【正文】 ......... 24 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 IV 返回零點(diǎn)子程序設(shè)計 ................................................................................................. 25 自動運(yùn)行子程序設(shè)計 ................................................................................................ 26 模擬運(yùn)行子程序設(shè)計 ................................................................................................ 27 手動運(yùn)行子程序設(shè)計 ................................................................................................ 28 結(jié)束語 ...................................................................................................................................... 30 致謝 .......................................................................................................................................... 31 參考 文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 32 附錄 A 英文原文 ..................................................................................................................... 33 附錄 B 中文翻譯 ..................................................................................................................... 41 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 1 緒論 本章首先對 PLC 的應(yīng)用現(xiàn)狀及定尺飛鋸的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了簡要的分析介紹 ，之后引出了本課題的研究意義，并對本文的主要 內(nèi)容做出簡要概括。 定長剪切系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 在線定長切割系統(tǒng)是冶金企業(yè)連續(xù)軋制各種型材、管材等生產(chǎn)線上不可缺少的重要設(shè)備，它必須保證在不影響軋制線正常生產(chǎn)的前提下，將連續(xù)延伸的型材、管材在線動態(tài)切割成要求的長度、并要保證一定的定長精度。 這一課題一直是冶金企業(yè)、機(jī)械工業(yè)及科研院所致力于解決的難題。于是出現(xiàn)了各種各樣的定長切割系統(tǒng)，在高頻制管行業(yè)通常稱為定尺飛鋸。飛鋸的同步驅(qū)動方式一般有氣動式、液動式、直流（交流）電機(jī)驅(qū)動方式等，控制方式一般有繼電一接觸器控制、單片機(jī)控制、 PLC 控制等。國 內(nèi)近年來比較主流的三種飛鋸控制方案性能對比見下表 所示。 表 飛鋸控制系統(tǒng)控制方案 [1] 控制 方案 精度 /mm 精度控 制因素 夾具夾 緊方式 鋼管表 面質(zhì)量 穩(wěn)定 性 抗干 擾 小車 驅(qū)動 應(yīng)用 繼電 器接 觸器 控制 177。 50 時間繼 電器靈 敏度 動夾緊 硬接線 不好 低 氣缸 驅(qū)動 逐步 淘汰 微機(jī) 控制 177。 5 測速輥 采樣周 期 靜夾緊 軟接線 較好 較高 電機(jī)驅(qū)動 齒輪傳動 廣泛 / 研發(fā)中 PLC 控制 177。 5 碼盤采 樣周期 動夾緊 軟接線 好 高 電機(jī)驅(qū)動 氣缸驅(qū)動 較廣泛 之前一直使用機(jī)械定尺剪切，精度控制相當(dāng)困難， 國內(nèi) 80 年代推出了微機(jī)控制定尺飛鋸，主要為 Z80 單板機(jī)控制的，這種飛鋸的鋸車采用低慣量的電機(jī)齒條傳動，有電氣調(diào)速系統(tǒng)。控制系統(tǒng)還是多年前得老產(chǎn)品。加裝了單板機(jī)系統(tǒng)的飛鋸比前代產(chǎn)品性能有了提高，但單板機(jī)電路元件分離整個控制系統(tǒng)的電路布線復(fù)雜，使用多年的飛鋸折本沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 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)常延誤用戶生成。 進(jìn)入 90 年代，國外最新的飛鋸產(chǎn)品在控制系統(tǒng)上已經(jīng)淘汰 Z80 單板機(jī)，采用高性能單片機(jī)或帶有 PID模塊的 PID控制系統(tǒng)，同時將電氣調(diào)速 系統(tǒng)的模擬調(diào)節(jié)器融入軟件，即飛鋸控制系統(tǒng)全數(shù)字化。國內(nèi)飛鋸控制系統(tǒng)正在逐步淘汰 Z80 單板機(jī)，向用高性能單片機(jī)為主的控制系統(tǒng)發(fā)展，控制系統(tǒng)部分采用 PID 調(diào)節(jié)，電氣調(diào)速系統(tǒng)仍以應(yīng)急按電路實現(xiàn)。 PLC 的概述 PLC 英文全稱 Programmable Logic Controller ,中文全稱為可編程邏輯控制器 ，是一種 以計算機(jī)為基礎(chǔ)的專用控制裝置，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用設(shè)計。它采用可編程的存儲器，存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)、和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式輸入輸出，控制各類機(jī)械和生產(chǎn) 過程?？删幊炭刂破骱退挠嘘P(guān)設(shè)備，應(yīng)按易于和工業(yè)控制系統(tǒng)連成一體，并易于擴(kuò)充功能的設(shè)計原則。 [2] 利用 PLC 作為該定尺剪切系統(tǒng)的控制器，是考慮到其控制的編程簡潔性，與伺服系統(tǒng)的易連接性，對外環(huán)境的 要求較低，并且價格低廉。 本課題的 來源及 意義 本課題根據(jù)實際生產(chǎn)的需要來進(jìn)行設(shè)計的。 目前在實際生產(chǎn)中使用的飛 鋸 機(jī) 種類繁多，由于它們各自具有自身的特點(diǎn)，所以應(yīng)用在各種不同的工作場合。在 連續(xù)式軋制生產(chǎn)作業(yè)線上，機(jī)械定尺的飛鋸機(jī)已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的精度要求，由于其生產(chǎn)效率過低，已經(jīng)在連續(xù)生產(chǎn)線上逐步退出， 而高精度，高效率的隨管剪切控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。 隨著現(xiàn)代話鋼材生產(chǎn)的品種不斷增加，要求軋鋼生產(chǎn)想高速、連續(xù)化生產(chǎn)方式發(fā)展的今天，飛鋸機(jī)的需求不斷增加，自然而然對飛鋸機(jī)的設(shè)計和制造質(zhì)量提出了更高的要求由于是在運(yùn)動中對軋件實施剪切， 本文中就介紹了基于 PLC 的鋼管隨管定尺剪切交流伺服控制系統(tǒng)， 僅從上面所述來看，對鋼管定長剪切的系統(tǒng)研究具有重要的理論意義及研究價值 。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 任務(wù)分析 通過對 課題的初步分析，在線切割要求鋼管連續(xù)行進(jìn)， 脈沖編碼器與測速輥同軸連接，測速輥每轉(zhuǎn)一周脈沖編碼器發(fā)出固定值得脈沖數(shù)，這一 脈沖信號經(jīng) PLC 采集并處理后作為求出鋼管的長度，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）達(dá)到啟動殘長時， PLC 送出給定信號，鋸車開始以等加速追蹤鋼管， 當(dāng)速度與管速相等時啟動落鋸 鋸切 抬鋸過程完成鋸切，然后返回原位等待下次啟動信號。 設(shè)定長度，鋸車加速度由人機(jī)交互系統(tǒng)觸摸屏輸入，經(jīng)過計算轉(zhuǎn)換存入 PLC 備用。 鋸車的工作循環(huán)是嚴(yán)格按照一定的時序動作的，如果有個一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯，都將導(dǎo)致工作的失?。狠p則節(jié)拍時空，重則打鋸片，因此，嚴(yán)格各時序的發(fā)生將是非常重要的。 總體的設(shè)計 方案 系統(tǒng)設(shè)計有兩個 脈沖編碼器，一個與鋼管測速輥同軸連接用于測量鋼管位置與管速，另一個測量鋸車的位置與速度 ，分別用高速脈沖計數(shù)器 HSC0 與 HSC1 將脈沖送入 PLC。鋸車的脈沖輸出 由 PLC 的 PTO（高速脈沖輸出）完成。 系統(tǒng)共設(shè)計了三種工作模式：自動運(yùn)行模式、模擬演示運(yùn)行模式、手動運(yùn)行模式。 自動運(yùn)行模式即為工業(yè)生產(chǎn)中的工作模式，有脈沖編碼器測得管速，由管速，加速度計算啟動殘長，當(dāng)實時長度等于啟動殘長時啟動鋸車追蹤管速，達(dá)到追蹤目的啟動執(zhí)行程序 ，鋸切完成時返回零點(diǎn)等待下次啟動。該模式的流程圖見圖 。 模擬演示模式用于檢測教學(xué)用，其管速非編碼器測得，而由外部輸入，然后又輸入的管速，加速度計算實時長度，直接啟動鋸車（因為不用計算啟動殘長），并進(jìn)行空鋸鋸切過程。 手動模式用于維修排障時用，點(diǎn)“手動正沖”時鋸車正向運(yùn)行并直接追蹤管速， 執(zhí)行鋸切直至減速至零。點(diǎn)“手動反沖”時鋸車反向回零位（調(diào)用返回子程序）。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 圖 自動模式流程圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 2 數(shù)學(xué)模型的建立 鋸切小車在一個鋸切過程中需要經(jīng)過等待、加速追蹤、同步運(yùn)行 并執(zhí)行、同步運(yùn)行、減速停止和反向回原點(diǎn)等運(yùn)動，如圖 所示。 等待段 OA，飛鋸車靜 止在零位，當(dāng)產(chǎn)品相對于鋸車的伸出量達(dá)到啟動值時， PLC發(fā)出脈沖指令，是飛鋸車以固定加速度啟動進(jìn)入追蹤段。 追蹤段 AB，鋸車以恒定加速度追蹤管速，直至達(dá)到管速進(jìn)入同步段。 同步段 BC，鋸車夾緊鋼管保證同步，并進(jìn)行執(zhí)行過程落鋸，鋸切，抬鋸。 正向減速段 CD， PLC 接到鋸切完成的信號后，通過發(fā)送減速脈沖，是鋸車減速停止，直至速度降至零。 反向運(yùn)行段 D~G，通過記錄上次鋸切過程的全程脈沖 進(jìn)行精確的三段管線設(shè)置使鋸車返回至零位準(zhǔn)備下次鋸切。 圖 鋸車的運(yùn)動過程 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 啟動殘長的計算 在這里，數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵所在 是啟動殘長的計算，也就是當(dāng)鋼管端面超過鋸車零位多少時啟動鋸車，當(dāng)鋸車按照既定的加速度追蹤至管速時，鋸車前的長度正好等于需要的設(shè)定長度 L0。 [3] 我們以 E 表示啟動殘長也就是當(dāng)飛鋸啟動是鋼管已經(jīng)移過鋸口得距離，在飛鋸啟動過程中，鋼管以速度 VG運(yùn)動，設(shè) B 為飛鋸啟動過程中（加速過程）鋼管運(yùn)動距離超過飛鋸運(yùn)動的距離的值， L0為設(shè)定長度，則當(dāng)飛鋸加速到與鋼管同步時，應(yīng)存在如下關(guān)系： L0=E+B （ ） 數(shù)學(xué)模型如圖 所示。 圖 數(shù)學(xué)模型示例 圖中粗虛線為啟動殘長 E，在這時啟動鋸車，鋸車行進(jìn) s2時，鋼管行進(jìn) vGt 達(dá)到下面的情況，此時鋸車前端的距離正好為設(shè)定長度 L0。 設(shè)要求的飛鋸的加速度為 a，則開始啟動并加速達(dá)到與鋼管速度相同是飛鋸運(yùn)行的距離為： s= 22Gva （ ） 如圖 所示飛鋸的距離相當(dāng)于圖中三角形的面積， 而鋼管則移動了如圖中矩形面積的距離，即 2s，所以上面提到的 B=2ss。所以要求 E= L0s 時，即當(dāng)鋼管超過鋸車 E= L0s 時鋸車以 a 加速追蹤鋼管，正好在鋼管超過鋸車 L0時加速至與鋼管同步，綜合式子、 得出： 20 2GVEL a?? （ ） 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 圖 鋼管移動距離與鋸車移動距離的關(guān)系 由于其中的各單位如下：設(shè)定長度 L0（ mm）、鋸車加速度 a（ m/s2） 、鋼管管速 VG（ mm/s）。將量綱單位統(tǒng)一后得到如下式子： 20 1 8 0 0 1 0 0 0GVEL a???? （ ） 實時長度的計算 在工作過程中需要將鋼管伸出鋸車長度實時的顯示在人機(jī)交互界面上 ，我在這里設(shè)定的是在抬鋸信號到位時將管脈沖內(nèi)數(shù)值清零，這是鋼管已經(jīng)伸出飛鋸鋸口 s 的長度了，這個 s 是表示 上次切割過程中鋸車移動的總距離，所以實時長度的表達(dá)公式如下式表示： L s m n? ? ? （ ） 其中： L：實時長度， mm； s：上次鋸切的全程長度， mm； m：鋸車的脈沖當(dāng)量， mm/脈沖； n：脈沖計數(shù)器的當(dāng)前值。 加速度的轉(zhuǎn)換計算 在 PLC 的 PTO 多段速度管線包絡(luò)表中需要的加速度形式為周期增量形式 ? ，單位應(yīng)該為 s? ，而通過人機(jī)界面輸入的加速度應(yīng)為物理加速度 a，單位為 mm/s2。需要將這沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 個加速度轉(zhuǎn)換成 s? 。我們進(jìn)行下面的運(yùn)算： 通過 測速程序測得的管速 VG（ m/s）除以 m（脈沖當(dāng)量）得到以頻率表示的速度（ HZ），取倒數(shù)得到周期表示的速度（ s）。通過 VG與加速度（ m/s2）計算得到加速過程的距離 如式子 所示 ： 將這個距離除以脈沖當(dāng)量 m,得到加速過程中的脈沖數(shù)量 m1，由上面的周期形式表示的管速除以這個 m1 得到的就是要求的脈沖增量形式的加速度。 這將在后面的計算程序中進(jìn) 行詳細(xì)計算。