PLC控制同步切割機總體方案研究

宮鳴

（延鋒汽車外飾系統(tǒng)有限公司，遼寧 沈陽 110121）

1 引言

同步切割機是金屬型材坯料生產(chǎn)工藝常用的設(shè)備。它以其生產(chǎn)效率和成品率高的特點受到鋼冶企業(yè)的重視。同步切割機切割坯料常用方式有手工切割、半自動切割機切割及自動切割機切割。手工切割靈活方便，但手工切割質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費大、后續(xù)加工工作量大，同時勞動條件惡劣，生產(chǎn)效率低。半自動切割機切割工件的質(zhì)量較好，適合于單件、小批量和大工件切割。自動切割相對手動和半自動切割方式來說，可有效地提高坯料切割效率、切割質(zhì)量，減輕操作者地勞動強度。目前在我國的一些中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中使用手工切割和半自動切割方式還較為普遍，自動切割機的市場潛力還是很大、市場前景比較樂觀，筆者對PLC控制同步切割機自動控制的設(shè)計總體方案進行了分析和研究，提出了較為理想的控制方案。采用自動控制后，可切割棒料、條料、板料，又可切割型材，適應(yīng)性強，切割尺寸誤差可小于2mm，只要普通工作人員就可操作,調(diào)整簡單迅速，安裝、維護方便。

2 同步切割機實現(xiàn)自動控制的必要性

本項目主要研究鑄鐵水平連鑄生產(chǎn)線同步切割機。此生產(chǎn)線現(xiàn)已實現(xiàn)了全線的半自動化，而切割機部分基本是手動操作的，由于生產(chǎn)中要連續(xù)不斷切割型材，型材的直徑大小、前進速度變化，進給的長度不定，砂輪來回切割次數(shù)及深度的變化等一系列條件，在產(chǎn)量不高的情況下是可以的，隨著用戶對產(chǎn)品需求量量增大，為了提高工作效率，改善工作條件，實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化就必須對同步切割機實現(xiàn)自動控制。

3 對同步切割機主要動作結(jié)構(gòu)分析

同步切割機采用了水平進刀切割的方式。它由夾緊機構(gòu)、同步小車、砂輪切割機及進給系統(tǒng)、砂輪切深補償調(diào)節(jié)和回車系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 同步切割機

金屬型材坯料從保溫爐中拉出，到同步切割機，當達到給定長度時，切割機的夾緊機構(gòu)首先夾住型材，進行對刀，達不到對刀口時再松開重新夾緊。確定好夾緊位置后，小車隨著型材一塊前進，進行同步切割。然后砂輪電機啟動，實行緩慢的水平切割進給動作，切割到位時，砂輪快退復(fù)位，回到原位。夾緊機構(gòu)松開，切割機將借助安裝在切割小車下面的回車系統(tǒng)返回起始工作位。

3.1 切割機夾緊機構(gòu)

切割機夾緊機構(gòu)由夾緊油缸、一對V型鐵和杠桿機構(gòu)組成的。一對V型鐵在油缸帶動下通過杠桿機構(gòu)實現(xiàn)夾緊。當泵站供給液壓系統(tǒng)液壓油時，夾緊油缸通過夾緊立柱帶動上V型鐵向下運動，而夾緊立柱通過短滑柱、長滑柱和連桿構(gòu)成的杠桿機構(gòu)帶動下V型鐵向上運動，完成夾緊棒料的動作，如圖2和圖3所示。

夾緊油缸的動作來自于電機帶動液壓泵旋轉(zhuǎn)，從油箱中吸油，油液進入液壓泵，當它從泵中輸出進入液壓管后，通過液流閥、單向閥、節(jié)流閥、換向閥進入液壓缸左腔，推動活塞和工作臺向右運動，實現(xiàn)油缸帶動V型鐵運動的動作。

夾緊的速度通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開口大小來改變，工程中對夾緊油缸的速度沒有嚴格要求。測定夾緊機構(gòu)是否完全夾緊由壓力繼電器來測定。如圖4所示。

圖2 夾緊機構(gòu)裝配圖

圖3 夾緊機構(gòu)示意圖

3.2 切割系統(tǒng)

切割系統(tǒng)由切割機進給系統(tǒng)、升降電機、砂輪電機和吸塵電機組成。切割機進給系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)控制，升降電機、砂輪電機和吸塵電機由交流電機帶動。同步前進是靠夾緊機構(gòu)夾緊型材后，借助牽引機的牽引力來實現(xiàn)的，并在同步運動中完成切割。砂輪片在切深調(diào)節(jié)電機帶動下沿立導(dǎo)軌作上下運動，實現(xiàn)砂輪相對型材的切深及砂輪磨損補償；砂輪片及進給系統(tǒng)固定在可前后移動的立柱上，在進給油缸驅(qū)動下在水平導(dǎo)軌上實現(xiàn)慢進切割和快退復(fù)位的雙向動作，進給系統(tǒng)如圖1和圖4所示。

3.3 進給系統(tǒng)

切割機切割進給速度由液壓系統(tǒng)保證，當電機帶動液壓泵旋轉(zhuǎn)后，從油箱中吸油，油液進入液壓泵，當它從泵中輸出進入液壓管后，通過液流閥、單向閥、節(jié)流閥、換向閥進入液壓缸左腔，推動活塞和工作臺向右運動，完成切割機切割進給的動作，液壓油壓力的大小由壓力表來顯示，而液壓缸油腔的油經(jīng)換向閥和回油管排回油箱。如將換向閥轉(zhuǎn)換方向，活塞和工作臺向左移動，完成切割機切割快退回位的動作。改變節(jié)流閥開口大小就可控制工作臺的移動速度，從而改變切割進給和切割快退的速度。在切割進給過程中實行緩慢的水平切割進給動作，而在切割快退中不進行深度切割，速度較快，如圖4所示。

3.4 回車系統(tǒng)

回車系統(tǒng)由小車電機帶動的，小車電機啟動后，通過減速器，在鏈條的傳動下，離合器的回轉(zhuǎn)帶動車輪運動。離合器的線圈通以24V的直流電后形成磁路，產(chǎn)生電磁力，吸動銜鐵而將內(nèi)、外摩擦片壓緊，靠摩擦片間的摩擦力使離合器連接成一體回轉(zhuǎn)；當切斷電流時，磁力線消失，銜鐵釋放，摩擦力消失，車輪停止運轉(zhuǎn)。如圖5所示。

圖4 切割機進給系統(tǒng)原理圖

圖5 回車系統(tǒng)簡圖

4 PLC控制方案的分析

4.1 控制方案的分析

本項目是一個順序過程它是以開關(guān)量邏輯控制為主的程序控制，能實現(xiàn)這種工業(yè)控制方案的裝置很多，有可編程控制器（PLC），繼電器控制系統(tǒng)，單片機，微型計算機，集散系統(tǒng)等。在控制系統(tǒng)中，PLC成為當今增長速度最快的工業(yè)控制設(shè)備，它具備了許多獨特的優(yōu)點，能較好的解決工業(yè)控制領(lǐng)域普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟等問題，為此選擇PLC作為控制設(shè)備。夾緊機構(gòu)的夾緊油缸、杠桿機構(gòu)；切割機進給系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)控制、升降電機、砂輪電機和吸塵電機；回車系統(tǒng)小車電機、離合器等均為需要控制的部件。

4.2 PLC控制方案的特點

（1）可靠性高，抗干擾能力強，適用于工業(yè)現(xiàn)場；（2）編程簡單易學(xué)；（3）設(shè)計、安裝容易，調(diào)試周期短，維護簡單；（4）模塊品種豐富、通用性好、功能強大；（5）體積小、能耗低。

PLC是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計制造的計算機，它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力，但PLC產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實際應(yīng)用時其硬件需根據(jù)實際需要進行選用、配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設(shè)計編制。

4.3 PLC與其他工業(yè)控制設(shè)備的比較

4.3.1 PLC與繼電器控制系統(tǒng)的比較

（1）控制方式。繼電器的控制方式是采用硬接線實現(xiàn)的，它是利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)以及延時繼電器的滯后動作等組合形成控制邏輯，它只能實現(xiàn)既定的邏輯控制。且其連線多而復(fù)雜，體積大，能耗大，一旦系統(tǒng)設(shè)計制造完成后，再想改變或增加功能將十分困難。此外繼電器觸點數(shù)目有限，其靈活性和擴展性也很差；而PLC采用存儲邏輯，要改變控制邏輯，只需改變程序即可，且其連線少，體積小，靈活性和擴展性極佳。

（2）控制速度。繼電器控制邏輯是依靠觸點的機械動作實現(xiàn)控制，其工作頻率低，觸點的開合動作一般在幾十毫秒，此外機械觸電還會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象；而PLC是由控制指令控制半導(dǎo)體電路來實現(xiàn)控制，速度極快，一般一條用戶指令的執(zhí)行時間在微秒數(shù)量級。

（3）延時控制。繼電器控制系統(tǒng)是靠時間繼電器的滯后動作實現(xiàn)延時控制，而時間繼電器定時精度不高，易受環(huán)境溫度和濕度的影響；PLC是半導(dǎo)體集成電路做定時器，時基脈沖由晶體震蕩器產(chǎn)生，精度高。

（4）設(shè)計與施工。用繼電器實現(xiàn)一項控制工程，其設(shè)計、施工、調(diào)試必須依次進行，周期長，且修改困難；而PLC設(shè)計與施工可同時進行，周期短，調(diào)試和修改都較方便。

（5）可靠性和維護性。繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的機械觸電，壽命短，可靠性和維護性都差；PLC采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動作由無觸電的半導(dǎo)體來完成，壽命長，可靠性高。

4.3.2 PLC與微型計算機的比較

（1）應(yīng)用范圍。微機除了用于控制領(lǐng)域外，其主要用于科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、計算機通訊等方面；而PLC主要用于工業(yè)控制。

（2）使用環(huán)境。微機對環(huán)境的要求高，一般要在干擾小，具有一定的濕度和溫度的機房內(nèi)使用；而PLC適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境。

（3）輸入和輸出。微機系統(tǒng)的I/O設(shè)備與主機之間采用微電聯(lián)系，一般不需電器隔離；PLC一般可控制強電設(shè)備。

（4）程序設(shè)計。微機具有豐富的程序設(shè)計語言，要求使用者具有一定的計算機軟硬件知識；而PLC的程序采用梯形圖即可，程序編制比較容易。

（5）系統(tǒng)功能。微機系統(tǒng)一般配有較強的系統(tǒng)軟件，并具有豐富的應(yīng)用軟件；而PLC的軟件則相對簡單。

（6）運算速度和存儲容量。微機運算速度快，其存儲容量很大；PLC因接口的速度慢影響數(shù)據(jù)處理速度，內(nèi)存容量小，因而適用于中小規(guī)模的過程控制。

4.3.3 PLC與工業(yè)控制機

這兩種機器都是適合于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的。工業(yè)控制機是由通用微機推廣應(yīng)用發(fā)展起來的，硬件結(jié)構(gòu)方面總線標準化高；可編程控制器是由電氣控制廠家研制生產(chǎn)的，從開始就是針對工業(yè)順序并擴大應(yīng)用而發(fā)展起來的。

工業(yè)控制機由于直接由通用微機而來，故軟件資源豐富，特別是有實時操作系統(tǒng)的支持，故要求快速、實時性強、模擬復(fù)雜性高的領(lǐng)域占有優(yōu)勢；可編程控制器的運行方式不同于工業(yè)微機，它對邏輯順序控制很適應(yīng)，它編程中的梯形圖很受不熟悉計算機而熟悉電器的工人的歡迎。

4.3.4 PLC與集散系統(tǒng)

（1）PLC是由繼電器邏輯控制發(fā)展而來得，集散系統(tǒng)是由回路儀表控制發(fā)展而來。

（2）早期的PLC在開關(guān)量控制、順序控制方面有一定優(yōu)勢，而集散系統(tǒng)在回路調(diào)節(jié)、模擬量控制方面有一定的優(yōu)勢。

5 PLC 控制方案的確定

鑒于PLC的特點及與其它工業(yè)控制裝置的比較，決定對同步切割機的動作循環(huán)過程采用PLC作為控制方案，完成一個完整周期動作循環(huán)過程的自動控制。以棒料直徑的大小及棒料前進速度作為原始參數(shù)，分析從夾緊到小車回位的一整套切割機操作過程，完成系統(tǒng)的自動控制，最后實現(xiàn)PLC控制程序與觸摸屏控制相鏈接構(gòu)成人機交互界面，從而實現(xiàn)信息的交換，并可構(gòu)成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。操作員可以通過監(jiān)控命令有關(guān)部分的運行狀態(tài)，可以根據(jù)不同直徑的大小及棒料前進速度，調(diào)整定時、定數(shù)等設(shè)定值。

小結(jié)。同步切割機在整個鑄鐵水平連鑄生產(chǎn)線上是主要的生產(chǎn)設(shè)備，也是提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備，企業(yè)對其進行技術(shù)改造，可以擴大產(chǎn)能，降低成本，增加經(jīng)濟效益。

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