì)算得出鋸車速度傳入VD416地址所對應(yīng)的存儲單元里，根據(jù)公式（3.14）轉(zhuǎn)化鋼管的速度的單位為(mm/min)傳入VD420地址所對應(yīng)的存儲單元里，PLC 設(shè)計(jì)程序如圖4.11。當(dāng)鋸車電機(jī)啟動時(shí)，高數(shù)計(jì)算器HSC1的值傳到VD424地址所對應(yīng)的存儲單元里，再根據(jù)公式（3.12）計(jì)算出鋸車的的位置的值傳送到VD420地址所對應(yīng)的存儲單元里。PLC 設(shè)計(jì)程序如圖4.12。圖4.10 PLC檢測鋸車速度梯形圖圖4.11 PL

43、C計(jì)算鋸車速度梯形圖圖4.12 PLC計(jì)算鋸車位置梯形圖4. 鋸車加速的梯形圖設(shè)計(jì) 根據(jù)公式（3.11）算出鋸車加速的增益值傳送到VW200地址所對應(yīng)的存儲單元里，PLC 設(shè)計(jì)程序如圖4.13。當(dāng)鋸車電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動時(shí)每10msVW200地址所對應(yīng)的存儲單元里的值與上一次傳送到VW204地址所對應(yīng)的存儲單元里的值相加，將相加后的值傳送到VW204地址所對應(yīng)的存儲單元里，再把VW204地址所對應(yīng)的存儲單元里的值傳送到AQW0地址里以控制鋸車速度。PLC 設(shè)計(jì)程序如圖4.14。圖4.13 PLC計(jì)算鋸車增益值梯形圖圖4.14 PLC設(shè)計(jì)鋸車加速梯形圖5. 鋸車加工的梯形圖設(shè)計(jì) 當(dāng)鋸車速度與鋼管速度相同時(shí)，鋸車勻速運(yùn)行。并且Q0.6線圈得電夾具夾緊，當(dāng)夾具碰到夾緊限位開關(guān)電鋸下落切割鋼管，當(dāng)電鋸落到落鋸限位開關(guān)電鋸抬起并且高速計(jì)速器復(fù)位，當(dāng)電鋸抬起到抬鋸限位開關(guān)夾具松開。PLC 設(shè)計(jì)