【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)的控制任務(wù)及要求 本系統(tǒng)的主要控制對象有： 6 臺伺服電動機 （ 送片電機、成型電機 2 臺 、沖剪電機 2 臺 、堆疊電機 ） ， 1 臺三相異步電動機 （ 液壓泵電機 ） ， 8 個電磁閥（加熱箱驅(qū)動電磁閥、下閘電磁閥、拉伸 下限位 電磁閥、 拉伸上限位電磁閥、拉伸復(fù)位電磁閥、 夾腳電磁閥、真空電磁閥、潤滑電磁閥等） ， 2 個氣缸（加熱箱動作氣缸、下閘氣缸）， 1 個液壓缸 （ 拉伸液壓缸 ） 。 對各種驅(qū)動部件的控制要求如下： (1)各種電機。保證轉(zhuǎn)向和定位及速度控制準(zhǔn)確，尤其是對送片、成型開合模等動作要求精準(zhǔn)地控制電機轉(zhuǎn)數(shù)，保持送片長度，開合模行程的恒定。 (2)電磁閥。要求適時地控制下閘、拉伸等動作，做到動作快速到位。 (3)氣缸。確保各動作正確運行，按控制要求實現(xiàn)各種功能。 系統(tǒng)的 總體方案 整個控制系統(tǒng) 由 PLC、觸摸屏及各功能模塊構(gòu)成。其中， PLC 作為控制核心，輸入系統(tǒng)的所有信號都要經(jīng)過 PLC 進行處理，進而控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)動6 作，實現(xiàn)吸塑機的工作流程。而觸摸屏 則為系統(tǒng)的人機交互提供 友好的界面，系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)都可以存放在 PLC 的內(nèi)部 RAM 中，由 PLC 的串行口與觸摸屏相連，通過觸摸屏對各個參數(shù)進行讀取、修改和設(shè)定。總的來說，本設(shè)計都是圍繞上述幾大子模塊展開的，各模塊的功能目標(biāo)如下： (1)PLC 順序控制系統(tǒng)。要求實現(xiàn)真空吸塑機各種機構(gòu)的運動、延時與協(xié)調(diào) 動作，保證吸塑機可靠穩(wěn)定地工作。 (2)人機界面。為控制系統(tǒng)和外界交換信息提供通道，主要包括觸摸屏界面的開發(fā)和各種接口方案的實現(xiàn)。 各功能模塊的詳細設(shè)計見后續(xù)章節(jié)的詳細論述。 威 綸 觸 摸 屏 S 7 2 0 0 P L C C P U 2 2 6工作模式選擇開關(guān)停止按鈕拉伸停止接近開關(guān)拉伸上限接近開關(guān)拉伸下限接近開關(guān)光電開關(guān)送料報警送片報警成型上模報警成型下模報警油泵報警沖剪上模報警沖剪下模報警堆疊報警撥臂報警輸送報警收料報警送片速度堆疊升降速度送片方向堆疊方向油泵電機報警指示燈加熱箱電磁閥下閘電磁閥拉伸電磁閥1 1拉伸電磁閥1 2拉伸電磁閥2 1夾腳電磁閥真空電磁閥潤滑電磁閥備用備用E M 2 5 3 1 E M 2 5 3 2 E M 2 5 3 3 E M 2 5 3 4成 型 上模 伺 服成 型 下模 伺 服沖 剪 上模 伺 服沖 剪 下模 伺 服圖 21 ZXSJ 型全自動真空吸塑機控制系統(tǒng)框架圖 由于目前用于工業(yè) 控制的 PLC 種類繁多，性能各異。在本項目實踐中如何進行 系統(tǒng)的選型，如何 設(shè)計 系統(tǒng)硬件 ， 選擇機型時 應(yīng)考慮哪些性能指標(biāo) ， 怎樣選擇 各種擴展模塊 ， 如何進行供電設(shè)計等 都是要考慮到的問題。 硬件系統(tǒng)總體 結(jié)構(gòu) 設(shè)計 控制系統(tǒng)的選型 一般來說，由 PLC 構(gòu)成的控制系統(tǒng)可分為單機控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)以及遠程 I/O 控制系統(tǒng)四種類 型，在實際的設(shè)計中需要根據(jù)對控制對象的實際要求來確定系統(tǒng)的類型： [3] 7 (1)單機控制系統(tǒng) 。單機控制系統(tǒng)的被控對象往往是一臺機器或一條生產(chǎn)流水線，其控制是用一臺 PLC 實現(xiàn)被控對象控制的，這種系統(tǒng)對 PLC 的輸入輸出點數(shù)要求較少，對存儲器的容量要求較小，對控制系統(tǒng)的構(gòu)成簡單明了。此種系統(tǒng)在選用 PLC 時，任何類型的 PLC 都可以選用。 (2)集中控制系統(tǒng)。集中被控系統(tǒng)的被控對象通常是由數(shù)臺機器或數(shù)條流水線構(gòu)成，這種系統(tǒng)是用一臺 PLC 控制多臺被控設(shè)備，每個被控對象與 PLC 的指定 I/O 相連接。由于采用一臺 PLC 控制，因此各被控對象之間的數(shù)據(jù)及狀態(tài)不需要另設(shè)專門的通信線路。 (3)分布式控制系統(tǒng)。分布式控制系 統(tǒng)的被控對象較多，他 們分布在一個較大區(qū)域內(nèi)，相互之間的距離較遠，而且各被控對象之間要求經(jīng)常地交換數(shù)據(jù)和信息。這種系統(tǒng)的控制由若干個相互之間具有通信聯(lián)網(wǎng)功能的 PLC 構(gòu)成，系統(tǒng)的上位機可以采用 PLC，也可以采用計算機。 (4)遠程 I/O 控制系統(tǒng)。遠程 I/O 控制系統(tǒng)實際上是集中式控制系統(tǒng)的特殊情況。遠程 I/O 控制系統(tǒng)就是 I/O 模塊不與 PLC 放在一起，而是遠距離地放在被控設(shè)備附近。 在本控制系統(tǒng)中， 被控對象是一條真空吸塑機， 主要實現(xiàn)其各機構(gòu)動作的順序控制 ，對 PLC 的輸入輸出點要求相對較少，對存儲器的容量要求不高，系 統(tǒng)的構(gòu)成單一，因此可以選用單機控制系統(tǒng)方案，而在 PLC 的選用放在仍需要進一步根據(jù)實際需要來確定。 系統(tǒng)的運行方式 選擇 PLC 控制系統(tǒng)的運行方式有三種類型，及手動、半自動和自動。 [3] (1)手動運行方式。手動運行方式不是控制系統(tǒng)的主要運行方式，而是用于設(shè)備調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)整和特殊情況下的運行方式，因此它是自動運行方式的輔助方式。 (2)半自動運行方式。這種運行方式的特點是系統(tǒng)在啟動和運行過程中的某些步驟需要人工干預(yù)才能進行下去。半自動方式多用于檢測手段不完善，需要人工干涉的場合。 (3)自動運行方式。 自動運行方式是控制系統(tǒng)的主要運行方式。這種方式的主要特點是系統(tǒng)工作過程中系統(tǒng)按給定的程序自動完成被控對象的動作，不需要人工干預(yù)。 在全自動真空吸塑機的實際運行過程中，一般不需要人工干預(yù)，所有的工作過程均可以按系統(tǒng) 設(shè)定的 程序自動完成， 但在日常維護 、 加工新產(chǎn)品 或出現(xiàn)一些異常情況 時，需要進行設(shè)備調(diào)試、調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)和工藝參數(shù)等需要通過手動控制8 來完成。 因此，本系統(tǒng)選用的運行方式包括自動運行方式和手動方式（輔助方式）。另外，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，每臺機器設(shè)備都需要設(shè)計急停保護。在自動真空吸塑機正常 情況下以自動循環(huán)的方式運行 ，工作結(jié)束后正常停機。若在運行過程中需要調(diào)整某些控制參數(shù)或工藝參數(shù)可暫停程序的執(zhí)行，待調(diào)整完畢可繼續(xù)執(zhí)行下去。 另外，在遇到設(shè)備某個部分出現(xiàn)緊急的異常情況時，可選擇 觸摸屏上的按鈕緊急停機或者 通過硬件 直接切斷電源 ，使所有設(shè)備停機，防止機器被損壞。 系統(tǒng)硬件設(shè)計依據(jù) 在實際的工程應(yīng)用中， 系統(tǒng)硬件設(shè)計必須根據(jù)控制對象而定，需要考慮的因素包括控制對象的工藝要求、控制功能、設(shè)備狀況及 I/O 點數(shù)，從而構(gòu)成比較先進完善的控制系統(tǒng)。 [3] 真空吸塑機工藝要求 真空吸塑機的工藝要求是本控制系統(tǒng)設(shè)計的主要依據(jù)， 也 是 本 控制系統(tǒng) 設(shè)計的要實現(xiàn)的最終目的，因此在進行硬件系統(tǒng)的詳細設(shè)計之前必須對真空吸塑機的工藝流程有深入的 研究 。下面是對 ZXSJ 型真空吸塑機工藝要求和控制流程的總結(jié)分析： ZXSJ 型全自動真空吸塑機 的工作過程包括送料、送片、加熱、加熱箱進退、下閘、成型、拉伸、 夾腳、 開合模、沖剪、堆疊、輸送、收料等，此外， 還有一些機構(gòu)和電機可實現(xiàn)整機系統(tǒng)的調(diào)整 （電氣原理圖見附錄 一 ）。 從吸塑機的制造成本、工作效率、產(chǎn)品質(zhì)量、控制的實際需要來看，只需要將大部分的核心功能納入 PLC 控制即可，包括送片、加熱箱進退驅(qū)動、下閘、成型、拉伸、 夾腳、開合模、沖剪、堆疊及電機保護。其他的功能如送料、輸送、收料等可以由繼電器 — 接觸器控制電路來控制。由此構(gòu)成整個全自動的真空吸塑機控制系統(tǒng)， 即可實現(xiàn)所要求的控制目標(biāo)，又不影響生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量及系統(tǒng)的柔性，還可以盡量縮減系統(tǒng)的開發(fā)成本。 下面就 ZXSJ 型全自動真空吸塑機的每個動作的控制要求做詳細的分析： (1) 開機預(yù)熱。 在系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)前需要先啟動加熱系統(tǒng)，把加熱箱的溫度提升到設(shè)定值并保持恒溫，使塑料片材通過加熱箱時可以在預(yù)定的時間內(nèi)加熱 變軟。 (2) 送料。 送料部件的功能是將卷好掛在滾筒上的抽出來 以便送料鏈軌順利的夾住片材往前送。 送料電機 可 通過上下兩個接近開關(guān) 、 接觸器來 實現(xiàn)自動 起動或停機。 (3) 送片。 送片 部件的功能則是將片材按照設(shè)定的速度、長度等參數(shù) 送給 加9 熱箱、成型模具、沖剪部件 以完成各個加工工序。 送片電機為安川伺服電機，其速度和方向均需設(shè)定參數(shù)，并通過 PLC 來控制啟停。 同時，送片是整個自動循環(huán)工作過程的第一個動作。 (4) 加熱箱進退。 在吸塑機進入工作狀態(tài)前，需要把加熱箱移動至鏈軌上方加熱片材，而加熱箱的進退是由電磁閥控制氣缸來驅(qū)動的。 (5) 下閘。 當(dāng)送片動作到位后，下閘電磁閥動作，是下閘上升壓緊片材，以便其他機構(gòu)進行成型、沖剪等 動作。下閘的動作需要配合計時器設(shè)定的時間差來跟其他動作進行協(xié)調(diào)，在系統(tǒng)進入下次循環(huán)前復(fù)位。 (6) 開合模。 開合模動作由上下模兩臺伺服電機驅(qū)動 ，同樣需要控制伺服電機的運動速度、方向及 動作時間。 確保在開模后已經(jīng)完成拉伸、成型、夾腳等動作。 (7) 拉伸。 合模之后進行的下一個工序是拉伸。 拉伸這個工序由一個簡單的液壓系統(tǒng)來完成，使加熱變軟的片材迅速形成一個較為規(guī)則的形狀，便于真空成型。 液壓系統(tǒng)包括一臺三相異步電動機、三個接近開關(guān) 、接通延時繼電器等 。 (8) 成型。 片材的成型是通過模具內(nèi)抽真空使軟化的片材吸附在模具上形成期望的規(guī)則形狀。在 本系統(tǒng)中，通過電磁閥 啟停真空泵。 (9) 夾腳 。 夾腳這個動作視產(chǎn)品的加工需要而定， 同樣是通過電磁閥來制動，作為一個 真空成型的 輔助動作，有利于產(chǎn)品形成規(guī)則的形狀。 (10)沖剪。 開模以后片材被加工成期望的形狀，通過沖剪這一工序把產(chǎn)品從片材上剪斷， 進而進行堆疊打包。 同樣，沖剪動作也是由兩臺伺服電機，需要在程序中設(shè)定電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、及動作時間。 (11)堆疊。 堆疊動作由伺服電機配合光電開關(guān)、計數(shù)器完成 。 堆疊升降臺把沖剪出來的產(chǎn)品按設(shè)定的個數(shù)堆疊起來，方便打包，在計數(shù)器達到設(shè)定計數(shù)值前，升降臺按照程序設(shè)置的行程動作；達到 計數(shù)值時， 升降臺按另外設(shè)定的形成動作，把堆疊好的產(chǎn)品推出。 (12)撥臂動作 。撥臂機構(gòu)的功能是把堆疊好的產(chǎn)品送到輸送鏈上。撥臂電機單相異步電動機，其啟停由接近開關(guān)來控制，當(dāng)堆疊升降臺推出產(chǎn)品時， 觸發(fā)接近開關(guān)啟動撥臂電機，而電機的反轉(zhuǎn)和復(fù)位由另外的接近開關(guān)來控制。 (13)輸送。 輸送是通過鏈軌機構(gòu)來完成，輸送電機為單相異步電動機，由接近開關(guān)來控制其動作與否。 (14)收料。 收料動作的控制與送料部件相似，也是通過接近開關(guān)來判斷是否需要啟停電機，把廢料收卷起來。 收料電機為三相異步電動機。 上述為 ZXSJ 型全自動真 空吸塑機的工作流程。 其中，在下閘壓緊片材后，系統(tǒng)同時進行 成型、沖剪、堆疊等 動作，在這一系列動作完成之后下閘復(fù)位，進入下一個循環(huán)。 此外還有其他機構(gòu)實現(xiàn)輔助功能，如在換不同材質(zhì)的片材進行加10 工前，需要調(diào)整其片材寬度，片材夾緊氣缸的行程等 ，可通過硬件來實現(xiàn)。 系統(tǒng)的控制流程圖如 31 所示。 電 源 啟 動熱 爐加 熱 箱 前 進 到 位手 動 / 自 動復(fù) 位送 片退 片下 閘合 模油 泵拉 伸 下拉 伸 上拉 伸 復(fù) 位成 型夾 腳開 模沖 剪堆 疊下 閘 下 降送 片到 位下 閘 上 升到 位沖 剪 上 模 下 降 沖 剪 下 模 上 升到 位到 位上 模 復(fù) 位 下 模 復(fù) 位堆 疊 升 降 臺 上 升 計 數(shù)頂 出 制 品升 降 臺 復(fù) 位下 模 上 升 上 模 下 降到 位延 時上 模 復(fù) 位拉 伸到 位成 型下 模 復(fù) 位 拉 伸 復(fù) 位延 時夾 腳計 數(shù) 到 設(shè) 定 值延 時圖 31 系統(tǒng)控制流程圖 設(shè)備狀況 在控制系統(tǒng)中， 設(shè)備狀況是具體的控制對象應(yīng)滿足整個工藝要求。 [3]掌握設(shè)備狀況對控制系統(tǒng)的設(shè)計具有重要意義。下面對 ZXSJ 型全自 動真空吸塑機的設(shè)備狀況作簡要分析： 在本控制系統(tǒng)中 ，送片、開合模、沖剪及堆疊等工 序均由 伺服驅(qū)動完 成； 加11 熱箱驅(qū)動、下閘、由氣缸驅(qū)動完成；拉伸由液壓驅(qū)動完成；真空成型由電磁閥驅(qū)動真空泵完成；夾腳動作也是由氣缸驅(qū)動完成 。上述氣缸的動作均由相應(yīng)的電磁閥來控制 ；拉伸行程由接近開關(guān)的安裝位置決定； 而各伺服電機均按位控控制模式工作， 電機的保護 可 在伺服系統(tǒng)及控制程序中設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)和命令 。 此外，整個控制系統(tǒng)的保護在硬件及軟件上均 設(shè)計了 相應(yīng)的保護功能。 控制功能 控制系統(tǒng)所應(yīng)實現(xiàn)的控制功能是由真空吸塑機的工藝要求和 設(shè)備狀況提出來的。 本 設(shè)計主要依據(jù)控制功能來進行系統(tǒng)的類型、規(guī)模、機型、模塊、軟件等詳細設(shè)計。 根據(jù)上一節(jié)可知 ZXSJ 型 全自動 真空吸塑機的 系統(tǒng)類型和運行方式。在系統(tǒng)的實際運行中我們所要實現(xiàn)的功能目標(biāo)主要有兩個方面： (1)手動操作。作為自動運行的輔助方式，手動操作包含了系統(tǒng)循環(huán)過程的