大專自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) S7-200PLC薄鋼板自動(dòng)剪切控制系統(tǒng)

1、1課題的背景和意義自動(dòng)剪切機(jī)是一種精確控制板材加工尺寸，將大型板塊進(jìn)行自動(dòng)剪切的設(shè)備。傳統(tǒng)自動(dòng)剪切機(jī)采用繼電器作為控制器件，其控制系統(tǒng)較復(fù)雜，參數(shù)改變不靈活，大量接線使系統(tǒng)可靠性降低，維修率高，降低了生產(chǎn)效率。PLC以其靈活性、快速性、可靠性和性價(jià)比高等特點(diǎn)越來(lái)越受到企業(yè)或者團(tuán)體設(shè)計(jì)者們的歡迎，在各行各業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。用PLC替代繼電器設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，抗干擾能力強(qiáng)，編程方便，控制精度高的明顯優(yōu)勢(shì)?；谝陨螾LC特點(diǎn)，本課題主要研究如何應(yīng)用S7-200PLC設(shè)計(jì)一個(gè)薄鋼板自動(dòng)剪切控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何提高控制的精度。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)控制要求本設(shè)計(jì)的薄鋼板

2、自動(dòng)剪切控制系統(tǒng)要達(dá)到以下控制要求：（1）控制系統(tǒng)分手動(dòng)檔自動(dòng)檔。手動(dòng)檔時(shí)，用點(diǎn)動(dòng)的方式，人工完成鋼板穿帶，零位校準(zhǔn)。自動(dòng)檔時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)完成薄鋼板剪切工作。（2）通過(guò)撥碼盤設(shè)置薄鋼板剪切尺寸參數(shù)，可根據(jù)不同需求改變其參數(shù)。（3）有配套的故障分析判斷和電氣保護(hù)裝置，若運(yùn)行不正常，系統(tǒng)自動(dòng)停車并發(fā)出警告信號(hào)。（4）鋼板剪切的精度要在一定范圍之內(nèi)，剪切尺寸2m，誤差不超過(guò)1mm。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理本設(shè)計(jì)薄鋼板自動(dòng)剪切控制系統(tǒng)設(shè)備組成如圖2.1所示。1-開(kāi)卷機(jī)；2-矯正機(jī)；3-光電開(kāi)關(guān)；4、5-限位光電開(kāi)關(guān)；6光電編碼器；7-測(cè)量輥；8-動(dòng)力輥；9-電機(jī)；10-沖頭；11-傳送帶；12-行程開(kāi)關(guān)

3、；13-光電開(kāi)關(guān)；14-小車；15-套坑圖2.1 鋼板剪切結(jié)構(gòu)組成圖在圖2.1中，PLC完成開(kāi)卷機(jī)和矯正機(jī)同步傳送，鋼板位置檢測(cè)采樣，沖頭控制，傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)控制，小車位置檢測(cè)，小車裝載鋼板量檢測(cè)等工作。系統(tǒng)的基本工作原理是這樣的：一開(kāi)始是手動(dòng)控制，人工將鋼帶依次穿過(guò)矯正機(jī)、活套、測(cè)量輥和夾送輥一直到?jīng)_頭，鋼帶運(yùn)動(dòng)是通過(guò)點(diǎn)動(dòng)矯正機(jī)和夾送輥（由動(dòng)力輥和測(cè)量輥組成）進(jìn)行的。用撥碼盤設(shè)定剪切尺寸參數(shù)，鋼帶頭對(duì)好沖頭，光電編碼器處于零位，然后啟動(dòng)自動(dòng)控制按鍵，如果檢測(cè)到裝料小車到位，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)，將鋼板剪切，傳送到裝料小車上。鋼板經(jīng)歷加速，勻速，降速和爬行四個(gè)階段后停車。如果鋼板尺寸和設(shè)定一致，則

4、啟動(dòng)沖壓系統(tǒng)進(jìn)行剪切，如果超出或者不夠，則電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)補(bǔ)充直到與設(shè)定值一致再剪切，接著剪切下一塊鋼板，不斷循環(huán)。套坑起著緩沖的作用，標(biāo)號(hào)3光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)套坑前是否有鋼帶，若沒(méi)有系統(tǒng)停車；標(biāo)號(hào)4和5為一對(duì)限位光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)，檢測(cè)套坑鋼板量是否合適，若過(guò)少加快矯正機(jī)速度一段時(shí)間，或過(guò)多減慢矯正機(jī)速度一段時(shí)間；標(biāo)號(hào)12為行程開(kāi)關(guān)，若檢測(cè)到小車沒(méi)有到位，系統(tǒng)停車；標(biāo)號(hào)13為光電開(kāi)關(guān)，若檢測(cè)到小車鋼板已經(jīng)滿載，系統(tǒng)自動(dòng)停車并發(fā)出指示信息，等待小車把鋼板運(yùn)到下一道工序回來(lái)，系統(tǒng)繼續(xù)開(kāi)車。本設(shè)計(jì)的薄鋼板自動(dòng)剪切控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單分為控制部分，輸入模塊和輸出模塊，其結(jié)構(gòu)組成和工作原理可以用圖2.2所示的框圖表示。圖2

5、.2 系統(tǒng)方框圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1光電編碼器3.1.1光電編碼器原理光電編碼器，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)；通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。脈沖序列能正確地反映轉(zhuǎn)速的高低，但不能鑒別轉(zhuǎn)向。為了獲得轉(zhuǎn)速的方向，可增加一對(duì)發(fā)光與接收裝置使兩對(duì)發(fā)光與接收裝置錯(cuò)開(kāi)光柵節(jié)距的1/4，兩組脈沖序

6、列A和B的相位相差90度，如圖3.1所示2。正轉(zhuǎn)時(shí)A相超前B相；反轉(zhuǎn)時(shí)B相超前A相。(a)正轉(zhuǎn) （b）反轉(zhuǎn)圖3.1 區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的A、B兩組脈沖序列3.1.2光電編碼器的選擇和安裝選擇合適的光電編碼器，對(duì)提高系統(tǒng)整體性能到頭重要。本設(shè)計(jì)選擇歐姆龍的編碼器產(chǎn)品，型號(hào)E6B2-CWZ6C 2000P/R（中空型，電源電壓DC524V，消費(fèi)電力80mA以下，輸出形式NPN開(kāi)路輸出，最高響應(yīng)頻率100KHZ，相位差A(yù)相、B相差90度），A相、B相信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖處理電路后，編碼器每旋轉(zhuǎn)一周可得到4000個(gè)脈沖。中空型光電編碼器的機(jī)械安裝主要注意以下問(wèn)題：要避免與編碼器剛性連接，應(yīng)采用板彈簧；安裝時(shí)編碼器應(yīng)

7、輕輕推入被套軸，嚴(yán)禁用錘敲擊，以免損壞軸系和碼盤；長(zhǎng)期使用時(shí)，請(qǐng)檢查板彈簧相對(duì)編碼器是否松動(dòng)；固定編碼器的螺釘是否松動(dòng)。編碼器在電氣連接方面注意以下事項(xiàng)：接地線應(yīng)盡量粗，一般應(yīng)大于3；編碼器的輸出線彼此不要搭接，以免損壞輸出電路；編碼器的信號(hào)線不要接到直流電源上或交流電流上，以免損壞輸出電路；與編碼器相連的電機(jī)等設(shè)備，應(yīng)接地良好，不要有靜電；配線時(shí)應(yīng)采用屏蔽電纜；避免在強(qiáng)電磁波環(huán)境中使用。前面曾經(jīng)考試過(guò)，為了方便，不用外置電源，用PLC內(nèi)部電源給各種傳感器和光電開(kāi)關(guān)提供電源。后來(lái)考慮到PLC的電源的穩(wěn)定性，光電編碼器的電源接外接直流電源5V，其它光電開(kāi)關(guān)和傳感器也一樣單獨(dú)接電源。3.2撥碼盤的

8、應(yīng)用3.2.1撥碼盤原理在工業(yè)控制中， 輸人設(shè)備必不可少。對(duì)PLC控制系統(tǒng)而言,人機(jī)交互的輸人方式廣泛采用觸摸屏、撥碼盤、光電及電磁開(kāi)關(guān)等.。由于撥碼盤具有接口簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)鎖存、操作方便直觀、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，因此在需要輸人少量控制參數(shù)和數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，經(jīng)常采用撥碼盤作為輸人部件5。本設(shè)計(jì)采用BCD碼撥碼盤作為數(shù)據(jù)輸入部件。BCD 撥碼盤是十進(jìn)制輸入，BCD 碼（即210 十進(jìn)制）輸出，又稱為8421 撥碼盤。如圖3.3所示，每片BCD 撥碼開(kāi)關(guān)可輸入1 位10 進(jìn)制數(shù)，N片BCD 撥碼開(kāi)關(guān)拼接可得N位10 進(jìn)制輸入。每片BCD 撥碼盤后面有5 個(gè)接點(diǎn)，其中C 為輸入控制線，另外4 根是BCD碼輸出

9、信號(hào)線。撥碼盤撥到不同的位置時(shí)，輸入控制線C 分別與4 根BCD 碼輸出線中的某根或某幾根接通。其接通的BCD 碼輸出線狀態(tài)正好與撥盤指示的10 進(jìn)制數(shù)相一致，符合210 進(jìn)制編碼關(guān)系。 (a) 撥碼盤外形 (b) 撥碼盤接線端子圖3.3 4位BCD撥碼開(kāi)關(guān)示意圖3.2.2撥碼盤與PLC的連接一片只有一位十進(jìn)制數(shù)輸出的BCD撥碼盤與PLC連接非常簡(jiǎn)單，只要將4根BCD碼輸出信號(hào)線分別與PLC的4個(gè)輸入端相連，控制線C直接接高電平就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入。如圖3.4所示。圖3.4 一片撥碼盤與PLC連接本設(shè)計(jì)為了滿足脈沖數(shù)設(shè)定需要使用了3片2位十進(jìn)制數(shù)輸出的BCD撥碼盤，其與PLC連接如圖3.5所示，最

10、大設(shè)定數(shù)為99999。圖3.5 多片撥碼盤與PLC連接在圖3.5中，3片撥碼盤分為A、 B、 C三組，各組撥碼盤的每個(gè)開(kāi)關(guān)輸出點(diǎn)都串入二級(jí)管，利用二極管單向?qū)щ姷奶匦詠?lái)接通、斷開(kāi)撥碼開(kāi)關(guān)選通組和非選通組的輸出信號(hào)。當(dāng)需要讀取A組撥碼盤所設(shè)定的數(shù)據(jù)時(shí)，PLC的輸出端Q1.2輸出高電平，Q1.3和Q1.4輸出低電平，則A組撥碼開(kāi)關(guān)所串聯(lián)的8個(gè)二極管處于正向接法，而B(niǎo)和C組撥碼盤串聯(lián)的16個(gè)二極管處于反向接法。雖然A、B、C三組撥碼盤輸出是并聯(lián)的，但從PLC的輸入所讀到的數(shù)是A組撥碼盤所設(shè)定的數(shù)。依此類推，如果需要讀取B或C組撥碼盤所設(shè)定的數(shù)時(shí)，只要令本身的控制端為高電平，其它兩組的為低電平即可。通

11、過(guò)編程，PLC依次讀入A、B、C三組撥碼盤設(shè)定的數(shù)。3.3檢測(cè)開(kāi)關(guān)的安裝3.3.1光電開(kāi)關(guān)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，往往應(yīng)用到許多傳感器，檢測(cè)生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)物理量，為控制器做出合理的判斷提供依據(jù)。光電開(kāi)關(guān)是一種常用的傳感器，光電開(kāi)關(guān)（光電傳感器）是光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無(wú)的。光電開(kāi)關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。在本設(shè)計(jì)中，用到了4對(duì)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)薄鋼板在不同位置的信息，安裝方式如圖3.6所示。圖3.6 光電開(kāi)關(guān)示意圖假如選用DC 5V的光電開(kāi)關(guān)，為了PLC的運(yùn)行穩(wěn)定

12、，電源不由PLC直流電流供電，而是直接由外接電源供電。光電開(kāi)關(guān)的Ov按扭和PLC的輸入公共端COM連接，光電開(kāi)關(guān)的輸出端與PLC的輸入端口連接。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)輸出高電平時(shí)表明光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)射的光源被遮擋，光電開(kāi)關(guān)接收器無(wú)法接收到光源，即光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器和接收器間存在物體。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，正常情況下，3號(hào)光電開(kāi)關(guān)一直檢測(cè)到傳送帶上一直有鋼板；若是檢測(cè)到鋼帶上沒(méi)有了鋼板，PLC控制系統(tǒng)即判定為開(kāi)卷機(jī)已經(jīng)沒(méi)有鋼帶，發(fā)出停車指令。相關(guān)電路圖如圖3.7所示。光電開(kāi)關(guān)在本設(shè)計(jì)的薄鋼板自動(dòng)剪切控制系統(tǒng)中有著重要的作用，光電開(kāi)關(guān)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)鋼板在各個(gè)位置的存在狀況，為PLC提供系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，

13、保證系統(tǒng)的安全。圖3.7 光電開(kāi)關(guān)與PLC連接3.3.2行程開(kāi)關(guān)行程開(kāi)關(guān)又稱限位開(kāi)關(guān)，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開(kāi)關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開(kāi)關(guān)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。因此，行程開(kāi)關(guān)是一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開(kāi)關(guān)廣泛用于各類機(jī)床和起重機(jī)械，用以控制其行程、進(jìn)行終端限位保護(hù)。在電梯的控制電路中，還利用行程開(kāi)關(guān)來(lái)控制開(kāi)關(guān)轎門的速度、自動(dòng)開(kāi)關(guān)門的限位，轎廂的上、下限位保護(hù)。本設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中有三個(gè)行程開(kāi)關(guān)，分別是檢測(cè)剪切鋼板的沖頭上下位置各一個(gè)，檢測(cè)載物小車是否到位一個(gè)

14、，其安裝示意如圖3.8所示。沖頭上下位置開(kāi)關(guān)給PLC目前沖頭位置信息，說(shuō)明沖頭是在原位還是已經(jīng)下沖，或者下沖是否到位。若沖頭下沖到位，SQ2給PLC信息，說(shuō)明鋼板已經(jīng)剪切成功，接著進(jìn)行復(fù)位，SQ1給復(fù)位位置信號(hào)，復(fù)位不成功，系統(tǒng)不會(huì)開(kāi)車。小車的位置檢測(cè)行程開(kāi)關(guān)SQ3，既給PLC小車位置信息，又給下一道工序控制系統(tǒng)小車位置信息。(a)檢測(cè)沖頭位置行程開(kāi)關(guān) (b)檢測(cè)小車位置行程開(kāi)關(guān)圖3.8 行程開(kāi)關(guān)安裝示意圖3.4變頻器3.4.1變頻器的一般架構(gòu)在本設(shè)計(jì)中，需要對(duì)矯正機(jī)和夾送機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和幅度進(jìn)行有效控制，為矯正機(jī)和夾送機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的裝置可以選擇交流伺服系統(tǒng)，比如用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力裝置，其控制

15、精度比較高，使用也較方便，但是交流伺服系統(tǒng)的造價(jià)一般比較高。在PLC和變頻器技術(shù)日趨成就的今天，選擇PLC和變頻器搭配，有效地控制三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速和幅度，從而控制系統(tǒng)傳送機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，運(yùn)行，降速和準(zhǔn)確停車，達(dá)到的控制效果與交流伺服系統(tǒng)相近，是一種比較高性價(jià)比的方案。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的變頻器各類繁多，但基本的架構(gòu)一樣，也為其使用提供了依據(jù)。變頻器的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖3.11所示。圖3.11 變頻器的一般結(jié)構(gòu)框圖其中，直流供電電源輸入一般為24V直流電源；數(shù)字量輸入和模擬量輸入一般是PLC輸出端口和PLC擴(kuò)展模擬量輸出端口來(lái)控制；三相電輸入為50HZ三相交流電；制動(dòng)電阻用來(lái)制動(dòng)時(shí)機(jī)；三相變頻輸出是指經(jīng)過(guò)變

16、頻后，用于給被控制的時(shí)機(jī)提供的三相電，其頻率是根據(jù)速度信息得到的頻率。3.4.2變頻器的選擇本設(shè)計(jì)采用西門子的MICROMASTER 420 變頻器。MICROMASTER 420 變頻器適合用于各種變速驅(qū)動(dòng)裝置，尤其適合用于水泵，風(fēng)機(jī)和傳送帶系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置。它的特點(diǎn)是設(shè)備性能面向用戶的需求，并且使用方便。它的電源電壓規(guī)格很多， 因而可在世界范圍內(nèi)應(yīng)用。MICROMASTER 420 變頻器調(diào)試簡(jiǎn)單；模塊化的結(jié)構(gòu)， 因而組態(tài)具有最大的靈活性；具有三個(gè)完全可編程的隔離的數(shù)字輸入；一個(gè)可標(biāo)定的模擬輸入 (0V至 10V)；它也可以作為第4 個(gè)數(shù)字輸入來(lái)使用。；一個(gè)可編程的模擬輸出(0mA 至 20

17、mA)；一個(gè)完全可編程的繼電器輸出 (30V，直流/5A，電阻負(fù)載或 250V，交流/2A，感性負(fù)載)；采用較高的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪聲很小 (在脈沖的開(kāi)關(guān)頻率較高的情況下，額定輸出電流要降格使用)；完善的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能。本設(shè)計(jì)主要用PLC的3個(gè)輸出端口通過(guò)MICROMASTER 420 變頻器3個(gè)可自由編程的數(shù)字輸入實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制。Q1.2、Q1.3、Q1.4、Q1.5、Q1.6、Q1.7的通斷情況選擇變頻器的輸出，其對(duì)應(yīng)情況如表3-1所列。表3-1 變頻器控制輸入與三相輸出對(duì)應(yīng)表矯正變頻器送送變頻器控制端接通三相輸出控制端接通三相輸出Q1.2、Q1.3、Q1.450HZ，

18、向前Q1.5、Q1.6、Q1.750HZ，向前Q1.2、Q1.340HZ，向前Q1.5、Q1.640HZ，向前Q1.3、Q1.440HZ，向后Q1.6、 Q1.740HZ，向后Q1.420HZ，向前Q1.720HZ，向前Q1.2、Q1.420HZ，向后Q1.5、Q1.720HZ，向后Q1.210HZ，向前Q1.510HZ，向前Q1.310HZ，向后Q1.610HZ，向后3.5主電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的PLC薄鋼板自動(dòng)剪切控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)主要有兩塊，一是電機(jī)與變頻器電氣連接，二是沖頭執(zhí)行機(jī)構(gòu)、指示燈電氣連接，分別如圖3.9和3.10所示。圖3.9 主電路(a)在圖3.9主電路(a)中，電源為三相市電輸

19、入，為了保護(hù)變頻器和電機(jī)安全，串連兩個(gè)低電斷路器QF1和 QF2，串接了熔斷器，三相異步電機(jī)M1和M2接地。其中，M1電機(jī)負(fù)責(zé)矯正機(jī)的傳動(dòng)，M2電機(jī)負(fù)責(zé)夾送機(jī)構(gòu)和輸送皮帶的傳動(dòng)。變頻器電源的通斷控制由PLC控制兩個(gè)接觸器開(kāi)關(guān)KM1和KM2的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般情況下，把QF1和QF2合上，在系統(tǒng)上電時(shí)，KM1和KM2默認(rèn)為斷開(kāi)。圖3.10 主電路(b)另外，在圖3.10主電路(b)中，單相市電接入串接熔斷器FU起保護(hù)作用。該電路主要完成兩個(gè)功能，一個(gè)是系統(tǒng)啟動(dòng)后，KM1和KM2閉合，L1和L2指示變頻器已經(jīng)正常上電；二是接觸器開(kāi)關(guān)KM3和KM4分別控制沖頭執(zhí)行機(jī)構(gòu)下沖或復(fù)位。3.6PLC控制系統(tǒng)3

20、.6.1PLC選型西門子公司的S7-200 PLC 是一種疊裝式結(jié)構(gòu)的小型PLC，它指令豐富，功能強(qiáng)大，可靠性高，結(jié)構(gòu)緊湊，便于擴(kuò)展，性能價(jià)格比高。從CPU模塊的功能來(lái)講，S7-200 系列PLC具有以下五種不同結(jié)構(gòu)配置的CPU單元8。(1) CPU 221有6輸入/4輸出，無(wú)擴(kuò)展，存儲(chǔ)容量較小，有一定的高速計(jì)數(shù)能力，適合于點(diǎn)數(shù)少的控制系統(tǒng)。(2) CPU 222有8輸出/10輸出，可以進(jìn)行模擬量的控制和2個(gè)模塊的擴(kuò)展，應(yīng)用更廣泛的全功能控制器。(3) CPU 224有14輸入/10輸出，存儲(chǔ)容量擴(kuò)大了一倍，有7個(gè)擴(kuò)展模塊，內(nèi)置時(shí)鐘，有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)數(shù)的處理能力，是S7-200系列中使用

21、最多的產(chǎn)品。(4) CPU 224XP最新推出的一款實(shí)用機(jī)型，最大的不同是主機(jī)上增加了2輸入/1輸出的模擬量單元和一個(gè)通信口，適合有少量模擬信號(hào)的系統(tǒng)中使用。(5) CPU 226有24輸入/16輸出，增加了通信口的數(shù)量，通信能力大大增強(qiáng)，用于點(diǎn)數(shù)較多，要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。根據(jù)以上S7-200 系列PLC不同CPU資源的了解，考慮到本設(shè)計(jì)的薄鋼板自動(dòng)剪切控制系統(tǒng)所要求的點(diǎn)數(shù)較多，故選擇CPU 226 DC/DC/DC（6ES7 216-1AD21-0XB0）。設(shè)計(jì)涉及的CPU 226相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表3-2所列。表3-2 CUP 226 相關(guān)技術(shù)參數(shù)輸入/輸出24/16時(shí)間中斷2 個(gè)

22、定時(shí)器總數(shù)256個(gè) 高速計(jì)數(shù)器總數(shù)6個(gè)邊沿中斷4 上升/4 下降1ms4個(gè)單相計(jì)數(shù)器個(gè)數(shù)6個(gè)，30KHZ脈沖捕捉14個(gè)10ms16個(gè)兩相計(jì)數(shù)器個(gè)數(shù)4個(gè)，20KHZ計(jì)數(shù)器總數(shù)256個(gè)100ms236個(gè)由表3-2可以看出，S7-200 CPU 226 的資源是相當(dāng)豐富的，基本滿足了本設(shè)計(jì)的薄鋼板自動(dòng)剪切控制系統(tǒng)的端口要求和編程時(shí)所需要的功能要求。3.6.2PLC端口分配控制系統(tǒng)PLC的I/O點(diǎn)及地址分配如表3-3所列。表3-3 I/O口信號(hào)代碼和地址編號(hào)表名稱代碼地址編號(hào)名稱代碼地址編號(hào)啟動(dòng)按扭SB1I0.2正常燈指示L3Q1.0停止按扭SB2I0.3異常燈指示L4Q1.1手動(dòng)/自動(dòng)方式

23、選擇SAI0.4主電路電源通斷KM1Q0.0矯正機(jī)前進(jìn)SB3I0.5主電路電源通斷KM2Q0.1矯正機(jī)后退SB4I0.6沖頭下沖控制KM3Q0.2夾送輥前進(jìn)SB5I0.7沖頭復(fù)位KM4Q0.3夾送輥后退SB6I1.0撥碼盤控制Q1.2 Q1.4光電脈沖信號(hào)PSP1I0.0矯正變頻器設(shè)定Q1.21.4光電脈沖方向DSP2I0.1夾送變頻器設(shè)定Q1.51.7光電開(kāi)關(guān)3信號(hào)SQ1I1.1光電開(kāi)關(guān)4信號(hào)SQ2I1.2光電開(kāi)關(guān)5信號(hào)SQ3I1.3光電開(kāi)關(guān)13信號(hào)SQ4I1.4沖頭上限行程開(kāi)關(guān)SQ5I1.5沖頭下限行程開(kāi)關(guān)SQ6I1.6小車位置行程開(kāi)關(guān)SQ7I1.7撥碼盤輸入I2.02.7本設(shè)計(jì)所選型號(hào)C

24、PU 226 DC/DC/DC，其電源接入和信號(hào)輸出有直流電源也有交流電源，而且各種電源的等級(jí)不盡相同，在接線時(shí)選擇各種電源是獨(dú)立分開(kāi)的，互不干擾。系統(tǒng)所采用開(kāi)按扭有兩種，一種是能夠鎖存狀態(tài)的按扭，即手動(dòng)/自動(dòng)方式選擇按扭；另外一種是點(diǎn)動(dòng)按扭，主要是在手動(dòng)方式下對(duì)電機(jī)進(jìn)行手動(dòng)控制。特別值得注意的是，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，由于要對(duì)光電編碼器的脈沖進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，使用了CPU226的某一個(gè)高速計(jì)數(shù)器。光電編碼器的脈沖信號(hào)經(jīng)光電脈沖電路處理后得到兩個(gè)信號(hào)，光電脈沖P和方向信號(hào)D，這兩個(gè)信號(hào)接入PLC的端口不是隨便的，而是根據(jù)規(guī)定，P信號(hào)接I0.0（時(shí)鐘），D信號(hào)接I0.1（方向），否則高速計(jì)數(shù)器將得不到正確

25、的信號(hào)。3.7變頻分段調(diào)速與交流伺服系統(tǒng)不同，變頻器和三相異步電機(jī)不可能在高速運(yùn)行狀態(tài)下迅速停車，必須有一個(gè)降速和低速爬行的過(guò)程，才能保證定位點(diǎn)的準(zhǔn)確，可以選擇多檔調(diào)速，控制精度更高，其運(yùn)行曲線見(jiàn)圖3.12。圖3.12 變頻器定位運(yùn)行降速控制規(guī)律另外，鋼板剪切的長(zhǎng)度與毛巾平網(wǎng)印花機(jī)的花色間距不同，它不是定值，而是從幾十毫米到數(shù)千毫米不等，因此不可能采用同樣的運(yùn)行速度和同樣的降速爬行距離。否則，變頻器的定位停車會(huì)處于一種無(wú)序狀態(tài)，剪切精度和生產(chǎn)效率也不能得到平衡和兼顧9。從圖3.12可以看出，不同的剪切鋼板尺寸，選擇加速上升時(shí)間和勻速運(yùn)行時(shí)間以及降速運(yùn)行時(shí)間不能夠完全一樣，假定所有的情況下到達(dá)定

26、位目標(biāo)前的爬行速度一樣，就要根經(jīng)驗(yàn)保證爬行的距離基本一樣，能很好保證鋼板準(zhǔn)確停車。本設(shè)計(jì)以剪切2m的薄鋼板為例說(shuō)明各段參數(shù)設(shè)定。已知所選的電動(dòng)機(jī)為4級(jí)，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，減速箱的減速比為20/1，測(cè)量輥周長(zhǎng)400mm，額定輥速75r/min，變頻器固定頻率輸出有多檔，如50HZ，40HZ，30HZ，20HZ，10HZ。剪切2m的鋼板，在加速到勻速段變頻器選擇輸出40HZ，在降速段選擇輸出20HZ進(jìn)行降速，在爬行階段選擇10HZ輸出，直到檢測(cè)脈沖數(shù)和設(shè)定脈沖相等，變頻器停機(jī)，鋼板準(zhǔn)確停車。3.8制動(dòng)過(guò)程當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始減速時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài) 。傳動(dòng)系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的機(jī)械能變成電能并

27、經(jīng)變頻器中的逆變器回饋到直流側(cè)。此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)，中間回路的濾波電容器的電壓會(huì)因吸收這部分能量而提高，產(chǎn)生泵生電壓。當(dāng)電壓值超過(guò)上限700V時(shí)，制動(dòng)單元電路導(dǎo)通，電流流過(guò)與濾波電容器并聯(lián)的制動(dòng)電阻，從而將電能變成熱能消耗掉，泵生電壓隨之下降，待下降到設(shè)定下限680V值時(shí)斷開(kāi)。繼續(xù)采樣泵生電壓，制動(dòng)單元將重復(fù)導(dǎo)通和截止，使系統(tǒng)完成動(dòng)力制動(dòng)。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主流程本設(shè)計(jì)薄鋼板剪切自動(dòng)控制系統(tǒng)主要分為兩大塊，一個(gè)是系統(tǒng)在手工操作方式下運(yùn)行，一個(gè)是系統(tǒng)在自動(dòng)方式下運(yùn)行。主流程如圖4.1所示。圖4.1 主流程圖在主流程圖中，先進(jìn)行PLC初始化，讀撥碼盤值，然后按啟動(dòng)按扭，主電路通電，接著按選

28、擇條件選擇手動(dòng)工作方式或者是自動(dòng)運(yùn)行工作方式。若選擇手動(dòng)工作方式，因?yàn)槠溥\(yùn)行的次數(shù)比較少，所以每執(zhí)行一次手動(dòng)子程序都將直接返回到工作方式選擇。自動(dòng)運(yùn)行子程序相對(duì)比較復(fù)雜，每次執(zhí)行完之后，進(jìn)行一個(gè)判斷，如果工作方式?jīng)]有改變，則直接返回自動(dòng)子程序，若工作方式已經(jīng)改變，返回到工作方式選擇。因此，在主流程圖中，有兩個(gè)主體，一個(gè)是手動(dòng)控制流程，一個(gè)是自動(dòng)控制流程。這兩個(gè)主體的切換，因?yàn)槭褂昧隧樞蚩刂评^電器指令而變得相對(duì)方便。在自動(dòng)控制子流程圖中，進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)后，在滿足小車到位和小車沒(méi)有滿載條件下，才啟動(dòng)變頻器。因?yàn)槌C正機(jī)負(fù)載不穩(wěn)定，可能造成和夾送輥速度不同步，造成套坑鋼帶量不合適。4和5光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)

29、套坑里面的鋼帶量是否合適，如果過(guò)多或者過(guò)少都會(huì)引進(jìn)系統(tǒng)的振蕩和故障，正常狀態(tài)下4光電開(kāi)關(guān)為開(kāi)，5號(hào)光電開(kāi)關(guān)為開(kāi)，若5號(hào)光電開(kāi)關(guān)為閉，說(shuō)明套量過(guò)多，矯正變頻器減速一小會(huì)再跟夾送變頻器同步速度，若4為開(kāi)，說(shuō)明套量過(guò)少，矯正變頻器加速一小會(huì)再跟夾送變頻器同步速度。到達(dá)變速點(diǎn)，變頻器進(jìn)行降速爬行輸出，最后判定高速計(jì)數(shù)器的值等于撥碼盤的設(shè)定值后，發(fā)出沖壓信號(hào)。由于其它原因造成停車后實(shí)際板長(zhǎng)與設(shè)定的板長(zhǎng)不符合，調(diào)用停車異常子程序，經(jīng)過(guò)微小調(diào)整，再進(jìn)行判斷，實(shí)際值等于設(shè)定值后，發(fā)沖壓信號(hào)。4.2手動(dòng)控制流程手動(dòng)控制子流程比較簡(jiǎn)單，即四個(gè)按扭分別控制矯正機(jī)和夾送輥的前進(jìn)或者后退，以便在系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行方式前，

30、人工將鋼帶穿過(guò)矯正機(jī)和送輥一直到達(dá)沖頭的位置。手動(dòng)控制流程如圖4.2所示。在圖4.2中，手動(dòng)方式下四個(gè)按扭SB3/SB4/SB5/SB6均是點(diǎn)動(dòng)式按扭，分別對(duì)應(yīng)了矯正機(jī)和夾送輥的前進(jìn)和后退。按下相應(yīng)的按扭，PLC根據(jù)指令的編程，控制輸出端Q1.2、Q1.3、Q1.4的通斷組合情況，控制矯正變頻器脈沖方向輸出和頻率輸出，實(shí)現(xiàn)控制矯正機(jī)前進(jìn)和后退的目的；控制輸出端Q1.5、Q1.6、Q1.7的通斷組合情況，控制夾送變頻器脈沖方向輸出和頻率輸出，實(shí)現(xiàn)控制夾送輥前進(jìn)和后退的目的。值得注意的是，電機(jī)前進(jìn)和后退控制按扭控制電機(jī)運(yùn)行的效果是矛盾的，為了避免出現(xiàn)混亂，程序編程采用了互鎖的手段。圖4.2 手動(dòng)控

31、制流程電氣控制電路中，各電器之間具有互相制約、互相配合的控制，稱為聯(lián)鎖控制。在順序控制電路中，要求接觸器KM1得電后，接觸器KM2才能得電。在電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制電路中，要求接觸器KM1得電后，接觸器KM2不能得電吸合。則需將前者的常閉觸點(diǎn)串接在KM2線圈電路中。反之，也然。這種聯(lián)鎖關(guān)系稱為互鎖10。因此，手動(dòng)控制流程編程中采用的互鎖手段，增強(qiáng)了可靠性和安全性。4.3編程軟件STEP7-Micro/WIN 3211編程軟件是基本W(wǎng)indows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專門為SIMATIC12 S7-200 系列PLC設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。該軟件功能強(qiáng)大，界面友好，并有方便的聯(lián)機(jī)幫助功能。用戶可利用該軟件PLC

32、應(yīng)用程序，同時(shí)也可實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。該軟件是SIMATIC S7-200用戶不可缺少的開(kāi)發(fā)工具。5總結(jié)經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的準(zhǔn)備和學(xué)習(xí)和網(wǎng)上查閱資料搜索相關(guān)知識(shí)，終于完成了這份課題通過(guò)設(shè)計(jì)，了解了PLC的起源、發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢(shì)，了解了薄鋼板剪切行業(yè)概況，熟悉了PLC在工業(yè)控制系統(tǒng)中的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。在大學(xué)所學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，嘗試了基于PLC的薄鋼板自動(dòng)剪切控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并因此將所學(xué)知識(shí)系統(tǒng)化、理論化、實(shí)用化。通過(guò)設(shè)計(jì)，提高了使用自己知識(shí)和獲取相關(guān)資料的能力，進(jìn)一步培養(yǎng)了踏實(shí)、勤奮、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。我在做這次設(shè)計(jì)的過(guò)程中要感謝指導(dǎo)老師孫老師和劉老師，他們對(duì)我有很大的幫助。由于客觀條件的限制，沒(méi)能將

33、指令程序通過(guò)編程器送入PLC進(jìn)行模擬運(yùn)行，也未進(jìn)行系統(tǒng)模擬調(diào)試和完善程序。另外，硬件系統(tǒng)的安裝，以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和試運(yùn)行都無(wú)法完成，若以后條件允許，以上的不足之處有待完善。參考文獻(xiàn)1 廖常初主編 S7-200PLC基礎(chǔ)教程（第二版） 機(jī)械工業(yè)出版社 20092 李增國(guó)主編 傳感器與檢測(cè)技術(shù) 北京航空航天大學(xué)大學(xué)出版社20093張勇主編 電機(jī)拖動(dòng)與控制 機(jī)械工業(yè)出版社 20094 呂汀主編 變頻技術(shù)與原理 機(jī)械工業(yè)出版社 20095 吳麗主編 電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社 2009附錄PLC連線圖附錄 程序TITLE=PROGRAM COMMENTSNetwork 1 /

34、高速計(jì)數(shù)器選擇HSC0，工作模式4，允許更新當(dāng)前值和預(yù)置值，清除當(dāng)前值，建立中斷事件LD SM0.1MOVB 16#F8, SMB37HDEF 0, 4ATCH INT0, 12HSC 1Network 2 LD SM0.0S S0.1, 1Network 3 / 程序段S0.1開(kāi)始，功能是讀撥碼盤值LSCR S0.1Network 4 / 選通LD SM0.0S Q1.2, 1Network 5 / 撥碼盤個(gè)十位LD Q1.2MOVB IB15, VB0Network 6 LD SM0.0R Q1.2, 0S Q1.3, 1Network 7 / 撥碼盤百位和千位LD Q1.3MOVB IB

35、15, VB1Network 8 LD SM0.0R Q1.3, 0S Q1.4, 1Network 9 / 撥碼盤萬(wàn)位和十萬(wàn)位LD SM0.0MOVB IB15, VB2R Q1.4, 0Network 10 / 分離得到十位千位LD SM0.0MOVB VB100, AC0MOVB AC0, VB6SRB VB6, 4MOVB VB101, AC0MOVB AC0, VB7SRB VB7, 4Network 11 / 將相應(yīng)位乘倍數(shù)LD SM0.0MOVB VB4, AC0MOVW +10, VW7MUL AC0, VD5MOVB VB5, AC0MOVW +100, VW8MUL AC0

36、, VD6MOVB VB6, AC0MOVW +1000, VW9MUL AC0, VD7MOVB VB7, AC0MOVW +10000, VW10MUL AC0, VD8Network 12 / 得到最終撥盤碼值，存在VD8LD SM0.0MOVB VB3, AC0MOVD VD5, AC1+I AC0, AC1MOVD VD6, AC0+I AC0, AC1MOVD VD7, AC0+I AC0, AC1MOVD VD8, AC0+I AC0, AC1MOVD AC1, VD8MOVW AC1, AC0-I +4000, AC0MOVD AC0, VD9Network 13 / 程序段S

37、0.1結(jié)束LD SM0.0CSCRENetwork 14 / 在手動(dòng)控制方式下，按啟動(dòng)按扭有效接通主電路LD SM0.0LD I0.4A I0.2LD Q0.3A Q0.4OLDALD= Q0.3= Q0.4Network 15 / 工作方式選擇，若I0.4閉合，則為手動(dòng)控制方式LD SM0.0A I0.4A Q0.3A Q0.4S S0.2, 1Network 16 / 手動(dòng)控制程序段S0.2開(kāi)始LSCR S0.2Network 17 / 矯正機(jī)前進(jìn)LD SM0.0A I0.5AN I0.6= Q1.4Network 18 / 矯正機(jī)后退LD SM0.0A I0.6AN I0.5= Q1.2

38、= Q1.4Network 19 / 夾送輥前進(jìn)LD SM0.0A I0.7AN I1.0= Q1.7Network 20 / 夾送輥后退LD SM0.0A I1.0AN I0.7= Q1.5= Q1.7Network 21 / 停車控制LD SM0.0A I0.3R Q0.3, 0R Q0.4, 0R Q1.2, 0R Q1.3, 0R Q1.4, 0R Q1.5, 0R Q1.6, 0R Q1.7, 0SCRT S0.1Network 22 / 若工作方式?jīng)]改變，返回工作方式選擇LD SM0.0A Q0.3A Q0.4A I0.4SCRT S0.2Network 23 / 程序段S0.2結(jié)

39、束LD SM0.0CSCRENetwork 24 / 自動(dòng)方式選擇LD SM0.0A Q0.3A Q0.4A I1.1A I1.4A I1.5A I1.7S S0.3, 1Network 25 / 程序段S0.3開(kāi)始LSCR S0.3Network 26 / 清高速計(jì)數(shù)器當(dāng)前值，寫(xiě)入變速點(diǎn)預(yù)置值，開(kāi)全局中斷LD SM0.0MOVD +0, SMD38MOVD VD9, SMD42ENIHSC 1Network 27 / 啟動(dòng)變頻器，以輸出40KZ運(yùn)行LD SM0.0S Q1.2, 1S Q1.3, 1S Q1.5, 1S Q1.6, 1Network 28 / 程序段S0.3結(jié)束LD SM0.0CSCRENetwork 29