淺談PLC在鋼帶沖裁機(jī)電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)鋼帶沖裁的特點(diǎn)，從方案設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)硬件選型和控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)等方面，研究了西門子PLC在鋼帶沖裁機(jī)電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。在鋼帶沖裁機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，首先對(duì)需生產(chǎn)的鋼帶工藝要求進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)動(dòng)作流程;再根據(jù)自動(dòng)沖裁機(jī)的特點(diǎn)和功能需求，確定系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，即使用西門子S7-200 CPU226 PLC作為核心控制器，使用氣缸作為執(zhí)行元件，使用磁性開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)作為到位信號(hào)傳感器，使機(jī)器的硬件系統(tǒng)體積小，控制原理簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定性高，成本低廉，維修便利;最后在所選用硬件的基礎(chǔ)上編寫控制梯形圖，從而實(shí)現(xiàn)鋼帶的自動(dòng)沖裁生產(chǎn)，減少了人工成本，提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)沖床;PLC;氣動(dòng)

0 ? ?引言

沖裁是指利用沖模使部分材料或工（序）件與另一部分材料、工（序）件或廢料分離的一種沖壓工序。沖裁是包括剪切、落料、沖孔、沖缺、沖槽、剖切、鑿切、切邊、切舌、切開(kāi)、整修等分離工序的總稱。隨著沖裁技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的行業(yè)離不開(kāi)沖裁技術(shù)，尤其是電器、飛機(jī)、汽車、船舶、電動(dòng)機(jī)、儀表和日用化工等行業(yè)。電氣自動(dòng)化控制技術(shù)自應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域以來(lái)，發(fā)展迅速，已經(jīng)成為很多行業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備技術(shù)，為提升工業(yè)生產(chǎn)力提供了有力保障。本文在PLC相關(guān)理論基礎(chǔ)上，結(jié)合具體案例，探討PLC在鋼帶沖裁機(jī)電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 ? ?設(shè)備概況

電除塵器放電鋼帶自動(dòng)沖裁機(jī)是利用兩臺(tái)普通沖床和一套自動(dòng)送料設(shè)備組合而成的專用自動(dòng)沖裁設(shè)備，整機(jī)有1臺(tái)PLC作為控制中樞，5個(gè)氣缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，11個(gè)傳感器用于反饋機(jī)器信號(hào)。

2 ? ?方案設(shè)計(jì)

2.1 ? ?自動(dòng)鋼帶沖裁機(jī)功能概述

自動(dòng)鋼帶沖裁機(jī)需加工的鋼帶為電子除塵器的放電鋼帶，如圖1所示，鋼帶由兩側(cè)50 cm的固定安裝區(qū)域加上中間50 cm整倍數(shù)的放電齒條區(qū)域組成，不同大小的除塵器所需的鋼帶長(zhǎng)度不一樣，但是固定安裝區(qū)域和放電齒條區(qū)域都為50 cm的整數(shù)倍。因?yàn)槊看嗡土暇嚯x固定，所以送料裝置選擇行程固定為50 cm的氣缸，且只需在PLC程序上調(diào)整進(jìn)給次數(shù)即可滿足不同長(zhǎng)度鋼帶的生產(chǎn)需求。

自動(dòng)鋼帶沖裁機(jī)的送料裝置由三個(gè)氣缸控制兩個(gè)夾板組成，使用了兩臺(tái)普通沖床配合兩套不同的模具，一套模具用于沖裁出齒條，另一套模具用于裁斷鋼帶和沖裁定位孔。啟動(dòng)沖壓的腳踩開(kāi)關(guān)使用普通的雙作用氣缸替代，再用PLC控制這些氣缸，實(shí)現(xiàn)沖壓自動(dòng)化。自動(dòng)鋼帶沖裁機(jī)示意圖如圖2所示。

2.2 ? ?自動(dòng)鋼帶沖裁機(jī)系統(tǒng)動(dòng)作流程

自動(dòng)鋼帶沖裁機(jī)的工作過(guò)程為：各機(jī)械部件復(fù)位→送料進(jìn)給→沖裁齒條→循環(huán)送料進(jìn)給沖裁齒條→空走兩次送料進(jìn)給→裁斷和沖裁定位孔沖壓→下一個(gè)鋼帶加工循環(huán)→直到加工完畢→停機(jī)。其中循環(huán)送料進(jìn)給沖裁齒條的次數(shù)為“（鋼帶長(zhǎng)度/50）-2”次，這減少的2次為固定安裝區(qū)域的位置。裁斷和沖裁定位孔沖壓每送料“鋼帶長(zhǎng)度/50”次，則動(dòng)作一次。

3 ? ?硬件選型

3.1 ? ?控制器PLC的選型

目前市場(chǎng)上PLC生產(chǎn)廠家有很多，比較著名的有西門子、三菱、歐姆龍、施耐德等，雖然不同廠商的PLC功能基本相同，但是各廠商有自己的編程指令和軟件，而同一廠商的PLC又有許多不同的系列、不同的型號(hào)，所使用的場(chǎng)合不盡相同，且價(jià)格差異大。所以選擇適合的PLC至關(guān)重要。

在PLC選型時(shí)，首先要根據(jù)使用功能進(jìn)行選型，例如西門子PLC S7-200系列最多有兩路脈沖輸出，因此所設(shè)計(jì)的機(jī)器如需兩路以上脈沖輸出，就不建議選用此機(jī)型。其次，要根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)估算進(jìn)行選型。I/O點(diǎn)數(shù)是PLC選型的一項(xiàng)重要指標(biāo)，PLC的價(jià)格直接和I/O口數(shù)量呈正相關(guān)，在滿足系統(tǒng)控制要求的基礎(chǔ)上多預(yù)留20%左右就可估算I/O口數(shù)量。PLC能否正確動(dòng)作直接關(guān)系到機(jī)器的穩(wěn)定性，選型時(shí)如果經(jīng)濟(jì)許可，盡量選用大品牌的PLC，且需在設(shè)計(jì)I/O口容量的基礎(chǔ)上有一些冗余，以便滿足后續(xù)的功能擴(kuò)展需求。

本系統(tǒng)選用的PLC型號(hào)為西門子S7-200 CPU226，該機(jī)型有集成24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn);可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn);13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間;6個(gè)獨(dú)立的30 kHz高速計(jì)數(shù)器，兩路獨(dú)立的20 kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。兩個(gè)RS485通信/編程口，具有PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由方式通信能力。該型號(hào)滿足本系統(tǒng)15輸入/8輸出要求，也便于以后新增人機(jī)界面或多機(jī)器通信功能。西門子S7-200系列為我國(guó)工廠大量使用的一種機(jī)型，運(yùn)行穩(wěn)定，功能齊全，價(jià)格較為便宜，適用于對(duì)控制要求較高的中小型機(jī)器。

3.2 ? ?氣缸選型

氣缸是指氣壓傳動(dòng)中將壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的氣動(dòng)執(zhí)行元件，氣缸使用安裝簡(jiǎn)單，可在惡劣條件下工作，維護(hù)簡(jiǎn)單，非常適合精度要求不太高的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。相比于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，無(wú)需絲桿，無(wú)需提供電源，節(jié)約了大量成本。本系統(tǒng)選用的氣缸均為雙作用氣缸，雙作用氣缸是一種從活塞兩側(cè)交替供氣，在一個(gè)或兩個(gè)方向輸出力的氣缸。

3.3 ? ?傳感器的選型

作為機(jī)器的“感覺(jué)器官”，傳感器的重要性毋庸置疑，選擇合適的傳感器能讓機(jī)器做出正確動(dòng)作，本系統(tǒng)中氣缸的動(dòng)作傳感器選用氣缸配套的磁性開(kāi)關(guān)，磁性開(kāi)關(guān)是通過(guò)檢測(cè)運(yùn)行過(guò)程中氣缸活塞上面的磁環(huán)，確定氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種傳感器，具有使用方便、可靠性好、壽命長(zhǎng)、反應(yīng)時(shí)間快、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

沖裁模具位置信號(hào)和有料檢測(cè)選用接近開(kāi)關(guān)。接近開(kāi)關(guān)是一種無(wú)需與運(yùn)動(dòng)部件接觸即可反饋信號(hào)的位置開(kāi)關(guān)，當(dāng)物體接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)面到動(dòng)作距離時(shí)，不需要機(jī)械接觸及施加任何壓力即可使開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而給PLC裝置提供控制指令，具有動(dòng)作可靠、性能穩(wěn)定、頻率響應(yīng)快、應(yīng)用壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

4 ? ?軟件設(shè)計(jì)

4.1 ? ?PLC的I/O地址分配

在編寫PLC程序前，先明確PLC的輸入/輸出點(diǎn)，輸入/輸出點(diǎn)又稱I/O地址，PLC通過(guò)輸入點(diǎn)接收開(kāi)關(guān)指令、各傳感器傳回的信號(hào)，通過(guò)輸出點(diǎn)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)作指令，本系統(tǒng)的PLC輸入/輸出點(diǎn)分配如表1所示。

4.2 ? ?PLC控制系統(tǒng)程序

編程語(yǔ)言使用梯形圖，梯形圖是PLC最通用的圖形編程語(yǔ)言，在電氣設(shè)計(jì)中得到廣泛使用。梯形圖語(yǔ)言沿襲了繼電器控制電路的形式，在常用的繼電器與接觸器邏輯控制基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了符號(hào)演變而來(lái)，具有形象、直觀、實(shí)用等特點(diǎn)。

4.2.1 ? ?復(fù)位網(wǎng)絡(luò)

復(fù)位網(wǎng)絡(luò)有開(kāi)機(jī)自動(dòng)復(fù)位網(wǎng)絡(luò)和手動(dòng)復(fù)位網(wǎng)絡(luò)。機(jī)器運(yùn)行中難免會(huì)出現(xiàn)故障，故障處理過(guò)后PLC內(nèi)部的繼電器、定時(shí)器等動(dòng)作狀態(tài)是未知的，如果不清除復(fù)位，貿(mào)然啟動(dòng)，容易造成誤動(dòng)作損壞機(jī)器，而如每次故障均需通過(guò)PLC通斷電復(fù)位，影響PLC壽命，因此設(shè)置手動(dòng)復(fù)位。

4.2.2 ? ?基礎(chǔ)動(dòng)作網(wǎng)絡(luò)

主程序使用梯形圖按動(dòng)作順序組成，如圖3所示，該梯形圖使用了定時(shí)器和傳感器信號(hào)共同控制的模式，I0.6為上一步動(dòng)作移動(dòng)夾板上移到位后傳感器的反饋信號(hào)，定時(shí)器T45為上一步動(dòng)作預(yù)計(jì)的動(dòng)作時(shí)間。為了防止因傳感器故障引起的誤動(dòng)作，用定時(shí)器T45的一個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)鎖定，保證只有在移動(dòng)夾板上移、送料氣缸歸位前這一狀態(tài)下接收的移動(dòng)夾板上到位信號(hào)，才能觸發(fā)送料氣缸歸位動(dòng)作。

4.2.3 ? ?齒條沖裁計(jì)數(shù)網(wǎng)絡(luò)

S7-200 PLC的計(jì)數(shù)器指令有3種，分別為增計(jì)數(shù)器指令（CTU）、減計(jì)數(shù)器指令（CTD）和增/減計(jì)數(shù)器指令（CTUD）。本系統(tǒng)使用的計(jì)數(shù)器均為增計(jì)數(shù)器，增計(jì)數(shù)器在每一個(gè)CU輸入的上升沿遞增計(jì)數(shù)，直至計(jì)數(shù)最大值。當(dāng)當(dāng)前計(jì)數(shù)數(shù)值大于或等于預(yù)置計(jì)數(shù)值（PV）時(shí)，該計(jì)數(shù)器被置位。每完成一次送料動(dòng)作繼電器M3.4置位、復(fù)位各一次，計(jì)數(shù)器C1計(jì)數(shù)數(shù)值增加1;當(dāng)送料次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，計(jì)數(shù)器置位，繼電器M7.0置位，此時(shí)齒條沖裁網(wǎng)絡(luò)上的繼電器M7.0常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，主程序循環(huán)將跳過(guò)齒條沖裁網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入空走步驟。齒條沖裁計(jì)數(shù)梯形圖如圖4所示。

5 ? ?結(jié)語(yǔ)

本文使用西門子PLC作為控制中樞，結(jié)合具體案例，探討了鋼帶沖裁機(jī)電氣控制系統(tǒng)中的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，為PLC在自動(dòng)沖裁系統(tǒng)和中小型電氣自動(dòng)化機(jī)器中的應(yīng)用提供了參考。

如今我國(guó)工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化程度和發(fā)達(dá)國(guó)家比起來(lái)還有很大差距，我國(guó)大量的機(jī)械設(shè)備仍使用傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)繼電器模式進(jìn)行控制。隨著我國(guó)人工成本的提高，如果工業(yè)生產(chǎn)繼續(xù)走人工生產(chǎn)、人工加工的道路，我國(guó)工業(yè)將會(huì)因低下的產(chǎn)能、高額的生產(chǎn)成本而發(fā)展停滯，所以我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品想要在國(guó)際上占有一席之地，就要積極發(fā)展工業(yè)自動(dòng)化，而PLC作為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中的核心，在未來(lái)也將擁有非常好的發(fā)展前景。

隨著PLC技術(shù)日趨成熟，PLC發(fā)展已趨向微型化、集成化、模塊化和智能化。相比于早期的PLC，新型的PLC功能更強(qiáng)，性能更穩(wěn)定，使用更簡(jiǎn)便。如今工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已是大勢(shì)所趨，新型的PLC控制器現(xiàn)在都已具有通信接口，未來(lái)必將在工業(yè)自動(dòng)化、汽車電子、交通運(yùn)輸、物聯(lián)網(wǎng)控制等領(lǐng)域得到愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。

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收稿日期：2020-01-16

作者簡(jiǎn)介：朱宇誠(chéng)（1990—），男，福建龍巖人，工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化。