【正文】 １ 1 課題的背景和意義 自動剪切機(jī)是一種精確控制板材加工尺寸，將大型板塊進(jìn)行自動剪切的設(shè)備。傳統(tǒng)自動剪切機(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)用越來越廣泛。用 PLC 替代繼電器設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)，具有操作簡單，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。基于以上 PLC 特點(diǎn)，本課題主要研究如何應(yīng)用S7200PLC 設(shè)計(jì)一個(gè)薄鋼板自動剪 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) 系統(tǒng)控制要求 本設(shè)計(jì)的薄鋼板自動剪切控制系統(tǒng)要達(dá)到以下控制要求： （ 1）控制系統(tǒng)分手動檔自動檔。手動檔時(shí)，用點(diǎn)動的方式，人工完成鋼板穿帶，零位校準(zhǔn)。自動檔時(shí)，系統(tǒng)自動完成薄鋼板剪切工作。 （ 2）通過撥碼盤設(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)自動停車并發(fā)出警告信號。 （ 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 1mm。 本設(shè) 計(jì)薄鋼板自動剪切控制系統(tǒng)設(shè)備組成如圖 。 1開卷機(jī)； 2矯正機(jī)； 3光電開關(guān)； 5限位光電開關(guān)； 6 光電編碼器； 7測量輥； 8動力輥； 9電機(jī)； 10沖頭； 11傳送帶； 12行程開關(guān)； 13光電開關(guān)； 14小車； 15套坑 圖 鋼板剪切結(jié)構(gòu)組成圖 在圖 ， PLC 完成開卷機(jī)和矯正機(jī)同步傳送，鋼板位 置檢測采樣，沖頭控制，傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)控制，小車位置檢測，小車裝載鋼板量檢測等工作。系統(tǒng)的基本工作原理是這樣的：一開始是手動控制，人工將鋼帶依次穿過矯正機(jī)、活套、測量輥和夾送輥一直 ２ 到?jīng)_頭，鋼帶運(yùn)動是通過點(diǎn)動矯正機(jī)和夾送輥（由動力輥和測量輥組成）進(jìn)行的。用撥碼盤設(shè)定剪切尺寸參數(shù)，鋼帶頭對好沖頭，光電編碼器處于零位，然后啟動自動控制按鍵，如果檢測到裝料小車到位，系統(tǒng)進(jìn)入自動控制狀態(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，則啟動沖壓系統(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 3光電開關(guān)檢測套坑前是否有鋼帶，若沒有系統(tǒng)停車；標(biāo)號 4和 5為一對限位光電檢測開關(guān)，檢測套坑鋼板量是否合適，若過少加快矯正機(jī)速度一段時(shí)間，或過多減慢矯正機(jī)速度一段時(shí)間；標(biāo)號 12為行程開關(guān)，若檢測到小車沒有到位，系統(tǒng)停車；標(biāo)號 13為光電開關(guān)，若檢測到小車鋼板已經(jīng)滿載，系統(tǒng)自動停車并發(fā)出指示信息，等待小車把鋼板運(yùn)到下一道工序回來，系統(tǒng)繼續(xù)開車。 本設(shè)計(jì)的薄鋼板自動剪切控制系統(tǒng)簡單分為控制部分，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 。 圖 系統(tǒng)方框圖 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 光電編碼器 光電編碼器原理 光電編碼器，是一種通過光電轉(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裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若 干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動機(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號；通過計(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，可增加一對發(fā)光與接收裝置使兩對發(fā)光與接收裝置錯開光柵節(jié)距的 1/4，兩組脈沖序列 A和 B 的相位相差 90度，如圖 [2]。正轉(zhuǎn)時(shí) A 相超前 B 相；反轉(zhuǎn)時(shí) B 相超前 A 相。 ３ (a)正轉(zhuǎn) （ b）反轉(zhuǎn) 圖 區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的 A、 B 兩組脈沖序列 光電編碼器的選擇和安裝 選擇合適的光電編碼器，對提高系統(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 E6B2CWZ6C 2021P/R（中空型，電源電壓 DC5~24V，消費(fèi)電力 80mA以下，輸出形式 NPN 開路輸出，最高響應(yīng)頻率 100KHZ，相位差 A 相、 B 相差 90 度），A 相、 B 相信號經(jīng)過脈沖處理電路后，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)輕輕推入被套軸，嚴(yán)禁用錘敲擊，以免損壞軸系和碼盤；長期使用時(shí)，請檢查板彈簧相對編碼器是否松動；固定編碼器的螺釘是否松動。 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 φ3；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，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關(guān)提供電源。后來考慮到 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，其它光電開關(guān)和傳感器也一樣單獨(dú)接電源。 撥碼盤的應(yīng)用 撥碼盤原理 在工業(yè)控制中， 輸人設(shè)備必不可少。對 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、光電及電磁開關(guān)等 .。由于撥碼盤具有接口簡單、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。 ４ BCD 撥碼盤是十進(jìn)制輸入， BCD 碼（即 2－ 10 十進(jìn)制）輸出，又稱為 8421 撥碼盤。如圖 所示，每片 BCD 撥碼開關(guān)可輸入 1 位 10 進(jìn)制數(shù)， N 片 BCD 撥碼開關(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 碼輸出信號線。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 2－ 10 進(jìn)制編碼關(guān)系。 (a) 撥碼盤外形 (b) 撥碼盤接線端子 圖 4 位 BCD 撥碼開關(guān)示意圖 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 連接非常簡單，只要將 4 根 BCD碼輸出信號線分別與 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 所示。 圖 一片撥碼盤與 PLC 連接 ５ 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 所示，最大設(shè)定數(shù)為 99999。 圖 多片撥碼盤與 PLC 連接 在圖 中， 3 片撥碼盤分為 A、 B、 C 三組，各組撥碼盤的每個(gè)開關(guān)輸出點(diǎn)都串入二級管，利用二極管單向?qū)щ姷奶匦詠斫油?、斷開撥碼開關(guān)選通組和非選通組的輸出信號。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 輸出高電平， 和 輸出低電平，則 A 組撥碼