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1、全自动剪板机的PLC控制系统设计摘 要：文章对我国发展低成本自动化的重要性等方面进行了研究。根据实际需要和市场的需求，在常规的可编程控制器（PLC）和单片机控制中，选择了以可编程控制器为主的控制方案。由于自动剪板机是一种可按加工要求，将金属板材剪开、自动计数、并由送料车送到下一工序的顺序控制的设备。由于它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广泛等优点与控制器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，而其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点，在工业过程控制中的应用越来越广泛。加之PLC以其在硬件设计中采用了屏蔽、滤波、光电隔离等技术，在软件设计中采用了故障检测、信息保护与
2、恢复等措施，进一步提高了PLC的可靠性。关键词：可编程控制器 自动剪板机 自动控制 顺序控制全自动剪板机的PLC控制系统设计1 自动剪板机工艺剪板机应用于许多金属加工和薄板开料操作，在设计剪板机之前必须对几个因素进行考虑，包括剪板机的剪切能力、产率增强选件和安全性。剪板机类型由许多因素决定，诸如剪板机可处理材料的长度、厚度和种类。 剪板机可以按剪切形式及其驱动系统进行分类，有两种结构形式常用于电动龙门剪床：闸式（也叫滑块式）和摆式。 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
3、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
4、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。 剪板机依靠重要的标准部件和能够增加生产率的选购件来增强产率，提高生产率可以表现为许多形式：节约人力，改进物料流动，提高精度，改善切口质量并避免辅助操作，但最重要的是增强安全性。1.1 系统的控制要求据剪板机的工作特点,对控制系统提出控制要求如下:1 上电后,检测各工作机构的状态,控制各工作机构处于初始位置。2 进料,由控制系统控制进料机构将待剪板料自动输送到位。3 定剪切尺
5、寸,采用伺服电机控制挡料器位置保证精确的剪切尺寸,其尺寸可是定值也可以设置为循环变动值。4 压紧和剪切,待剪板料长度达到设定值后由主电动机带动压料器和剪切刀具,先压紧板料,然后剪断板料。5 送料车的运行,包括卸载后自动返回。6 剪切板料的尺寸设定、自动计数及每车板料数的预设定。7 具备断电保护和来电恢复功能。8 能实现加工过程自动控制,加工参数显示,系统检测。9 保证板料加工精度、加工效率和安全可靠性。10 具有良好的人机操作界面。1.2 剪板机结构原理自动剪板机是一种精确控制板材加工尺寸,将大块金属板材进行自动循环剪切加工,并由送料车运送到下一工序的自动化加工设备，其结构及原理如图1所示。图
6、1 自动剪板机原理图1.2.1 控制系统的结构系统设置了7个限位开关，分别用于检测各部分的工作状态。其中，SQ1 检测待剪板料是否被输送到位。SQ2、SQ3 分别检测压块B 的状态，检测压块是否压紧已到位的板料；SQ4 检测剪切刀A 的状态；SQ7 为光电接近开关, 检测板料是否被剪断落入小车；SQ5 用于检测小车是否到位；SQ6 用于判断小车是否空载。送料机构E、压块B、剪切刀A和送料小车分别由四台电动机拖动。系统未动做时, 压块及剪切刀的限位开关SQ2、SQ3 和SQ4 均断开, SQ1、SQ7也是断开的。1.2.2工作原理当系统启动时,输入板料加工尺寸、加工数量等参数，按下自动开关，系统
7、自动运行。1 首先检查限位开关SQ6 的状态,若小车空载, 系统开始工作, 起动送料小车。小车运行到位, 限位开关SQ5 闭合,小车停车。2 起动送料机构E 带动板料C 向右移动。当板料碰到行程开关SQ1 时, 送料停止同时制动器松开、电磁离合器结合，主电动机通过传动机构工作。3 压块电机启动,使压块B 压下, 压块上限开关SQ2 闭合。当压块到位, 板料压紧时, 压块下限开关SQ3闭合。4 剪切刀电动机起动, 控制剪刀下落。此时,SQ4 闭合, 直到把板料剪断, 板料落入小车。5 当小车上的板料够数时, 起动小车控制电动机, 带动小车右行,将切好的板料送至下一工序。6 卸下后, 再起动小车左
8、行, 重新返回剪板机下, 开始下一车的工作循环。板料的长度L 可根据需要进行调整, 每一车板料的数量可预先设定。也间接地2 总体设计方案传统的控制方法是采用继电器-接触器控制，但控制系统较复杂,大量的接线使系统可靠性降低,降低了设备的工作效率。采用可编程控硬件制器较好地解决了这一问题。它是一种将计算机技，自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动控制设备,不仅能实现对开关量信号的逻辑控制,还能实现与上位计算机等智能设备之间的通信。因此,将PLC应用于该控制,完全能满足技术要求，且具有操作简单、运行可靠、工艺参数修改方便、自动化程度高等优点。在此对PLC进行简单介绍，在自动化控制领域，PLC
9、是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。以下对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识做一简介。2.1 PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次
10、采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
11、可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量的能力、数字运算的能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。2.1.1 PLC的分类 PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固
12、定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 2.1.2 CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU
13、主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。存储器主要用于存放系统程序、用户程序以及工作数据。PLC常用的存储类型有RAM 、ROM、 EPROM、 EEPROM。图2 PLC的工作原理PLC采用循环扫描工作方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后，又返回第一条，如此周而复始的不断循环。PLC的扫描过程如图2。这个工作过程分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描
14、周期。内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。同信操作服务阶段，PLC与一些智能模块通信，响应程序器键入的命令，更新编程器的显示内容。当PLC处于停止状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、到程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。输入处理又叫输入采样。在此阶段，顺序输入所有端子的通断状态，并将读入的信息存入内存所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新，接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一次扫描周期的输入处理阶段才
15、能被读入信息。程序执行阶段根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。循环扫描的工作方式是PLC的一大特点，也可以说PLC是串行工作的，这和传统的继电器控制系统并行工作有质的区别。PLC的串行工作方式避免了继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。由于PLC采用扫描工作过程，所以在程序的执行阶段即使发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一个周期的输入采样阶段才能改变。扫描周期是一个很重要的指标，小型PLC的扫描周期一般为十几毫秒到几十毫秒。PLC的扫描时间取决于I/O扫描速度和用户程序的长短，以及程序使用的指令类型。毫秒级的扫描时间对于一般工业设备通常是可以接受的，PLC的影响滞后是允许的，但是对某些I/O快速响应的设备，则采取相应的处理措施。如选用高速CPU，提高扫描速度，采用快速响应模块、高速记数模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。影响I/O滞后的主要原因：输入滤波器的惯性，输出继电器接点的惯性，程序执行的时间，程序设计不当的附加影响等。我们在此不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解
