基于PLC的折弯机自动控制系统的研制

鞠青辰，王海祥，梁雅婷，王鹏飞

(金陵科技学院机电工程系，江苏南京 211169)

折弯机在包括飞机、船舶、铁塔、集装箱以及家用电器、建筑构件、金属橱柜等行业得到广泛应用。工件的加工质量主要体现在角度及直线精度上，而折弯机的折弯精度是决定板件折弯质量的首要因素。［1］

目前，液压型折弯机数控系统在国内占据着绝对的优势，但该系统具有易污染环境、液压缸响应慢、生产效率低、结构较为复杂、维修成本较高等缺点，且自20世纪80年代以来再无重大技术改进。基于单片机的折弯机控制器性价比较高，但其抗干扰能力较弱，在较为恶劣的工作环境下对折弯精度有一定的影响;基于嵌入式技术的数控系统，控制精度高，系统稳定可靠，但其开发周期长，对软硬件技术要求较高;基于伺服电机直接驱动的折弯机数控技术是一门新兴的技术，更加适合现代工业技术的发展［2］。

本系统采用西门子公司型号为 S7—200的PLC和型号为TD400C的文本显示器共同控制伺服电机。系统机械结构组成简单，响应速度快，抗干扰能力强，折弯精度高，软件程序可读性高，可移植性强，文本显示器可以为系统提供良好的人机交互界面，弥补了其他类型折弯机的不足，能更好地完成用户的任务。

1 折弯机的工作

1.1 流程分析

根据用户需求和机械要求，设计折弯流程如度、折弯次数等变量之后，随即按下X轴启动按钮，X轴将会运动到设定的位置。然后，用户再按下Z轴启动按钮，Z轴将会以设定的速度运动到设定的距离，完成一次折弯操作。一次折弯完成后，迅速上物料。当设定的间隔时间到后，Z轴回到零点位置，进行第二次折弯操作，与第一次相同。如此循环运动，直到达到用户设定的折弯次数。

1.2 折弯机的机械结构

设计折弯机的机械结构组成如图1所示。折弯机所做的运动是二维的运动，分为X轴和Z轴，由伺服电机控制的X轴负责物料后档板的水平运动，Z轴负责其垂直方向的运动。

图1 机械结构组成

2 折弯机系统设计

2.1 系统结构组成

根据工艺和用户需求，设计此系统由PLC、伺服系统、EM253定位模块和文本显示器组成，如图2所示。

图2 系统结构图

2.2 控制器的选用

根据系统自动控制的要求，采用型号为S7—200的PLC。S7—200系列是一种可编程序逻辑控制器(Micro PLC)，它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7—200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其他智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态、改变输出状态，以达到控制目的［3-5］。

2.3 伺服驱动器的选用

根据系统驱动电机的需要，采用伺服驱动器ESDA 15B-CB 301 C 2 7F。伺服驱动器通过自身带有的CNI端口与PLC系统中的伺服控制单元连接，相互传送信号。伺服驱动器带有的CNI、CN2端口设有多个输入输出端子，通过对这些端子的引用，可以对伺服电机的速度、正反转、给定距离、定位反馈以及故障信号等参数进行控制。

2.4 定位模块的选用

根据系统定位精度的需要，采用EM253位控模块。EM253集成有5个数字量输入点(STP，停止;RPS，参考点开关;ZP，零脉冲信号;LMT+，正方向硬极限位置开关;LMT-，负方向硬极限位置开关)和6个数字量输出点(4个信号：DIS，CLR，P0，P1，或者 P0+、P0-、P1+、P1-)，用于 S7—200的PLC定位控制系统中［6］。

2.5 文本显示器简介

由于输入界面较为简单，所以采用低成本的人机界面(HMI)——TD400C文本显示器，使操作员或用户能够与应用程序进行交互。此系统的用户界面如图3所示。

图3 用户界面

2.6 硬件设计

X轴伺服系统与PLC的硬件接线图如图4所示。

图4 X轴伺服系统与PLC的硬件接线图

Z轴伺服系统与EM253的硬件接线图如图5所示。

EM253的LMT+和LMT-分别提供Z轴的正限位和负限位信号，RPS提供Z轴的参考点信号。P0将脉冲信号传送给Z轴伺服驱动器的PULSE，P1将方向信号传送给Z轴伺服驱动器的SIGN，DIS传递的是Z轴使能信号。

图5 Z轴伺服系统与EM253的硬件接线图

输入、输出触点列表见表1。

表1 输入、输出触点列表

3 折弯机系统的核心算法设计

在物料折弯变形的过程中，Z轴的进深尺寸决定了折弯角度的精度，因此进深尺寸的算法是折弯机系统的核心算法。进深尺寸计算原理图如图6所示［7］。图中A为编程角度，B为下模角度，V为下模开口宽度，R为折弯后的内圆弧半径，h为进深。另外，设板材厚度为t。根据平面几何原理，可得：

图6 进深尺寸计算原理图

这里，为了计算方便，忽略板材的厚度t，因而折弯后的内圆弧半径R也可忽略。当然，可以不考虑物料在折弯过程中的回弹，即不考虑因物料材质的不同而产生的形变。

因此，公式(2)可简化为：

另外，V的长度是固定的，设此折弯系统中V=2cm，则公式(2)又可简化为：

4 折弯机系统的程序设计

4.1 软件设计流程

设计好的系统工作流程图如图7所示。

4.2 程序实例及相应的程序代码

设下模开口宽度V为2cm，物料折弯点长度为10．0mm，折弯角度为90°，物料数量为10件，要求折弯机控制系统完成上述物料的加工。

图7 系统工作流程图

设计的折弯机程序代码如下所示：

网络1

速度设置：设置起停速度、最大速度、加速时间。

LD SM0．0

CALL Q0_0_CTRL：SBR20，5000，50000，0．5，

V0．0，V0．1，VD1

网络2

设置停止位使能。

LD SM0．0

= L60．0

LD I0．1

= L63．7

LD L60．0

CALL Q0_0_Stop：SBR22，L63．7，V129．0

网络3

将工程量转化为脉冲数，VD140接收面板的长度对话框中输入的工程量，单位mm。

LD SM0．0

CALL Scale_EU_Pulse：SBR23，V120：VD140，

30000，15．0，VD6

网络4

将转换过的脉冲数VD6输入到函数中去，并设置伺服电机运行时的速度大小，设置方向位。

LD SM0．0

= L60．0

LD I2．0

= L63．7

LD L60．0

CALL Q0_0_MoveRelative：SBR24，L63．7，VD6，

25000，V120．1，V129．0

网络5

设置X轴使能位。

LD SM0．0

= Q0．4

网络6

设置伺服电机反向运行位。

LD I2．1

= V120．1

网络7

设置停止位。

LD SM0．0

= L60．0

LDN I0．1

= L63．7

LD L60．0

CALL POS1_CTRL：SBR7，L63．7，M10．0，MB12，MD14，MD18，M10．0

网络8

将用户输入的角度变量转化为弧度变量。

LD I0．0

MOVR VD200，VD210

*R 0．01745329，VD210

网络9

将弧度变量除以2．0。

LD I0．0

MOVR VD210，VD220

/R 2．0，VD220

网络10

计算出此弧度变量的正切值。

LD I0．0

TAN VD220，VD230

网络11

计算出Z轴需要下降的高度。

LD I0．0

MOVR 1．0，VD240

/R VD230，VD240

网络12 I2．2作为限位开关的模拟信号。

将限位开关的信号给计数器，并设置计数器清零的外加手动触点I0．1，VW300接收面板的对话框中

输入的折弯次数。

LD I2．2

LD I0．1

CTU C0，VW300

网络13 I2．2作为限位开关的模拟信号。

给出GOTO指令的触发信号的触点，给出运动距离的变量参数VD240，设置运动速度，运动模式，以及运动停止位。

LD SM0．0

= L60．0

LD I0．0

O I2．2

AN C0

= L63．7

LD L60．0

CALL POS1_GOTO：SBR9，L63．7，VD240，1．0，1，I0．1，M10．0，MB12，MD14，MD20

网络14

当M10．0为1时，接通计时器T39。

LD M10．0

TON T39，20

网络15

给出RSEEK指令的触发信号的触点。

LD SM0．0

= L60．0

LD T39

EU

O I1．7

= L63．7

LD L60．0

CALL POS1_RSEEK：SBR11，L63．7，M1．1，

MB24

网络16

设置Z轴使能位。

LD SM0．0

= Q0．6

网络17

设置Z轴手动模式。

LD SM0．0

= L60．0

LDN SM0．0

= L63．7

LD I2．0

A I0．5

= L63．6

LD I2．1

A I0．5

= L63．5

LD L60．0

CALL POS1_MAN：SBR8，L63．7，L63．6，L63．5，

20．0，I10．0，MB14，MD14，MD18，M10．0

4.3 模拟实验结论

经调试及实验后，将程序代码下载到PLC中。在文本显示器中输入折弯点长度10．0mm、折弯角度90°、折弯10次之后，随即按下X轴启动按钮，X轴能运动到X轴正方向10．0mm处。然后，再按下Z轴启动按钮，Z轴能按照设定的速度运动，完成一次折弯操作，折弯角度为90°。当设定的间隔时间到后，Z轴能回到零点位置，进行第二次折弯操作，如此循环运动，最终达到折弯的次数10次。

实验证明，该系统X轴、Z轴方向的移动距离、运动速度精确，在不考虑物料材质的前提下，折弯角度能够达到90°，文本显示器操作简便。该系统反应灵敏，简单实用，达到了预期的设计目的。

5 结束语

本文设计的折弯机系统，以西门子 S7—200PLC为控制器，可以实现折弯机系统的自动化，伺服驱动和定位模块确保了折弯的精确度，以西门子TD400C文本显示器为人机界面，让用户操作起来更简便。满足了产品质量的要求，收到了良好的经济效益，对其他折弯机系统的设计具有一定的参考意义。同时，不同的折弯材料应设定不同的折弯参数，为了取得更好的折弯效果，参数的选择和计算有待进一步研究。

［1］ 田万英，高建和，潘志华．折弯机压力不均匀分布研究［J］．装备，2011(6)：44-47．

［2］ 林景山，史步海．基于PLC和触摸屏的电动折弯机控制系统研究［J］．锻压技术，2010，35(5)：93-95．

［3］ 王淑英．电气控制与PLC应用［M］．北京：机械工业出版社，2005：96-103．

［4］ 李国屏．谈PLC可编程控制器的原理和工业应用［J］．宁波职业技术学院学报，2005(2)：25-27．

［5］ 西门子公司．S7-200可编程序控制器系统手册［EB/OL］．(2008-08-01)［2012-10-10］．http：//www．ad．siemens．com．cn/download/docMessage．aspx?ID=1822＆loginID=＆srno=＆sendtime=．

［6］ 西门子公司．定位模块EM253快速入门［EB/OL］．(2010-07-07)［2012-10-10］．http：//www．ad．siemens．com．cn/download/docMessage．aspx?ID=1239＆loginID= ＆srno=＆sendtime=．

［7］ 白瑞林，卢长龙，胡军山．基于改进BP算法的折弯机核心算法研究［J］．控制工程，2011，18(1)：67-70．