基于S7-1200PLC 校直機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丁蘇赤，楊前坤

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

0 引言

校直機(jī)是針對各種軸類零件在熱處理過程中或切削加工后產(chǎn)生彎曲變形進(jìn)行處理的關(guān)鍵設(shè)備，在機(jī)械制造業(yè)中被廣泛應(yīng)用的。國內(nèi)早期出現(xiàn)的校直機(jī)通常采用液壓缸驅(qū)動壓頭和手動控制模式，它在一定程度上滿足了當(dāng)時的軸類零件校直工藝要求。但這種壓力機(jī)也暴露出了人工成本高、勞動強(qiáng)度大、校直精度達(dá)不到所需的工藝要求以及生產(chǎn)效率低等缺陷，自動校直機(jī)的出現(xiàn)改善了這種狀況。目前，國產(chǎn)自動校直機(jī)自動控制系統(tǒng)常采用的硬件結(jié)構(gòu)有兩種:PLC+觸摸屏和工控機(jī)+PLC。前者的控制結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，但難以實(shí)現(xiàn)較多品種、較多測量通道和較復(fù)雜工藝的校直加工。后者常采用主從控制結(jié)構(gòu)。在這種系統(tǒng)中工控機(jī)(主機(jī))中常加裝數(shù)據(jù)采集卡完成多通道的高速數(shù)據(jù)采集，利用工控機(jī)強(qiáng)大的軟件平臺和存儲能力實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的校直決策，但這種控制系統(tǒng)較復(fù)雜，成本較高。因此，設(shè)計(jì)一種成本較低、工作穩(wěn)定可靠、符合校直機(jī)性能要求的控制系統(tǒng)具有一定的實(shí)際意義。

本文在現(xiàn)有自動校直機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了一種基于S7-1200PLC 的主從控制方案。這種方案中的PLC(從機(jī))采用帶有集成運(yùn)動控制功能的Siemens S7-1200 系列PLC，在保證校直工藝要求的前提下，舍棄了大多數(shù)自動校直機(jī)中對電機(jī)運(yùn)動控制所使用的運(yùn)動控制卡或PLC 運(yùn)動控制模塊;工控機(jī)(主機(jī))為一臺裝有數(shù)據(jù)采集卡的工業(yè)PC 機(jī)，同時主機(jī)帶有access數(shù)據(jù)庫可以批量存儲不同工件的校直參數(shù)。

1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 自動校直機(jī)對控制系統(tǒng)的基本要求

(1)能夠?qū)崿F(xiàn)自動校直機(jī)的工作臺、夾頭位置控制;

(2)能夠快速采集多個通道的位移傳感器位移值，并使每一通道的位移數(shù)組的索引與該數(shù)據(jù)的角度值存在對應(yīng)關(guān)系。

(3)根據(jù)校直工藝要求，可以實(shí)現(xiàn)校直時升起任意砧座。

(4)能夠計(jì)算出工件的校直位置和校直量，在校直過程中可以檢測壓頭的位移值，并可根據(jù)壓頭的位移對壓頭的速度進(jìn)行控制。

(5)針對不同的產(chǎn)品，可以調(diào)整測量架位置和溢流閥壓力值。

1.2 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

為滿足控制系統(tǒng)的要求，該自動校直機(jī)控制系統(tǒng)的硬件主要由S7-1200 系列PLC、工作臺和夾頭伺服驅(qū)動系統(tǒng)、壓頭液壓驅(qū)動系統(tǒng)、工業(yè)PC 機(jī)及數(shù)據(jù)采集板卡及相關(guān)電路等構(gòu)成［1］，如圖1 所示。作為系統(tǒng)從站的S7-1200 系列PLC 主要進(jìn)行對工作臺、夾頭、砧座、壓頭等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制以及對位移、壓力傳感器檢測值的處理等。作為系統(tǒng)主站的工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡主要承擔(dān)工件校直參數(shù)的存儲、多通道傳感器的數(shù)據(jù)采集以及校直工藝參數(shù)的處理等。

圖1 校直機(jī)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

工件夾頭和工作臺伺服電機(jī)的控制:通常自動校直機(jī)上檢測工件的轉(zhuǎn)動和工作臺的位置調(diào)整采用位置控制方式。在該控制系統(tǒng)中，使用了SIEMENS S7-1200 系列PLC 的CPU 1214 DC/DC/DC 單元。該單元上的Q0.O、Q0.1 與Q0.2 、Q0.3 可以分別提供兩組脈沖和脈沖方向信號，并可以定義兩個開關(guān)量輸出端子作為伺服電機(jī)使能(SRV_Enable)信號。這兩組信號可以滿足兩臺伺服電機(jī)的位置控制。伺服電機(jī)驅(qū)動器上的其他開關(guān)量輸入/輸出信號可以直接與PLC 的開關(guān)量輸出/輸出端子連接。

壓頭的校直過程控制:該系統(tǒng)中的校直壓頭采用一套獨(dú)立的液壓驅(qū)動系統(tǒng)。壓頭的校直過程采用閉環(huán)速度控制模式。該系統(tǒng)中使用了一塊PLC 模擬量輸入/輸出單元。使用該單元的模擬量輸出控制比例流量閥的開度，對壓頭的速度進(jìn)行調(diào)整;使用該模塊的模擬量輸入采集壓頭位移傳感器的位移信號。在校直過程中，PLC 中的壓頭控制程序可以根據(jù)壓頭的當(dāng)前位置對壓頭的速度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)壓頭校直過程控制。

多位移傳感器的數(shù)據(jù)采集:在系統(tǒng)采用NI 公司的PCI－6221 數(shù)據(jù)采集卡和RDP 公司的DCTH 系列位移傳感器，使用安裝在從動端夾緊部件上的編碼器的脈沖輸出信號作為外部時鐘觸發(fā)信號進(jìn)行各截面的跳動量數(shù)據(jù)采集。這種測量方案可以完成多通道數(shù)據(jù)同時采集，各檢測通道跳動量數(shù)組的索引值與其角度值相對應(yīng)。

1.3 控制系統(tǒng)硬件的特點(diǎn)

本文提出用PLC 直接控制電機(jī)，并用PC 機(jī)來監(jiān)測和處理數(shù)據(jù)。這種主從方式具有以下優(yōu)點(diǎn):①成本低:節(jié)約控制電機(jī)運(yùn)動的附加硬件模塊。②良好的通訊:主從機(jī)之間采用網(wǎng)線連接，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)100Mbps。③精度較高:采用了精度較高的數(shù)據(jù)采集卡，工件運(yùn)動采用伺服控制系統(tǒng)，壓頭速度通過PID 調(diào)節(jié)。

2 控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

這種采用主從結(jié)構(gòu)的校直機(jī)的軟件架構(gòu)主要以下幾部分組成:控制校直機(jī)各機(jī)構(gòu)動作的從站(PLC)程序;校直決策、數(shù)據(jù)保存、系統(tǒng)監(jiān)控和與PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的主站(PC)程序。

2.1 自動校直機(jī)的控制流程

圖2 所示為校直機(jī)工藝流程圖，具體表述如下，其中(3)到(7)步包含了各部件運(yùn)動過程中的故障處理:

(1)系統(tǒng)上電初始化，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送產(chǎn)品參數(shù)，選擇工作模式。

(2)若選擇手動模式，根據(jù)主機(jī)命令從機(jī)執(zhí)行控制動作，完成后返回。

(3)若選擇自動模式，電機(jī)、氣缸等進(jìn)行原位檢測，不在原位的進(jìn)行回原位操作。

(4)回原位后，裝載工件并啟動左右氣缸夾緊。

(5)夾緊完成，對工件校直參數(shù)進(jìn)行檢測。

(6)檢測完成后，主機(jī)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)利用專門的校直工藝處理程序，將處理結(jié)果(是否需要校直，工件校直位置、校直量等)通過以太網(wǎng)發(fā)送給從機(jī)。

(7)若無需校直或校直完成，壓頭、工作臺等回原位，卸載工件，返回到步驟(4)進(jìn)行下一個工件的裝載。若需校直，進(jìn)行校直處理。

(8)一次校直完成，返回步驟(5)再對工件進(jìn)行校直參數(shù)檢測，判斷是否需要再校直。

圖2 校直機(jī)工藝流程

對伺服電機(jī)的運(yùn)動控制采用的是運(yùn)動控制指令，這些指令是隸屬于 PLCopen 指令集。S7-1200PLC 支持對步進(jìn)電機(jī)和伺服驅(qū)動器進(jìn)行開環(huán)速度控制和位置控制［2-3］。通過組態(tài)軸工藝對象和使用通用的PLCopen 運(yùn)行功能塊(包含在工程組態(tài)系統(tǒng)SIMATIC STEP 7 Basic 中)即可實(shí)現(xiàn)。所謂軸工藝對象是指用戶程序與驅(qū)動器的接口，本系統(tǒng)的軸工藝對象有兩個，即S7-1200 PLC 程序與伺服驅(qū)動器1、伺服驅(qū)動器2 的接口。

2.2 軟件框架

圖3 所示為主從機(jī)系統(tǒng)程序的功能塊架構(gòu)。從機(jī)S7-1200PLC 程序有五部分組成。系統(tǒng)初始化程序:包括初次掃描、產(chǎn)品型號選擇、工作模式選擇、運(yùn)動機(jī)構(gòu)原位檢測等。手動調(diào)試程序:包括伺服電機(jī)、氣缸、砧座等的運(yùn)動控制。故障處理程序:包括伺服電機(jī)、氣缸、壓頭、砧座等的運(yùn)動故障處理。校直檢測程序:包括裝卸工件、參數(shù)檢測以及等待校直決策等。校直程序:對需要校直的工件進(jìn)行校直處理。

圖3 主從機(jī)軟件基本功能

主機(jī)客戶端程序是用C#語言開發(fā)出兩個人機(jī)界面［4-5］。手動調(diào)試界面:包含啟動、停止、前進(jìn)、后退等按鈕，分別控制伺服電機(jī)的各個運(yùn)動狀態(tài)以及顯示測量架位置、溢流閥的壓力值等。自動校直界面:包含檢測傳感器控件、校直工藝處理框、運(yùn)行狀態(tài)指示燈等。

2.3 系統(tǒng)中主站與從站的通訊

目前大多數(shù)校直機(jī)的主機(jī)采用的是基于串口通信的觸摸屏。為了提高通訊性能，本系統(tǒng)利用Siemens 公司提供的Siematic Net 和S7-1200 標(biāo)配Profinet 端口，實(shí)現(xiàn)了主從站之間的工業(yè)以太網(wǎng)通信［6-8］。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

本文提出的基于S7-1200PLC 的校直機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)用于實(shí)際產(chǎn)品(如圖4)。

圖4 校直機(jī)現(xiàn)場調(diào)試圖

從現(xiàn)場的調(diào)試結(jié)果來看，這種控制系統(tǒng)符合自動校直機(jī)的性能要求，該校直機(jī)的部分參數(shù)見表1。

表1 校直機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)結(jié)合了目前校直機(jī)行業(yè)的實(shí)際情況。為了降低成本且滿足校直機(jī)性能要求，本文從硬件結(jié)構(gòu)，軟件架構(gòu)等方面做了深入分析。這種設(shè)計(jì)在實(shí)際的校直機(jī)研發(fā)中得到很好驗(yàn)證，符合針對小批量、多品種工件的校直機(jī)性能要求，因此本文提出的

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對校直機(jī)行業(yè)具有一定的實(shí)際意義。

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