基于PLC的钢板横切机控制系统设计＊

王晓华

(潍坊学院,山东 潍坊 261061)

1 横切机组结构组成

在纸张纸板、金属板材等工业生产领域,经常需要将原材料切边、矫直后进行高精度定长切割,所采用的生产设备为横切机。横切机组结构示意图如图1所示。

图1 横切机组示意图

据图1所示,该横切机组包括开卷机、切边机、矫直机、飞剪车、风机与传送台、垛板台、电气控制柜、操作台等几个大的部分。系统主要的接触器、继电器及直流电动机调速装置装配在电气柜内。

2 横切机控制工艺分析

2.1 横切机剪切流程

首先,调节好钢板速度后,启动横切机组进入自动剪切状态。PLC根据定尺编码器发来的脉冲可以得出钢板走过的长度以及行进速度,并根据行进速度求得将要给飞剪车电机调速板的速度信号。

其次,当钢板达到预定长度时,PLC发信号至飞剪车电机调速板,飞剪车由零位启动并加速,在调速板的固定斜率时间内,加速到与钢板行进相同的速度转入匀速运行,经过时间 T或者到达一定位置后,PLC发信号打开飞剪车上的飞剪气动电磁阀,飞剪在气动传动装置作用下下刀进行切板。剪切完毕后,PLC发返回信号至飞剪车电机调速板,飞剪车先在调速板的固定斜坡时间内减速至零,而后反向加速,最后停在零位位置等待下次剪切[1]。

2.2 飞剪车定时控制方案

同直流调速装置一样,飞剪也是横切机组的关键设备,它在保证剪刀和机组其它设备及带材的速度同步配合的情况下,将平动中的带材按要求的定尺进行高精度的剪切。由于飞剪车通过传动丝杠带动,其速度太快会加快丝杠的磨损,速度太慢又保证不了工作效率。因此,对飞剪车及飞剪的控制成为整个系统的核心问题。

飞剪车速度变化过程:零→正向加速→匀速→正向减速→零→反向加速→匀速→反向减速→零;

飞剪车位置变化过程:零位→下刀剪切位置→前冲一小段距离→下刀剪切位置→零位。

飞剪车速度/位移理想线性变化曲线如图2所示。

图2 飞剪车速度/位移变化示意图

0-t1段为正向加速阶段,t1为飞剪车电机调速板上升斜坡时间(0.1s-999.9s可调,本系统中设置为0.2秒),在这段时间内,控制电动机从零加速到给定速度,同时飞剪车在丝杠传动带动下从零位开始向右加速行驶。

t1-t2段为正向匀速运行阶段,飞剪车继续向剪切位置行驶,在t2时刻,PLC控制剪刀下切,同时发送返回信号给飞剪车电机调速板。

t2-t3为正向减速阶段,飞剪车电机调速板下降斜坡时间(0.1s-999.9s可调,本系统中设置为0.2秒),调速板接到返回信号后,在这段时间内控制电机进入正向制动运行阶段。t3时刻,飞剪车到达最大位置,不再继续前行。

t3-t4为反向加速阶段,上升斜坡时间与正向加速时相同。这段时间内,飞剪车由最大位置开始返回,即向左行驶。

t4-t5为反向匀速阶段,飞剪车继续左行。

t5-t6为反向减速阶段,在t5时刻,PLC发停车信号至飞剪车电机调速板,电机开始进入停车过程。t6时刻,飞剪车停于初始位置,即零位。

钢板达到剪切长度后,PLC发与给定速度对应的电压信号至飞剪车电机调速板,同时启动定时器1定时0.5s,车开始从零加速,定位编码器正向旋转,0.2s后车速达到钢板运行速度v板,0.5s后(定时到), PLC发剪切信号至剪刀气动电磁阀下刀剪切,同时发送返回信号(与给定速度对应的负电压信号)至飞剪车电机调速板,飞剪车开始减速,速度至零后,开始反向加速,定位编码器开始反向旋转,此时利用定位编码器反向产生的中断,启动另一定时器2定时0.5s,定时时间到后,PLC发送停车信号给飞剪车电机调速板,经过0.2s后,飞剪车停于零位。

3 PLC控制系统的设计与调试

PLC控制系统的设计调试步骤[3]如图3所示。

一般先对用户程序做模拟调试,根据顺序功能图,用小开关和按钮来模拟PLC实际的输入信号,例如用它们发出操作指令,或在适当的时候用它们来模拟实际的反馈信号,如限位开关触点的接通和断开。通过模块上各输出位对应的发光二极管,观察各输出信号的变化是否满足设计的要求。

图3 PLC控制系统设计调试过程示意图

图4 横切机控制系统主程序整体框图

如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大,为了缩短调试时间,可以在调试时将它们减小,模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。在设计和模拟调试程序的同时,可以设计、制作控制台或控制柜, PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行[4]。

4 软件系统设计

PLC上电自检后转为RUN状态,调用初始化子程序,对部分寄存器进行必要的清零,并对高速计数器进行初始化工作[5]。通过子程序的调用,以后的扫描周期不会再次调用此初始化子程序,减少了扫描时间,使得程序更具结构化。初始化完毕后,PLC需要对手动/自动选择开关状态作一判断。若通则进入自动剪切程序,若断则进入手动剪切程序。横切机控制系统主程序框图如图4所示。

5 结束语

横切机自动控制系统涉及到计算机自动控制、直流调速、机械传动等多种技术。设计的控制方案大大提高了横切机的工作效率,采用的控制手段技术先进,稳定可靠,保证了剪切的精度与速度。设计所采用的方法不仅可以用在钢板材的剪切,还可应用于其他板材生产领域当中,具备较强的通用性,有着广泛的工程应用前景。

[1]李发海,王岩.电机与拖动基础[M].北京:清华大学出版社,1994.

[2]陈立定,吴玉香,苏开才.电气控制与可编程控制器[M].广州:华南理工大学出版社,2001.

[3]廖常初.PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2002.

[4]张传祥.电气自动控制系统[M].北京:电子工业出版社,2003.

[5]Siemens.S7-300可编程序控制器编程硬件安装手册[K].