基于S7-200PLC剪板机定长控制系统电气控制部分设计.doc

基于S7-200PLC剪板机定长控制系统电气控制部分设计摘 要自动剪板机是一种按照生产工艺的要求对板材进行自动定长、自动剪切并且通过运料小车自动运送到下一工序的自动生产设备。由于自动剪板机的工作条件一般都比较恶劣并且对板材的加工要求也较高，因此自动剪板机的控制设备要有很高的精度、很强的抗干扰能力，从剪板机的要求来看我们认为其控制设备选用PLC比较合适。PLC是自动控制技术、计算机技术和通信技术三者的一个结合体，在其硬件设计中采用了屏蔽、滤波、光电隔离等技术使其具有很高的可靠性和很强的抗干扰能力，现已经在现代化工业生产中得到了广泛的应用。随着科学技术的不断发展，PLC的功能也在不断的增强以适应现代控制的要求。本文以工业自动剪板机为研究对象。通过对自动剪板机的工艺、控制要求的了解和对其工作原理的分析有了一个总体的设想，设计了电气传动部分的设计和PLC的顺序流程图，探讨了自动剪板机的自动定长设计方案，结合PLC的顺序流程图编制了下位机PLC程序。上位机利用MCGS组态软件做了一个人机界面进行监控。运用PLC控制的自动剪板机操作简单、系统稳定性好、工作效率高并且在保证产品质量的前提下节约了成本。关键词：剪板机 可编程控制器 变频器 自动控制The Design of Fixed-length Shears Control System for Electrical Part Based on S7-200PLCAbstractAutomatic Shearing is a production process in accordance with the requirements of the board fixed length automatically, auto-cutting and automatic delivery to the next process of automated production equipment through the transporter. Because the working conditions of automatic shears are generally more severe and the processing requirements of the plate is very high, so the control device of automatic shears have a very high precision, strong anti-interference ability, due to the requirements of the shears we select PLC as control equipment. PLC is a combination of the automatic control technology, computer technology and communication technology, in its hardware design we use shielding, filtering, optical isolation techniques so that it has high reliability and strong anti-interference ability, in modern industrial production has been widely used. With the development of science and technology, PLC functions are continuously enhanced to meet the requirements of modern control.In this paper, we select industrial automatic cutting plate for the study. Through the process of automatic shears, the understanding of control requirements and the principle of its work we have an overall vision, referring to the electric drive design and PLC flow diagram. Discusses the automatic shearing of the automatic fixed-length design scheme, we compile the PLC program with the PLC flow diagram. The man-machine interface control made with configuration software MCGS. The automatic shears that controlled by PLC is using simple, having good stability, high efficiency and product quality in the premise of ensuring cost savings.朗读显示对应的拉丁字符的拼音Keywords: Plate shears; PLC; Inverter; Automatic Control; 目 录1 引言12 PLC及编程语言的简介32.1 PLC的工作原理32.2 S7-200的程序结构42.2.1 主程序42.2.2 子程序42.2.3 中断程序43 自动剪板机的工艺53.1 剪板机的控制要求53.2 自动剪板机的控制流程53.3 自动剪板机的液压控制系统74 总体设计和设备选型94.1 设计动作流程说明94.2 系统的工艺要求94.3 系统电气部分设计94.4系统定长控制方案设计114.4.1 光电编码器简介及选型114.4.2 高速计数器简介及模式选择124.4.3 自动定长控制流程图134.5 设备选型144.5.1 电动机和液压油泵减速器型号144.5.2 PLC和扩展模块型号144.5.3 变频器的选择154.6 I/O端子分配和系统计算174.6.1 I/O端口分配174.6.2 系统计算195 下位机程序设计205.1 STEP7-Micro/WIN软件205.2软件的编程语言205.2.1 梯形图和语句表215.2.2 功能块图215.3 监控系统流程图225.4系统程序设计245.4.1 点动送料控制程序设计245.4.2 进料机构自动定长程序设计245.4.3 自动方式和手动方式选择控制程序设计255.4.4 压块和剪切刀系统控制程序设计265.5 下位机程序下载和调试285.6 程序的监控296 上位机监控软件设计316.1 MCGS组态软件介绍316.2 MCGS组态环境316.3 MCGS运行环境337 调试357.1 PLC程序调试357.2 上位机的调试358 结论37谢辞38参考文献39附录40外文资料641 引言科学技术的迅猛发展带动了我国工业的腾飞，机械制造业作为现代工业的重要组成部分也在快速的向前发展。为顺应现代工业发展生产出小批量，多品种、多规格的产品和降低产品的成本，提高产品的质量的要求，使我们的生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和极强的灵活性。可编程控制器顺应这一要求应运而生，现在可编程控制器已经广泛的运用在各种机械设备和生产过程的自动化控制系统中。可编程控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC，是一种专门用于工业环境下的数字运算操作系统。国际电工委员会在1985年对PLC做了如下定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计1。PLC 是在微电子技术的基础上，结合了自动控制技术、计算机技术和通信技术发展起来的一种用于自动控制的装置，与继电器控制相比它体积小，维护操作方便，抗干扰能力强，可靠性高，可在线更改程序，而且编程方便，通用性强，功能完善，设计、施工、调试的周期短，价格低廉，采用编程代替了大部分的连线给安装调试省了不少的功夫，在其硬件上还设计了屏蔽电路、滤波电路和采用了光电隔离技术相对于继电器控制而言抗干扰能力要强，可靠性也要高2。软件设计中采有故障检测、信息保护与恢复等措施，使它的可靠性得到进一步提高。PLC控制技术在现代化工业控制中承担着举足轻重的作用。它不仅承担从单机自动化和小型企业的整条流水生产线的自动化，还承担着大企业整个企业的生产自动化控制3。我国的PLC控制技术的发展虽起步晚但发展迅速，现在PLC控制技术不仅在国家大型企业中有所应用，而且中小型企业也有许多应用了PLC控制技术而且中小企业现在应用的越来越多。PLC技术的发展和PLC技术应用的推广使得从事PLC控制的科技人才也越来越多，现在我国已经发展出一批专做PLC控制技术的小型企业他们利用自己的技术为一些使用PLC实现自动化控制的企业提供技术支持。现在PLC控制技术已经成为了现代工业自动化控制的一个重要组成部分。随着PLC技术的不断发展,传统的机械设备已经逐步被新一代的智能化设备所代替。现代加工的工艺要求和稳定性要求以及复杂的控制功能，传统的控制柜控制已经很难达到预定的控制要求尤其是在抗干扰能力和可靠性方面。PLC应时而生顺势发展。现代工业产品都像精细化发展，使其对原材料加工的要求也在不断的提高，改进原材料的加工工艺和效率已经是现代机械制造业的重要做成部分。金属板材作为一种最为普通的原材料在现代工业生产的各个领域都有用到，改进金属板材的加工工艺、效益和质量也成了现代控制的一部分。在我国随着制造业的发展，剪板机床的发展越来越成为机械制造行业的中流砥柱，通用型高性能剪板机，广泛应用于航空、汽车、农机、电机、电器、仪器仪表、医疗器械、家电、五金等行业。此次设计的是金属板材加工的自动剪板机，为满足现代加工工艺和效率采用PLC控制，此次设计能实现板材的自动进料、自动定长、自动压料、自动剪切和自动送料功能。在板材加工的过程中，板材的长度检测、进料、压紧、剪切、落料及长度调整等过程都按一定的顺序精确控制。此次设计采用西门子PLC S7-200系列，根据自动剪板机的工艺要求设计相应的控制方案。2 PLC及编程语言的简介2.1 PLC的工作原理给PLC通电后，PLC首先对硬件和软件作初始化处理。 PLC采用循环扫描的工作方式,使PLC的输出能够及时的响应各种输入信号。PLC的扫描过程如下图所示。读取输入处理通信请求自诊断处理改写输出读取输入执行用户程序处理通信请求自诊断处理改写输出图 2-1 扫描过程左图RUN模式右图STOP模式PLC的用户程序是按照先后顺序存储，执行程序时CPU从第一条程序开始执行直到遇到结束指令后返回第一条程序。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。在PLC的存储器中，有一片区域是用来存放输入信号和输出信号的状态的，他们分别称为输入过程映像寄存器和输出映像寄存器。在读取输入时，PLC把所有的输入电路的1/0状态读入输入过程映像寄存器中。电路闭合输入状态为1，输入断开输入状态为0。PLC的用户程序由若干条指令组成，PLC的指令再存储器中是按顺序存储的。执行用户程序时，在没有跳转指令的情况下，CPU按照从上到下，从左到右的执行原则从第一条指令开始，按顺序逐条执行。在整个执行阶段，各个输入点的状态是固定不变的，程序执行完成之后再用输入过程映像寄存器的值更新输出点，使系统的运行更稳定。在处理通信请求时，CPU处理从通信接口和智能模块接收到的信息，并在适当的时候将信息传送给通信请求方。PLC具有自诊断功能，自诊断包括定期的检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常，将监控定时器复位以及一些别的内部工作。输出过程的状态都存入到输出过程映像寄存器中，CPU在执行完用户程序后，将输出过程映像寄存器的0 /1状态传送到输出模块并锁存起来。当PLC的操作模式由RUN模式变成STOP模式时，数字量输出被置为系统块中的输出表定义的状态，或保持原有的状态，默认的设置时将所有的数字量的输出都清零。当PLC程序中有中断程序时，当有中断事件发生了时，CPU停止正常的扫描工作方式，马上跳入中断立即执行中断程序，执行完中断程序后CPU又返回到正常的扫描工作中。PLC通过中断可以大大的提高CPU对某些事件的响应速度。2.2 S7-200的程序结构此次设计的核心控制部件是西门子S7-200。西门子S7-200 CPU的控制程序由主程序、子程序和中断程序组成。2.2.1 主程序主程序是PLC控制系统程序的主体，每一个PLC控制系统都有且只有一个主程序，主程序作为程序的主体它可以调用子程序和中断程序。主程序通过指令控制整个应用程序的执行，没扫描一次都要执行一次主程序。2.2.2 子程序子程序是可选的，依实际控制要求而定。子程序仅在被其他程序调用时才执行，同一子程序可以在不同的地方被多次调用，但是不能同时多个程序调用同一子程序。我们使用子程序主要是简化编程和减少扫描时间。2.2.3 中断程序中断程序用来及时处理与用户程序的执行时序无关的操作，或者不能事先预测何时发生的中断事件。中断程序与子程序不同它不能由用户程序调用，而是只有在中断事件发生时由操作系统调用。中断程序是用户编写的不能预知何时会发生中断事件，所以中断程序改写可能在其他程序中使用的存储器是不允许的。3 自动剪板机的工艺3.1 剪板机的控制要求剪板机应用于许多金属加工和薄板剪料操作。因此我们在设计自动剪板机时要从以下几个方面来考虑。第一，剪板机的剪切能力和生产效率。第二，剪板机设计的安全性。第三，剪切板材时板材的切口质量和定长精度。板材加工根据不同的要求分为多种，区别比较大的如剪切型的和切割型的。此次设计的是剪切型。剪切型的自动剪板机的设计还是有许多的因素要考虑，如所加工板材的剪切长度、板材的厚度和板材的材质。根据条件的不同设计成不同类型的剪板机，自动剪板机也可以按照剪切形式或驱动系统的形式来进行分类，常用的结构形式有两种：闸式（也叫滑块式）和摆式5。闸式剪板机利用驱动系统操纵动刀片向下移动到一定的位置，使动刀片在整个行程内几乎与定刀片保持平行。为了使刀架片横梁在相互移动的过程保持合适的状态，闸式剪板机需要一个滑块导向系统。 摆式剪板机驱动系统中有一个用来操纵动刀片，使动刀片依附于滚柱轴承向下回转。这种结构不再需要利用凹字形导向条或滑道使刀片在剪切过程保持合适的姿势。 在评价剪板机时需要考虑的一个因素是指定的工作需要多大的剪切能力。剪板机的规格数据几乎都以低碳钢和不锈钢为剪切对象。为了把金属加工厂对剪板机的要求同这些数据进行对照，必须根据剪板机的能力核对工厂的材料规格。 有些剪切能力是针对低碳钢规定的，因此可能包括抗张强度60,000psi，而另一些剪切能力适用于A-36或抗张强度80,000 psi。剪切不锈钢的能力几乎总是小于低碳钢或A-36钢。另外，某些铝合金所需要的剪切力竟然和钢一样大。剪切角（动刀片通过定刀片时的角度）是决定切口质量的重要因素。一般而言，剪切角越小，切口质量越好。如果落在剪板机后面的零件比较短（小于4(1.22m)），可能出现俯曲、扭曲和拱起等切口质量问题。剪切角较小的剪板机需要较大的动力。 3.2 自动剪板机的控制流程1.开机 按动开机按钮之后，系统需对剪板机进行初始化处理。开机系统首先得检测压块、剪切刀、运料小车的位置，还得检测运料小车是否空载。假若压块和剪切刀不在上限位置上则系统将使他们回到上限位置，若压块和剪切刀在上限位置上系统检测小车的运动状态，若小车不空载则自动送料后返回初始位置。小车空载则检测小车是否在左限位处不是则返回是则进行后续动作。2.根据不同的条件输入数据 需要剪切板材的长度和小车所载板材的数量可以在上位机监控界面上手动输入。输入完成之后按数据确认键系统处在工作方式选择阶段，只有当选择好工作方式系统才进入后续动作否则系统继续等待数据输入。3.工作方式的选择 自动剪板机有自动控制和手动控制两种工作方式。通常情况下使用自动, 系统自动运行，无需人工干预。只有当系统自动运行出现故障是为不影响工厂的生产才选择手动运行。要想两种工作方式进行切换需先停止剪板机的运行，开机之后选择工作方式。选择工作方式后系统按选择的工作方式运行。自动方式的运行效率要远高于手动方式。手动方式系统对操作流程有提示功能，出现错误操作不影响系统的运行。4.系统启动 系统启动进行初始化后严格按照进料压料剪切（板材计数值达到设定值时）送料的工艺流程工作，往复循环。5.系统停机 当系统检测到停机信号后系统能记住停机信号，剪板机必须工作完一个工作流程，否则系统不停止。小车上的板材没有达到设定值有停机信号，系统也将板材送到下一流程。6.系统急停 当系统检测到急停信号，系统马上停止所有的动作。系统的初始化大多都是为急停准备的，正常停车完之后，压块、剪切刀和运料小车都将处于要求的状态。根据自动剪板机的设计要求，其工作流程图如下图3-1所示。图3-1 剪板机工作流程图3.3 自动剪板机的液压控制系统剪板机系统液压控制原理图如下图所示。剪板机的液压传动系统采用变量液压泵2给系统供油，用于给系统提供正常工作所需要的压力，系统的工作压力可以由压力表及其开关6来显示。二位二通电磁换向阀4为常态时，系统可以通过先导式溢流阀5的远程控制口卸荷。系统的执行元件为剪切刀具液压缸17和压块液压缸16，两缸的运动方向分别采用电磁换向阀9与8控制，剪切刀具液压缸活塞可以通过液控单向阀12和13组成的液压锁来实现任意位置的锁紧。压块液压缸的工作压力较低，有减压阀10设定并由压力表7显示，单向顺序阀15作平衡阀，用于防止失压时压块液压缸因自身重量下落，单向节流阀14用于剪切刀具液压缸10活塞下降是节流调速6。剪板机系统液压控制原理图如下图3-2所示。1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1YA 2YA 3YA 4YA 图3-2 液压系统工作原理此次设计的自动剪板机剪切的板材厚度都在5cm以下要求剪板机的压块和剪切刀系统的夹紧力量大剪切的动力也大的特点。而液压控制系统正好具有这样的优点，所以此次剪板机的压块和剪切刀控制由液压系统控制。液压系统采用变量泵供油，回油节流调速，能量利用合理，同时设置有平衡回路和紧锁回路工作安全可靠。根据此次设计方案的要求，选择自动剪板机的最大剪切力为130tf，最大压料力为61.8tf，液压系统最高工作压力：240kgf/cm2，油泵流量为160L/min。4 总体设计和设备选型4.1 设计动作流程说明按动系统的开机按钮，系统先检测压块、剪切刀、和运料小车的状态，若他们都不在初始位置上则开启变量泵，系统升压剪切刀和压块上行，到上限位位置之后小车右行卸载玩板材左行返回到左限位处。之后按动自动控制按钮运料电机和抱闸电机启动带动板材向右运行同时光电编码器对板材定长，当PLC高速计数器的计数值等于设定值时使抱闸电机和进料电机停止同时压块下行压住板材。压块下端有一压力传感器，当压力传感器达到设定的压力时，剪切刀下行剪切板材。板材下落给光电开关脉冲信号，板材计数器加一同时压块和剪切刀上行。重复上面的动作直到板材计数器的值达到设定值时下车右行运送板材，卸载完之后返回左限位出到此一个周期结束。按动停止按钮运行完一个工作流程之后系统全部停止工作。当你按动急停按钮系统马上停止所有动作，急停指示灯变亮。为防止板材定长出现错误板材无限的向右运行设置了板材限位形成开关。当板材碰到板材限位行程开关系统急停，急停指示灯显示。可以让运料电机反转使板材退回。4.2 系统的工艺要求传统的工厂电气控制方法采用的是继电器-接触器控制，要是控制系统比较复杂,大量的接线使得安装调试工作量特别大而且系统的可靠性也不高，容易发生故障。一旦发生了故障想找到故障点特别难，维修也不方便。设计、调试、维护和维修都有诸多不便，设备的工作效率也不高。采用可编程控硬件制器较好地解决了这一问题。此次剪板机的设计就是一个相对较复杂的一套系统，注意因为控制连线较多I/O口较多。将PLC应用于自动剪板机控制系统可以完全能满足技术要求，并且相对于继电器控制来说操作简单、运行可靠、工艺参数修改方便、自动化程度高等优点。板材长度控制更精确，切口质量更高。在PLC控制的自动剪板机控制系统中我们还应用了MCGS组态软件，创建了一个人机交流界面使控制系统更加直观明了。在组态界面上设置有填写所需剪切板材长度和小车上所载板材数量填写框。可以在不需更改控制电路和不修改系统程序的情况下根据工厂生产的实际需要更改板材长度和小车所载板材数，这要远优于继电器控制系统。4.3 系统电气部分设计此次设计的剪板机监控系统是基于安徽省华夏机床制造有限公司生产的QC12Y202500液压剪板机而设计。可以说此次设计是为这一型号的液压剪板机设计电气电路以及PLC控制系统。此次设计的电动机和变量油泵的型号都是从该剪板机生产商所提供的技术资料上查找。此次自动剪板机控制系统的设计的主要电气控制是进料电机控制、液压系统变量泵控制和运料小车电机控制。此次设计的电机全部都采用的是鼠笼式异步电动机。本次设计需要对进料电机和液压系统的变量泵进行调速控制，此次设计的电机运用变频器进行调速8。三相交流电经过三相熔断器和开关进入输入滤波器，与变频器直接相接。变频器的输出端接入输出滤波器，对异步电动机进行调速。输入滤波器和输出滤波器都是可选元件，可以连接也可以不连。但为了最后输出给异步电动机的三相交流电更理想和防止现场干扰接入了输入滤波器和输出滤波器。通过变频器控制的进料电机调速和液压系统的变量泵调速电路如图4-1所示。图中的异步电机为进料电机表示的是进料电机的调速，异步电机为变量泵表示的是变量泵的调速。图4-1 电机调速电路接线图电机正反转的电路图如图4-2所示。M 3 380V QF KM1 KM2 图4-2 电机的正反转电路接线送料小车有左行和右行两个状态，所以送料电机需要能够正转和反转。进料电机在一般情况下都是只处于正转状态带动板材向前运行，只有在定长系统出现问题时板材在达到了规定的长度进料电机却没有停下，使板材碰到了板材限位行程开关时系统急停后为了能使板材返回到规定长度而设计了进料电机反转。三相电机为运料小车电机表示小车的左行和右行，三相电机为进料电机表示的是进料电机的正反转。4.4系统定长控制方案设计此次设计的定长控制采用光电编码加高速计数器控制。光电编码器与进料电机同轴连接，光电编码将输出轴上的机械位移量转换成脉冲，再把这些脉冲给高速计数器。PLC的高速计数器通过计算光电编码器给的脉冲的个数。来检测到板材的实际位置，进而通过PLC控制变频器来实现电机的调速，保证板材的精度。此次设计通过光电编码器、高速计数器、PLC和变频器对进料电机调试。进料电机速度分三段：高速段、中速段和低速段。板材在实际要求长度的00.5段采用进料电机处于高速运行，在实际要求长度的0.50.8段进料电机处于中速运行，最后这一段电机处于低速运行。4.4.1 光电编码器简介及选型1.光电编码器的工作原理光电编码器是一种传感器，它是现在使用比较广的一个传感器，可以用于测速和定长。它通过光电转换将输出轴上的机械位移量转换成脉冲或数字量。光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成，它与电机同轴连接。在光栅盘同一半径的圆上有若干等分的长方形的孔。因为光电码盘与电动机同轴，所以在电动机旋转时，光栅盘和电动机是同速旋转。当光栅盘旋转时发光二极管的光打在光栅盘上在另一头的检测装置能够检测出若干脉冲信号。结合光栅盘上长方形孔的个数，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能知道当前电动机的转速。此外，我们还可以是检测装置检测两路相位相差90的脉冲信号来判断电机的旋转方向。 根据检测原理，编码器可分为光学式、感应式、电磁式和电容式。通常我们是根据其刻度方法及信号输出形式，将其分为增量式、绝对式以及混合式三种。 2.此次设计采用欧姆龙生产的增量型编码器产品名称：欧姆龙E6B2-C通用增量型编码器。产品型号：E6B2-CWZ6C。产品介绍：E6B2-CWZ6C编码器对应电源电压DC524V；备有2000P/R的分辨率；具备使Z相对简单化的原点位置显示功能；实现轴负重、径向30N、推力向20N；附有逆接、负荷短路保护回路，改善了可靠性。4.4.2 高速计数器简介及模式选择PLC的扫描工作方式限制了它的普通计数的计数频率。PLC普通计数器的工作频率很低一般都在几十赫兹。一旦要计数的信号的频率很高时，普通的计数器就很容易出现计数错误，一般为丢失计数脉冲。高速计数器可以对普通计数器无能为力的事件进行计数，它的计数频率可以达到几千赫兹甚至更高。一般在处理扫描频率高的信号时都采用高速计数器。西门子S7-200有6个高速计数器HSC0HSC5，可以设置多达12种不同的操作模式13。高速计数器一般都与增量式编码器一块使用，计量编码器的脉冲。高速计数器的外部输入信号如表4-1所示。当高速机器的复位输入信号有效时，将清除计数当前值并一直保持清除状态，直到当前的复位信号关闭。当启动输入有效时，高速计数器开始计数。关闭输入，高速计数器保持当前的计数值不变，此时时钟脉冲对高速计数器不起作用。重新表4-1 高速计数器的输入信号模式描述输入HSC0I0.0I0.1I0.2HSC1I0.6I0.7I1.0I1.1HSC2I1.2I1.3I1.4I1.5HSC3I0.1HSC4I0.3I0.4I0.5HSC5I0.40带有内部方向控制的单相计数器时钟1时钟复位2时钟复位启动3带有外部方向控制的单相计数器时钟方向4时钟方向复位5时钟方向复位启动6带有增减计数时钟的两相计数器增时钟减时钟7增时钟减时钟复位8增时钟减时钟复位启动9A/B相正交计数器时钟A时钟B10时钟A时钟B复位11时钟A时钟B复位启动12只有HSC0和HSC3支持模式12HSC0计数Q0.0输出的脉冲数HSC3计数Q0.1输出的脉冲数有输入信号时，从此计数值上开始计数只有当有复位输入信号时才使高数计数器返回到初始值。此次设计选用HSC1的工作模式1。高速计数器的脉冲输入端为I0.6，复位端为I1.0。I0.6接收由光电编码器输出的脉冲信号，I1.0连接光电开关，从而实现对编码器的脉冲计数，经过PLC的运算以确定所送板料的实际位置。I0.7接板材定长开关，I0.7为1时，光电编码器和高速计数器开始编码定长。进料过程中，PLC将行程分成高速、中速和低速三段。在低速段当高速计数器达到设定值时，进料电机停止，抱闸电机停止，闸片抱死进料电机挺高板材定长的精度，同时可以防止进料电机处于稳定停止状态时由于剪切刀剪切引起的光电编码器抖动，造成误计数。4.4.3 自动定长控制流程图自动定长流程图如图4-3所示。设定板料长度计算对应的脉冲数送料光电编码器将脉冲送到高速计数器比较输入与设定的脉冲相等否？NY开机电机停转，定长结束开始结束图4-3 自动定长流程图4.5 设备选型此次设计的自动剪板机控制系统是依据安徽省华夏机床制造有限公司生产的QC12Y202500液压剪板机而做的定长控制系统。电机型号和液压系统油泵的型号都是QC12Y202500液压剪板机的提供的资料上的。4.5.1 电动机和液压油泵减速器型号此次设计主电路的四台电动机全部采用鼠笼式异步电动机。进料电动机的型号是Y225S-4型三相异步电机，功率37KW，电压380V，电流70A，绝缘等级B，噪音95 dB(A)，转速1480 r/min，工作效率91.8%，功率因数0.87，轴径60mm。小车电动机的型号是Y132S-4，功率5.5KW，转速1440转/分，电流11.6A，工作效率85.5%，功率因数0.84，转动惯量0.0214kgm2，重量是68kg。油泵电动机的型号是Y200L2-6，功率22KW，转速980转/分，电流44.6A，工作效率90.2%，功率因数0.8，重量是246kg。油泵的型号是160YCY14-1B，压力320kgf/mm2，流量160L/min，转速1000r/min。抱闸电机型号是YDT120，额定功率:60W，额定电压:380（V），额定电流:0.25-0.38（A），额定转速:2800（rpm），额定转矩:11（NM），抱闸电机的抱闸时间为0.2s14。减速器为同轴圆柱齿轮式，型号为TZSD型。该减速器适用于水平卧式安装，允许输出轴倾斜向下安装，输出轴与水平面夹角不大于2012。减速器的直联电机为Y系列三相四极异步电动机，工作海拔不超过1000m。工作环境温度为：-40-+40，低于0时，启动前润滑油需预热。根据剪板机的工艺要求，此次设计采用机座号为TZSD300的减速器，选用系数0.80，实际传动比32.76。此次设计的液压系统的压力仪表采用西门子Z系列型号为7MF1564的压力和绝压测量压力变送器，测量范围为0-400bar。电源15-36VDC。4.5.2 PLC和扩展模块型号结合此次设计的要求以及学校实验室的现有设备，本次设计的PLC选用西门子S7-200系列中CPU为226CN的小型可编程控制器。西门子S7系列的可编程控制器到现在为止包括：小型PLC,S7-200、模块式中型PLC，S7-300、大型PLC，S7-400。小型PLC，S7-200现在已经升级为第三代产品了，S7-400系列为适应不同要求现已发展有S7-400F、S7-400H、S7-400FH三种。西门子S7-200CPU226CN适用于较复杂的中小型自动控制系统，有24个数字量输入和16个数字量输出，最多可以扩展7个扩展模块，可扩展到248点数字量和35路模拟量。掉电的保持时间为100小时，用户的程序存储空间为16384字节，用户的数据存储空间为10240字节，有六路高速计数器和两个RS485通信接口。扩展模块采用EM235CN和EM222CN。EM235CN为4输入(4AI：AIW0，AIW2，AIW4，AIW6)1输出(1AO：AQW0)的模拟量扩展模块。输入范围：单极性电压为010V、05V、 01V、0500mV、0100mV、050mV，双极性电压为10V、5V、2.5V、1V、500mV、250mV、100mV、50mV、25mV，电流为020mA。输出范围： 电压为10V，电注为020mA。EM222CN为8输出的数字量扩展模块，采用直流24伏电源供电，用于扩展CPU226CN的输出点数。4.5.3 变频器的选择此次设计采用西门子MM440变频器。进料电动机由MICROM ASTER440系列变频器供电和控制。变频器MM440系列（MicroMaster440）是德国西门子公司广泛应用与工业场合的多功能标准变频器。MM440变频器具有体积小、价格低、操作灵活等特点7。西门子MM440变频器为客户提供了很多用于检测和控制的输入输出接线端子。客户可以根据实际需要选择某些端子构成控制系统的弱电回路。接线端子如表4-2所示。表4-2 MM44弱点接线端子端子号名称功能类别备注1+10V为模拟电路提供+10V电源电源20V为模拟输入提供公共点电源3AIN1+模拟输入1正端模拟输入4AIN1-模拟输入1负端模拟输入5DIN1数字输入端1数字输入6DIN2数字输入端2数字输入7DIN3数字输入端3数字输入8DIN4数字输入端4数字输入9+24V为数字电路提供+24V电源电源10AIN2+模拟输入2正端模拟输入11AIN2-模拟输入2负端模拟输入12AOUT1+模拟输出1正端模拟输出13AOUT1-模拟输出1负端模拟输出16DIN5数字输入端5数字输入17DIN6数字输入端6数字输入18NC1继电器1常闭开关输出19NO1继电器1常开开关输出20COM1继电器1动开关输出21NO2继电器2常开开关输出22COM2继电器2动开关输出23NC3继电器3常闭开关输出24NO3继电器3常开开关输出25COM3继电器3动开关输出26AOUT2+模拟输出2正端模拟输出27AOUT2-模拟输出2负端模拟输出280V为数字输入提供公共点电源29P+RS485通信30N-RS485通信开关量端口：MM440变频器的6个数字输入端口（DIN1DIN6），即端口“5”、“6”、“7”、“8”、“16”和“17”，每一个数字输入端口功能很多，用户可根据需要进行设置。开关量输入端口可以很方便的通过直流电源与开关构成数字量输入。直流电源可以是外接的24伏直流电，也可以直接连在变频器的+24V电源。MM440变频器可以通过6个数字输入端口对电动机进行正反转运行、正反转点动运行方向控制等操作. 开关量既可以作为方向转换的控制信号，也可以作为速度切换的控制信号。开关量进入变频器后经过内部的光电耦合电路然后与控制电路(CPU)连接。MM440变频器用一些开关量输出来表示变频器的运行状态，开关量的输出均为继电器式，触点与内部电路进行电气隔离。模拟量端口：MM440变频器为用户提供了两对模拟输入端口，即端口“3”、“4”和端口“10”、“11”，还为用户提供了两对模拟输出端口，端口12、13和端口26、27.模拟量输出可以将内部反映变频器运行状态的信息以模拟电流或电压的形式输出，外部电路则根据这些信息进行显示或调节。3.MM440变频器的容量选择在一般情况下，如果容量适配，变频器的额定电流通常会大于或等于对应电动机的额定电流，但在实际应用中却并不完全如此7。由于变频器传给电动机的是脉冲电流，其脉冲值比工频供电时电流要大，因此，须将变频器的容量留有适当的余量。此时，变频器应同时满足以下三个条件： （4-1） （4-2） （4-3）式中：负载所要求的电动机的轴输出功率；电动机的效率（取0.918）；为电动机的功率因数（取0.87）；为电动机电压（取380）；为电动机电流（取70）；电流波形的修正系数（PWM方式时，取1.051.10）；为变频器的额定容量（kVA）；为变频器的额定电流（A）。根据以上公式，此次设计选用型号为6SE6440-2UD34-5FB1的通用变频器，输出功率68.6 kVA。4.6 I/O端子分配和系统计算4.6.1 I/O端口分配在设计PLC控制系统时我们首先要搞清楚的就是系统个工艺过程从工艺过程中了解设计此系统有哪些数字量、模拟量输入以及数字量、模拟量输出。搞清楚输入和输出是我们进行下位机PLC程序设计的第一步，搞清楚了输入、输出之后我们要在PLC的端子上对他们进行分配。此次设计的I/O分配表如表4-3所示。表4-3 I/O分配表端口地址元件功能I0.0SB0启动I0.1SB1停止I0.2SQ1压块上限I0.3SQ2剪切刀上限I0.4SQ3小车左行到位I0.5SQ4小车右行到位I0.6高速计数器入口I0.7激活高速计数器I1.0SQ6板材计数I1.1SQ7板材限位I1.2SB2手动方式I1.3SB3自动方式I1.4SB4手动进料I1.5SB5手动压料I1.6SB6手动剪切I1.7SB7手动送料I2.0SB8急停I2.1FR1变量泵电机故障I2.2FR2小车电机故障I2.3SB9点动进料I2.4SQ5小车空载I2.5SQ8进料电机反转Q0.0KM1变量泵电机启动Q0.1KM2进料电机正转Q0.2KM3小车右行Q0.3KM4小车左行Q0.41YA压块下行Q0.52YA剪切刀下行Q0.63YA剪切刀上行Q0.74YA系统升压或卸荷Q1.0HL1手动剪切显示Q1.1HL2自动方式显示Q1.2HL3手动方式显示Q1.3HL4手动进料显示Q1.4HL5手动压料显示Q1.5HL6急停显示Q1.6HL7手动送料显示Q1.7HL8变量泵电机故障显示Q2.0HL9小车电机故障显示Q2.1KM5变频器启动Q2.3KMB抱闸电机启动Q2.4KM6进料电机反转AIW0压力变送器输入AQW0模拟量输出此次设计应用了22个数字量输入和20个数字量输出，1个模拟量输入和1个模拟量输出。表中AIW0和AQW0分别连接到了扩展模块EM235CN的模拟量输入端和模拟量输出端。AIW0连接的是压力传感器的输出端为PLC提供压力传感器的压力值，当压力达到设定要求时动作。AQW0连接的是变频器，是把PLC处理好的数据传送给变频器，变频器再控制进料电机和液压变量泵，使他们按照预定的速度运行。变频器的启停通过Q2.1控制。I0.6作为高速计数器的入口连接光电编码器接收来自光电编码器的脉冲。I0.7是高速计数器的计数开关当其得电时高速计数器开始计数定长。I1.0连接光电开关给高速计数器复位信号同时还给板材计数器加一。4.6.2 系统计算本系统采用光电编码器和电动机同轴联接。减速器传动比为32.76，用于驱动设备的传动辊直径为100mm，光电编码器每转脉冲数为2000个/转。假设要求剪切板材的长度为VD6，VD6长度下对应的脉冲数值为VD10，每毫米距离的脉冲数为N，进料电机额定转速下板材的运行速度为V则。根据电动机和减速器的技术参数，可以计算与剪板机相关的运行数据。VD6长度下对应的脉冲数值： 个 （4-4）每毫米距离的脉冲数：个/mm （4-5）进料电机全速运行的传动速度： mm/s （4-6）高速的传动速度即为全速运行的传动速度为236.4625 mm/s中速运行的传动速度： mm/s （4-7）低速运行的传动速度： mm/s （4-8）剪板机板材定长误差： mm5 下位机程序设计5.1 STEP7-Micro/WIN软件西门子S7-200采用的是STEP7-Micro/WIN编程软件，本次设计也是采用这一软件实现的。STEP 7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATIC S7-200 PLC编程软件，简单易学，能够解决复杂的自动化任务，适用于所有SIMATIC S7-200 PLC机型软件编程16。它可以使用包括中文在内的多种语言，支持梯形图、语句表和功能块图，还可以对三种语言进行切换。V4.0版编程软件的界面如下图5-1所示。图5-1 V4.0版编程软件界面软件界面包括程序块、数据块、系统快、符号表、状态表、交叉引用表、通信和设置PG/PC接口组成。程序块由编程代码和注释组成，注释是方便我们读程序而设的是可选量，代码有主程序代码、子程序代码和中断程序代码，代码下载到PLC中使PLC运行既定的控制。数据块是设定程序块中程序中的参数用的，它由数据和注释组成。系统块是用来设置系统参数的，一般情况下系统参数都采用默认值。我们只有在用户程序处于运行状态时才用状态表，状态表可用来监视、修改和强制程序执行时指定的变量的状态。交叉引用表列举出程序中使用的各编程元件的触点、线圈等在程序的哪个具