plc及两轴控制器在替代美国海宝数控火焰切割系统的可行性实践

宁波职业技术学院成人与继续教育学院维修电工技师设计论文2013届注意本论文若在网络上转载不得对下面作者姓名进行更改，否则由此引起的版权及由专利权引起的法律纠纷由转载者承担全部责任，内容仅供读者参考论文题目PLC及两轴控制器在替代美国海宝数控火焰切割系统的可行性实践所在单位宁波远成设备制造有限公司姓名郭成志指导教师赵建国职称或等级高级技师完成日期2013年8月1PLC及两轴控制器在替代美国海宝数控火焰切割系统的可行性实践郭成志（宁波远成设备制造有限公司）2013年8月摘要长期以来，国内数控火焰切割领域美国海宝EDGE控制系统在加工制造行业一直处于霸主地位，在市场中也占有很大的份额。究其原因，主要是因为EDGE数控火焰切割系统其控制软件基于WINDOWSXP系统，操作方便，另一方面其不凡的稳定性也成为火焰切割行业的佼佼者。但是，这套系统价格昂贵高达7万元一套我厂现在有一台采用EDGE控制系统的火焰切割机，由于使用年月较长，EDGE控制系统性能也飞速下降，而且由于，原设电磁阀马达等控制元件，使用的是PCB线路板，由于线路板工艺比较差，期间多次出现鼠线氧化断路故障，严重影响了生产效率为此，既经济又可靠的更新该台设备成为当下首要任务本设计采用香港固高GT200运动控制器，结合PLC和方菱控制软件，能够出色的满足数控火焰切割工艺，由于PLC的运用提高了控制的可靠性，图形与文件管理与美国EDGE系统不相上下，控制精度由于采用伺服定位系统控制精度可达每毫米1000个脉冲，切割速度可达25米/分钟关键词数控火焰切割；PLC；两轴控制器；伺服器；伺服电动机；脉冲；I/0接口目录1引言12总体设计13硬件设计331固高两轴控制器系统3311GT200控制器基本功能3312I/O接口内部结构4313I/O接口电路组成632可编程控制器7321输入输出7322输入输出保护电路1033伺服驱动器及电机10331伺服器与PLC接口10332割炬升降电机电路1134电源供电12341强电部分12342弱电部分124软件设计1341上电预散热1442扫描报警输入1443伺服器使能和输入传输1444排气程序155制作和调试1651制作注意事项16511控制变压器16512控制端子板16513PLC1652调试方法17521检查布线17522设置参数17523运行176结论18参考文献20附录1电原理总图21附录2梯形图程序26附录3指令表27附录4系统实物图28附录5课题设计作品说明书30宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文11引言随着自动化控制技术的迅速发展，可编程控制器在工业控制领域因其高可靠性、编程灵活性而获得广范应用，目前在数控领域也已获得普遍应用；而对于基于WINDOWS系统的两轴控制卡由于其人性的化的人机界面操作，也已逐渐在诸多数控设备应用本设计将两轴控制器和PLC技术结合，将其应用于数控火焰切割系统作为下料生产，经验证，设备操作简单，有火焰切割基础的稍作培训即可操作，切割误差仅有3MM，完全满足下料生产要求；切割速度可达25米/分钟，性能可与美国海宝数控系统相媲美，可以完美替代目前市场上的美国EDGE数控火焰切割系统2总体设计数控火焰切割机，是应下料工人手工切割或半自动切割这种低效生产而设计的，但是其切割工艺是完全遵循传统人工或半自动原始工艺，只不过各氧气阀门和乙炔阀门以自动电磁阀替代手动阀门，以精密的机械运动代替人工手动运行割炬，所以对设备的基本控制是在无安全或故障报警的情况下，开切割氧总阀门和低预热阀门启动高压打火3S钟，为了加强预热割炬升降电机下降一个距离，预热完成后为了防止穿孔时飞溅堵孔，电机上升一段距离，然后开穿孔氧，飞溅完毕电机下降一段距离并启动伺服电机，按照预定程序切割完毕后，排气、割炬上升，关闭切割氧总阀，关闭低预热。为使设备具有人性化的操作界面，切割系统采用固高GT系列两轴控制器，控制卡见下图。该系列控制器以IBMPC及兼容机为主机，并且可以基于WINDOWS系统操作，除此之外，该控制卡可提供两种不同的控制方式，即脉冲方向和正脉冲负脉冲，本设计中采用的是脉冲方向。下图是控制器外形。宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文2图21GT200控制卡和端子板外形供气电磁阀主要用来控制包括预热氧，丙烷燃气，穿孔氧在内的气体特定顺序供给，以实现火焰切割工艺。同时还要适时调整切割割炬的高低，可以用电机控制其升降，但由于对控制精度要求不高故采用一般的单相交流电动机即可，并且通过继电器控制其正反转，由于此类电器件也是根据控制卡实时控制，所以可以采用运算指令不是十分丰富的FX1S30MR可编程控制器，而且采用PLC后其输入电路正好可以与控制卡的端子板匹配，这样，线路复杂程度降低而可靠性加强。X轴位移采用PANNASONIC（松下）MSMD042伺服电机，并采用配套的MADDT2210伺服驱动器；Y轴位移采用松下MSMD082伺服电机（功率比X轴的伺服电机功率要大），并采用配套的MCDDT3520驱动器。X轴伺服电机和Y轴电机都为松下A4系列伺服驱动器，其采用五线制增量式编码器，精度为2500P/R分辨率10000，供电要求范围宽，AC200AC240V总体设计结构如图22PLC宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文3气体阀门图22数控火焰切割机框图3硬件设计经过框图可以看出，硬件主要包括IBM兼容机、运动控制卡及I/O端子板、可编程控制器PLC、伺服驱动器、伺服电机、电磁阀，当然还包括图中未明确示意给出的升降电机。31固高两轴控制器系统固高两轴控制器是整台数控火焰切割机的控制核心，它与PLC相互协调共同指挥各执行器件的运作。311GT200控制器基本功能GT200控制器分为控制卡和I/0端子板，控制卡在方菱设计软件时已装入工控机，无需另行安装，仅考虑I/O端子板功能即可。输入输出功能见表31表31输出1EXO0点火开关2EXO1高压预热3EXO2低压预热默认4EXO3低压切割氧（一级）5EXO4中压切割氧（二级）6EXO5上升继电器7EXO6下降继电器8EXO7切割氧总阀9EXO8等离子低速输出10EXO9排气口11EXO10高压切割氧（三级）默认宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文4输入1EXI2横向（右）限位无源、常闭2EXI3横向（左）限位无源、常闭3EXI4纵向（前）限位无源、常闭4EXI5纵向（后）限位无源、常闭5EXI9报警信号常闭信号传输功能分配见表32（CN6与CN5相同，用于Y轴信号）伺服信号CN59DIR正方向输出75V步进用5V电源10GND数字地11PULSE负脉冲输出22DIR负方向输出23PULSE正脉冲输出312I/O接口内部结构为实现端子板与其他电器器件的匹配连接必须要弄清端子板的I/O内部端子结构。1）输入接口电路见图31宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文5图31输入接口电路对于此类基本电子线路1可以很容易的设计出接线，由图可见端子板的内部是一个含源的隔离光耦电路，抗干扰能力比较强，输入信号可以是触点开关，也可以是有源器件但器件必须符合TTL电平。2）输出接口电路见图32图32输出接口电路通过图可以看出输出接口电路是一个无源光耦，工作时需加外部电源，输出低电平有效。按手册数据查询其输出承受负载电流IMAX300MA。为提高控制卡抗干扰能力，控制卡的DC24V电源单独供给，不得移作他用，所以伺服驱动器虽然控制电压也是DC24V，但不能与控制卡电源共用。宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文6313I/O接口电路组成根据输入接口内部电路结构，对于整台设备中的X轴限位Y轴限位可直接接入I/O端子板对应的接线端子，特别注意的是EXI9（报警信号输入），是两个伺服器故障报警经过PLC或运算后通过输出接点接入的。电路见图3312345678910111213141516CN13OVCCOGNDEXI2EXI3EXI4EXI5EXI6EXI7EXI8EXI9EXI10EXI11EXI12EXI13EXI14EXI15横向右限位横向左限位纵向前限位纵向后限位Y1COM1报警信号图33输入接口电路端子板输出的主要功能是电磁阀的流程控制，又根据输出接口电路内部结构可知此输出光耦其输出承受负载电流IMAX300MA，实际工作的电磁阀工作电流为250MA，所以如果以I/O端子板直接驱动电磁阀因为没有足够裕量是不可取的，而PLC其输入是可以与端子板输出接口电路直连的（有关PLCI/0接口电路参阅下一节）PLC输出端子如果是继电器输出类型的，其触点容量可达到2A电路见图3412345678910111213141516EXO0EXO1EXO2EXO3EXO4EXO5EXO6EXO7EXO8EXO9EXO10EXO11EXO12EXO13EXO14EXO15PLCX0PLCX1PLCX3PLCX4PLCX12PLCX13PLCX2PLCX5图33输入接口电路宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文7对于脉冲控制接口，无论是松下A4伺服器还是端子板都支持单端输入和差分输入，但是基于差分输入具有抗干扰能力强、有效抑制EMI、时序定位准确等优点，所以在此设备中采用的是差分输入方式。电路如图3411421531641751861972082192210231124122513CN5SIGN146SIGN247PULS144PULS245GND13端子板44454647137293637PULS1PULS2SIGN1SIGN2GNDCOMSRVONALMALMPULSEPULSEDIRDIRCOM41PLC24PLC24X17PLCCOMPLCY0X5伺服器图34控制脉冲端子板输出伺服器输出接口电路32可编程控制器在本系统中可编程控制在硬件上主要起提高整机系统稳定性和与端子板伺宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文8服器实现I/O口匹配连接，在软件上则由对整机报警处理，安全输出等程序以保证设备的安全运行。使用PLC后其控制线路的复杂程度相比于当前行业中正在使用的设备大大简化。321输入输出根据系统的控制要求及信号传递可将PLC的I/O分配如表31设计中依据三菱PLC工作原理和循环扫描周期2可设计出精简并切实有效的程序控制程序（见软件设计）。在电气连接中PLC需要接受来自控制板，限位，伺服器的输出信号并经过运算逻辑处理控制伺服器及电磁阀和升级电机。连接中要注意AC电源表31I/O端的分配输入输出元件输入端编号说明元件输出端编号说明EXO0X000点火伺服X529Y0伺服器使能EXO1X001低预热CNC/IX19Y1报警EXO2X003高预热YA3Y2点火EXO3X004两级穿孔YA1YA2Y3低预热及燃气EXO5X012电机升YA4Y4切割氧EXO6X013电机降YA5Y5高预热EXO9X005排气YA6Y6两级穿孔EXO10X002切割YA7Y7排气S1X006手动点火KA1Y12电机升S2X007手动高预热KA2Y13电机降S31X010手动升电机KA3Y15风扇S32X011手动降电机S4X015切割ALM/XX016伺服报警XALM/YX017伺服报警Y宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文9型DC输入PLC接口匹配问题，PLC的输入依据使用手册实际上就是一个光耦隔离输入电路，见图35。对应的输入数据参照表31图35PLC输入回路通过图32、图35、表31、表32设计出PLC的接线如图36表32PLC输入输出回路主要参数每点输入参数R/KION/MAIOFF/MA每点输出参数S/VAIMAX/AX0X7334515感性负载80X10X17433515阻性负载2宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文10COM2COM3COM4Y2Y3Y4Y5Y6Y7YA3YA2YA1YA4YA5YA6YA7上上上上上上上上上上上上上上上上上上上COM0Y12Y13Y15KA1KA2KA3KA1KA2上上上上上上24COMCOMCOMX0X1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X13X14X15X16X17上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上EXO0EXO1EXO10EXO2EXO3EXO9EXO5EXO6FX1S30MRSQ2SQ1上上上上上上上上上上上上上上上上Y0上上上上上上上上上COMY1上CNC上上上A4上上COM1IXI9OGND上上上上上COMALM/XALM/YFU90LNL1NPE上上上上上上OGND图36PLC输入输出电路322输入输出保护电路X轴和Y轴伺服器的报警及使能电路其内部也是光耦输入和光耦输出，其功耗非常低，典型值为50MA。为此设计中将PLC的24V电源直接给伺服使能及报警电路供电。由于PLC该辅助电源最大提供400MA电流，所以在输出回路中加一05A速熔保险，用于PLC的保护，对于PLC的输出，7个电磁阀不会同时工作，所以输出保护可以不按总的载流量计算，直接按常规采用2A普通玻璃管保险即可，继电器工作组（即COM4一组）也接入一只2A保险管保护，相关的图纸参阅电源供电。33伺服驱动器及电机331伺服器与PLC接口驱动器的I/O接口可以参考松下A4说明书3中的相关内容及参数来对其进行连接，图37是说明书中给出的位置控制模式的控制信号接线图宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文11图37位置模式控制信号接线图依据图中所示可知内部告警和控制电路必须外接电源，此前已说明此电源只作为光耦电路供电，功耗极低，所以用PLC的辅助电源供电即可。依据事先设计需要一个使能信号和一个报警信号使能信号在图中使用方法很简单，在提供控制电源的前提下直接用触点开关即可，在本设计中用的是PLC输出Y0的触点用于对伺服器提供使能，当符合使能条件时PLC会接通使能电路，从而使伺服器进入准备运行状态。报警输出电路是直接驱动继电器的，但通过图38可知其无源光耦接口也是可以与PLC输入匹配连接的，直接将ALM连接至PLC输入X016，将ALM连接至PLC的COM端就能完成伺服器与PLC的接口电路。图38伺服器报警输出内部电路宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文12332割炬升降电机电路升降电机主要用于火焰割炬的升降，因为在切割工艺中，割炬要适时升高或降低，例如在预热完毕，割炬必须自动提升一个高度否则穿孔时飞溅会堵塞割嘴。高度的调整主要依靠CNC自动调节，外部电路主要是一个单相交流电机的正反转控制。电路简单易行，主要由PLC驱动的带互锁的继电器KA1和KA2控制。主电路见图39KA1KA1KA2KA2割炬升降电机MFU5图39割炬升降电机电路34电源供电341强电部分整台设备所有部件需要AC220V供电，为提高系统稳定性，整机AC220V电源采用了FT121交流滤波器，主要是净化供电电源滤除高次谐波及浪涌干扰。伺服驱动器内部有可靠的保护电路，采用控制电源和驱动并接后经DZ4716A高分断断路器接入AC220V电源；将电源接触器控制变压器控制电路接于滤波器进线端，目的也是为了可能出现的干扰，主要是避免感性负载在通断时的触点抖动干扰；对于操控台PC机、PLC、开关电源、割炬升降电机、横流风机的供电较为简单，可直接经过保险后接入。宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文13342弱电部分弱电主要分为主电源控制接触器控制电路及电磁阀、继电器，端子板，操控台风机等部分，引入弱电部分除了必须的端子板DC24电源，主要是考虑操作台的安全性（操作台除了电脑主机其他均为弱电）；端子板的供电也需要加直流滤波器；直流风机也是接在滤波器进线端，主要是为了减小电机可能产生的噪声。综合弱电和强电可设计出供电电路如图310QFDZ4763/25AFT121/30AA1A2KMSB1KMQFDZ4763/16AACDCFT121/30AT1FU11AFU44AFU26ASB0SB2KMKM操控台电源FU72AL1L3操控台风机FU32AFU86AKA1KA1KA2KA2L13N割炬升降电机24VOGNDLNFU62A运动启停COMYO机柜横流风机MMFU56ACOMYPLC电源KA3端子板电源伺服驱动器PLC输出电源LONOMKA4照明灯图310电源供电4软件设计数控火焰切割机控制软件分为计算机远动控制器控制软件和PLC控制软件，计算机远动控制软件动作流程是随机预设的，其动作流程也符合数控火焰切割流程。PLC控制软件在整个系统中是核心。PLC控制程序流程图如图41所示。宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文14上电启动启动风机预散热扫描报警输入伺服器正常等待4秒接受计算机控制使能伺服器NY41上电预散热PLC上电要完成的动作主要是上电即启动风机并等待伺服器4S钟左右，等伺服器准备好后才输入使能信号给伺服器，根据I/O分配给出如下程序LDM8002ORY015OUTY015LDY015ANIY001OUTT0K40ANDT0OUTY000宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文1542扫描报警输入扫描报警输入的程序非常简单，主要是对伺服报警X016和X017的输入进行扫描，程序如下LDX016ORX017OUTY001输出信号给运动控制器OUTT2K50等待电磁阀完全关闭（都关闭后才能放气）43伺服器使能和输入传输本部分主要程序的作用是如果没有报警，则接受来自计算机的程序；如果有报警在程序关闭所有电磁阀时打开放气阀3S,程序如下LDIY001如果无报警则允许执行下列程序，否则不接受计算机控制MPSANDX000OUTY002MRDANDX003OUTY005MRDANDX001OUTY003MRDANDX013OUTY013MRDANDX012OUTY012MRD宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文16ANDX002OUTY004MPPANDX004OUTY00644排气程序排气程序非常简单，程序如下LDX005ORM1OUTY007LDPT2ORM1ANIT1OUTM1OUTT1K35制作和调试51制作注意事项设计好原理图后可根据原理图列出材料清单并采购，并且根据清单中的内容构思好各电器元件布局，特别注意如下几个元器件511控制变压器必须放在控制柜底部，但是要避免装在PLC下方，主要考虑散发的热量影响PLC运行。512控制端子板要求做好抗干扰措施，必要时加抗干扰磁环。宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文17513PLC可编程控制器周围要留有50MM空间，以利于散热。控制柜的元件布局可参考图51图51元件布置参考图布局好后，由于线路不是很复杂，可以直接按照原理图布线52调试方法布线结束便可以进入调试阶段，调试前需做好必要的准备工作。521检查布线为了防止万一失误，仔细检查布线。特别是伺服驱动器控制电源和主电源是否正确，具体做法是拔下纵向伺服器X1的电源输入接口1、4之间端子电阻应该为0，而且与火线已可靠连接，3、5之间电阻也应该为0，而且与零线也已可靠连接；横向伺服器检查方法类似，但是端子略有差别，其电源输入接口是4孔的，测量中1、3端子之间应为0，2、4端子之间应为0。宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文18确认PLC除了L、N接线柱引入AC220V电压外，其他均为低电压引入。因为PLC的输入如果引入高电压，对其输入电路来说很致命；确认端子板DC24V引入正确。最后，测量总的空气断路器出线端之间绝缘电阻，确保在05M以上。522设置参数将各路供电逐个接通后，按下启动按钮，伺服即已通电，此时需设置以下参数12参数设成0，即选择“位置模式”240参数设成0，即选择“光耦输入”341参数设成1，42参数设成3，即选择“脉冲方向”模式上述参数设置完毕，切断电源为试运行作准备。523运行连通电脑到端子板数据线，接通电脑电源，按下启动按钮。等进入操作界面之后，按下控制面板上的START键开始切割，此时PLC应该能够按照工艺要求正确输出；分别操作面板上的F4和F5此时伺服驱动器应能加减速，最后模拟横向和纵向的位置限位，故障停止是否有效。确认正常后即可在安装人员协助下安装运行，行走精度可在操作系统中更改横向脉冲数和纵向脉冲数，还可以结合伺服驱动器PR48、PR49、PR4A、PR4B中的参数设置。6结论本设计在硬件上充分考虑了GT200两轴控制器端子板、PLC输入接口、伺服驱动器器的输入输入接口的匹配性能，在保证设备性能优良的前提下尽最大可能的简化控制接线，使整个控制系统变的简单而又有效；在操作上充分考虑了操作工的操作习惯采用了与美国海宝数控火焰切割系统相近的方菱操作系统，使操作工学习起来变得简单，使操作变的简单，在PLC软件控制方面，力求做到最简不冗余便于日后的维护。由于本设计试运行环境温度为55，对其他地域的环境温度适宜性未作考究，有待于进一步试验考究。宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文19宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文20致谢本人在做设计期间，得到了赵建国老师的精心指导。赵老师学识渊博德高望重，在本设计中提出了许多宝贵的更改建议和意见，使我从中获益匪浅，在此表示衷心的感谢在实物制作环节还得到同班组电器职员的大力协助，在此一并表示感谢宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文21参考文献1苏丽萍电子技术基础M陕西西安电子科技大学出版社，2006,62郁汉琪，郭健等可编程序控制器原理及应用M北京中国电力出版社，2004，33施复自动化PANASONICMINASA4系列AC伺服驱动器技术资料选编Z上海宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文22附录1电原理总图QFDZ4763/25AFT121/30AA1A2KMKMQFDZ4763/16AACDCFT121/30AT1FU11AFU44AFU26ASB0SB2KM操控台计算机FU72AL1L3操控台风机FU32AFU86AKA1KA1KA2KA2L13N割炬升降电机24VOGNDLNFU62A运动启停机柜横流风机MMFU56APLC电源KA3端子板电源伺服驱动器PLC输出电源LONOMKA4照明灯L11L14L18DL15935FU102AA1A2KA3大灯控制供电电源宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文2312345678910111213141516123456789101112131415161142153164175186197208219221023112412251311421531641751861972082192210231124122513CN14CN12CN5CN6CN1CN2上上上上上上上上上上上上SIGN146SIGN247PULS144PULS245GND13SIGN146SIGN247PULS144PULS245GND1312345678910111213141516CN13EXO0EXO1EXO2EXO3EXO4EXO5EXO6EXO7EXO8EXO9EXO10EXO11EXO12EXO13EXO14EXO15PLCX0PLCX1PLCX3PLCX4PLCX12PLCX13PLCX2PLCX5OVCCOGNDEXI2EXI3EXI4EXI5EXI6EXI7EXI8EXI9EXI10EXI11EXI12EXI13EXI14EXI15OVCCOGNDHOME0HOME1HOME2HOME3LIMIT0LIMIT0LIMIT1LIMIT1LIMIT2LIMIT2LIMIT3LIMIT3EX10EX11横向右限位横向左限位纵向前限位纵向后限位Y124VOGNDOGND24VCOM1报警信号GT200运动控制器端子板宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文24X112345L1L2L3L1CL2C123456RB1RB2RB3UVW1234564562312341234PEUVW上上上上CN1CN245236EV5E05PSPSPEPE上上上X2X644454647137293637PULS1PULS2SIGN1SIGN2GNDCOMSRVONALMALMPULSEPULSEDIRDIRCOM41PLC24PLC24X17PLCCOMPLCY0X51/1C伺服器Y伺服器宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计论文25X112345L1L2L3L1CL2C123456RB1RB2RB3UVW1234564562312341234PEUVW上上上上CN1CN245236EV5E05PSPSPEPE上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上上X2X644454647137293637PULS1PULS2SIGN1SIGN2GNDCOMSRVONALMALMPULSEPULSEDIRDIRCOM41PLC24PLC