板材切割自动化控制系统论文 510.docx
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板材切割自动化控制系统论文510
目录
1板材切割自动化控制系统的概述1
1.1板材切割自动化控制系统的发展历程1
1.2板材切割自动化控制系统分类及基本工作流程1
2PLC的简介3
2.1PLC的发展历程3
2.2PLC的组成部分及作用-5-
2.3PLC的特点-6-
2.4PLC的应用范围-6-
3金属板材切割系统总体设计-8-
3.1金属板材切割系统设计总体思路-8-
3.2板材切割系统的机械结构-8-
3.3金属板材切割系统工作原理-9-
3.4板材切割系统的功能-10-
3.4.1检测输入信号-10-
3.4.2控制输出信号-11-
4硬件系统配置及PLC选型-12-
4.1硬件构成简述-12-
4.2PLC选型-12-
4.3PLC的I/O资源分配-13-
4.3.1输入部分-13-
4.3.2输出部分-14-
4.4其他方面资源配置-15-
4.4.1限位开关-15-
4.4.2电磁阀-16-
4.4.3接触器-16-
4.4.4人机界面-16-
4.4.5各类按钮-17-
5软件系统设计-18-
5.1总体流程设计-18-
5.1.1手动控制模式-18-
5.1.2自动控制模式-19-
5.2各个模块梯形图设计-20-
5.2.1手动程序-21-
5.2.2自动程序-22-
5.2.3调用子程序-25-
总结-29-
参考文献-30-
致谢-31-
摘要
目前很多生产单位依然采用人工手动操作，不仅步骤繁多，而且需要熟练的技巧和丰富的经验，同时在实际的工业生产环境中，由于在切割时产生大量粉尘，噪声等因素，使得工业现场环境十分恶劣，工人的身体产生坏的影响。
同时各种不同的材料，因为工作人员的熟悉程度。
容易造成产品质量不稳定。
本文介绍了板材切割自动化控制系统的分类及基本工作流程，简单介绍了PLC有关情况，板材切割自动化控制系统的总体方案，具体详细地说明了它的软件和硬件设计。
同时也分析了PLC对板材切割过程的控制方法，本控制系统涉及的主要硬件是S7-200PLC、限位开关、电磁阀、接触器等
关键词：
PLC、板材切割自动化控制系统、电磁阀、接触器
1板材切割自动化控制系统的概述
1.1板材切割自动化控制系统的发展历程
液压控制系统，该系统结构复杂、制造要求高，使用此类设备需要增设油泵站，增加占地面积和噪声，但是中国在液压方面的原件制造工艺及质量方面的原因，对于某些控制要求无法达到，因此需要进口国外设备，使得该类设备在维护方面有部分困难。
采用单片机控制系统，其核心处理器为单片机，此类控制系统多为用户自行设计，在可靠性方面无法与成熟的产品相比，而在工厂的实际生产环境中，用电设备较多而且功率较大频繁的启停控制容易造成电网电压波动，同时电磁干扰也对单片机控制系统的性能有较大的影响，容易产生程序跑飞等现象。
基于计算机控制系统，硬件结构方面总线标准化程度高，软件资源特别丰富，可支持实时操作系统，具有快速、实时性强、可进行复杂处理的优点，但对环境有一定的要求，要在干扰小，具有一定温度和湿度的环境下使用。
在复杂的生产环境下，粉尘和电磁干扰会影响计算机的控制性能。
使用可编程控制器的控制系统，适用于工业现场环境恶劣，干扰较多的场合，同时编程易学简单，利于推广，最重要的是其安装方便、设计简单，如果需要改变控制逻辑或增加控制功能时，只需改变程序即可，对硬件连线改动较少，便于进行技术改造。
采用PLC作为控制器具有运行速度快、调试时间周期短、维护简单和较高的可靠性。
1.2板材切割自动化控制系统分类及基本工作流程
根据切割材料不同，板材切割系统主要分为两个方面，一个是金属切割方面，另一个是石板切割方面。
但其主要工作流程大体是相同的，都包含：
工件传输、到位检测、切割机启动准备、切割过程启动、工件处理等过程。
本设计主要关于金属切割方面。
金属板材切割示意图如图1-1所示
图1-1金属板材切割系统示意图
2PLC的简介
2.1PLC的发展历程
（一）早期的PLC（60年代末—70年代中期）
第一阶段：
开发的PLC容量较小，I/O点数小于120点。
用户存储区容量在2KB左右，扫描速度为20~50ms/KB，指令较为简单，只有逻辑运算、计时、计数等，编程语言采用简单的语句表语言。
使用上，主要用来作开关量控制。
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。
这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。
（二）中期的PLC（70年代中期—80年代中，后期）
第二阶段：
PLC的容量有所扩展，同时指令功能除了基本的逻辑运算、计时、计数外，还增加了算术运算指令、比较指令，以及模拟量处理指令等，输入／输出类型也由纯开关量I/O，扩展为带模拟量的I/O。
编程语言除了使用语句表外，还可以使用梯形图编程语言。
而且采用了微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）使得PLC得功能大大增强。
（三）近期的PLC（80年代中、后期至今）
进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。
而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。
这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
目前，可编程控制器在机械制造、板材切割、石油化工、冶金钢铁、汽车、交通，轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
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。
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。
2.2PLC的组成部分及作用
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式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。
CPU是PLC的核心部件之一， 它的主要功能有：
① 采集输入信号 ②执行用户程序；③刷新系统输出；④执行管理和诊断程序； ⑤与外界通信。
CPU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。
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
PLC的I/O部分，因用户的需求不同有各种不同的组合方式，通常以模块的形式供应，一般可分为：
① 开关量I/O模块② 模拟量I/O模块③ 数字量I/O模块④ 高速计数模块⑤ 精确定时模块⑥ 快速响应模块 ⑦ 中断控制模块⑧ PID模块⑨ 位置控制模块⑩ 轴向定位模块⑾ 通信模块。
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
编程设备：
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。
小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。
人机界面：
最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
输入输出设备：
用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。
因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
大多数具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。
对于一个自动化工程（特别是中大规模控制系统）来讲，选择网络非常重要的。
首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。
2.3PLC的特点
（1）编程方法简单易学
（2）功能强，性能价格比高
（3）可靠性高，抗干扰能力强
（4）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
（5）系统的设计、安装、调试工作量少
（6）维修工作量小，维修方便
（7）体积小，耗能低
（8）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
2.4PLC的应用范围
（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
（5）数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
（6）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
3金属板材切割系统总体设计
3.1金属板材切割系统设计总体思路
金属板材切割系统的设计主要包括两个方面：
一个是机械结构设计，另一个是PLC电气控制设计。
机械机构是实现控制功能的基础；PLC电气控制系统是实现控制功能的核心部分，两方面的设计过程相互独立。
3.2板材切割系统的机械结构
电气控制系统等及其附属结构和设备。
该金属板材切割系统的机械结构比较简单，主要包括牵引机、切割机、液压系统和电气控制系统。
（1）牵引机
牵引机一般是由互相平行的前后两对辊子组成，通过电动机的驱动带动工件进行前后移动，完成工件的输送功能。
（2）切割机
切割机是切割系统的核心设备，一般包括压紧机构、切割枪和进给系统等设备。
压紧机构有一对V型铁在气缸的带动下，通过杠杆机构进行压紧，通过PLC的指令控制气缸的上升和下降，最后实现压紧和松开的操作。
切割枪包括三个气体阀门，按照不同的开启顺序，通过PLC的控制可实现切割枪的打开和关闭。
进给系统是通过步进电动机来实现的，利用PLC的高速脉冲输出和电动机方向输出，来实现进给系统的精确控制。
（3）液压系统
液压系统由泵站和相应的液压控制系统构成，相应的油缸通过对应的泵站进行控制，完成其功能。
板材切割系统的机械组成部分示意图如图3-1所示。
图3-1板材切割系统的机械组成部分示意图
（4）电气控制系统
如图3-2所示的电气控制结构示意图，电气控制柜主要安装PLC控制及其扩展模块，除此之外还有一些继电器等设备用于驱动相关执行机构，例如，电动机等，同时在电器柜中还要安装一些显示机构，在调试时，便于观察数据是否正确，以判断过程是否满足控制要求，电气控制系统组成示意图如图3-3所示。
图3-2电气控制结构示意图图3-3电气控制系统组成示意图
3.3金属板材切割系统工作原理
接通电源后，通过按下控制面板上的启动按钮，整个系统开始工作，牵引机、压紧装置、切割枪等按照程序设定顺序启动，同时PLC检测外部各个开关量反馈的状态，以确定如何进行控制。
该系统的工作过程包括以下几个方面：
（1）首先大车携带工件前进，使工件到达切割枪所在位置下方，可通过切割枪下方的限位开关进行检测。
（2）大车到位后，启动压紧装置，经过延时后，压紧结束。
（3）延时结束后，切割枪下降到位。
（4）下降到位后，依次启动乙炔阀门、切割氧阀门、高压氧阀门，点燃火焰。
（5）待预热一段时间后，启动切割枪左右移动电动机，开始切割过程。
（6）切割结束，切割枪复位。
（7）松开压紧机构，大车在步进电机的驱动下移动固定长度。
（8）再次起用切割枪，切割过程循环进行。
板材切割系统工作主要过程如图3-4所示。
图3-4金属板材切割系统工作主要过程示意图
3.4板材切割系统的功能
切割系统的功能主要是完成板材的切割和移动，即通过牵引机（大车）将板材运送到指定位置，切割枪或刀盘的位置处，然后通过切割枪和刀盘，对板材进行切割处理，当一次完整的切割过程结束后，大车在驱动机构的作用下前进一段距离，该距离为程序设定时所需切割的长度，然后再进行切割过程，循环进行直到达停止的条件。
其主要涉及两方面的功能：
一是检测输入信号；二是控制输出信号。
3.4.1检测输入信号
板材切割自动化控制系统主要完成对操作按钮输入的检测、大车输送到位的检测、切割枪位置的检测、大车步进到位的检测等。
（1）操作按钮输入检测。
完成对人工操作台的输入按钮的检测，主要的输入按钮有急停、复位、自动/手动选择按钮、自动启动按钮、切割枪上下移动及左右移动按钮、大车前进和后退按钮、工件压紧和松开按钮、切割枪乙炔阀门按钮、切割枪的切割氧和高压氧阀门按钮等。
（2）大车输送到位的检测。
完成对大车输送情况的检测，当大车第一次携带工件到达切割枪处时，停止大车电动机的运行。
（3）切割枪位置的检测。
大车到位后则开始切割过程，在切割过程中，主要是对切割枪的位置进行检测，包括四个限位开关，切割枪的上位、下位、左位、右位四个限位开关，用来控制切割枪的运行，到达限位开关处停止PLC的输出，保证切割枪在一定范围内进行切割操作。
（4）大车步进到位的检测。
在完成一次完整的切割过程后，切割枪复位，大车在步进电机的驱动下移动一定长度后，到达限位后停止步进电动机。
3.4.2控制输出信号
控制输出的方式主要有：
大车步进电机的控制、切割枪左右运动电动机的控制、切割枪电磁阀的控制、切割枪气体阀门的控制、压紧装置的控制。
（1）大车步进电动机的控制。
控制该电动机的启停和移动的长度，既要保证大车的运行速度又要确保按照设定的长度移动，包括PLC输出的脉冲个数和电动机的转动方向。
（2）切割枪左右运动电动机的控制。
控制该电动机的方向和启停，保证切割枪能正向运行也能反向运行，实现切割枪的切割操作和复位操作。
（3）切割枪电磁阀的控制。
控制该电磁阀的通断，在大车到位后，将电磁阀接通，把切割机下降到位，是切割枪的位置正好处于工件的上方便于切割。
切割过程结束后，切割机在电磁阀的作用下提升到位，然后移动到初始位置。
（4）切割枪气体阀门的控制。
控制该阀门的通断，在切割枪下降到位后，依次打开切割枪的乙炔阀门、切割氧阀门、高压氧阀门，以便启动切割枪的运行。
（5）压紧装置的控制。
控制电磁阀的通断，当工件被输送到位后，通过压紧机构将工件固定，然后才能启动切割。
切割结束后，先松开工件以便工件进行移动。
4硬件系统配置及PLC选型
4.1硬件构成简述
如图4-1所示的是金属板材切割控制系统的硬件设备连接示意图。
此控制系统的核心处理器是PLC，主要输入和输出量多为数字量。
图4-1金属板材切割系统硬件示意图
4.2PLC选型
根据控制系统的功能要求，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7-200系列PLC作为板材控制系统的主机。
此控制系统的控制过程比较简单，算法也不复杂，因此选用的CPU总共有19个数字量输入和10个数字量输出，共需29个数字量I/O。
根据I/O点数，以及程序容量和控制的要求，选择CPU224作为该控制系统的主机。
CPU224具有以下特性：
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
16K字节程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
是具有较强控制能力的控制器
4.3PLC的I/O资源分配
根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行设置，具体分配如下所示。
4.3.1输入部分
在此控制系统中，所需要的输入量基本上都属于数字量，主要包括各种控制按钮和各种限位开关，共有19个数字输入量，如表4-2所示。
输入地址
输入设备
输入地址
输入设备
I0.0
急停
I1.2
手动大车前进
I0.1
复位
I1.3
手动大车后退
I0.2
手动/自动
I1.4
手动工件压紧
I0.3
自动切割启动
I1.5
手动工件松开
I0.4
手动切割枪上升
I2.0
切割枪上限开关
I0.5
手动切割枪下降
I2.1
切割枪下限开关
I0.6
手动切割枪左移
I2.2
切割枪左限开关
I0.7
手动切割枪右移
I2.3
切割枪右限开关
I1.0
手动切割枪乙炔阀门
I2.4
大车到位开关
I1.1
手动切割枪切割氧和高压氧阀门
表4-2数字输入量地址
4.3.2输出部分
在这个控制系统中，主要输出控制的设备有各种接触器、电动机等，共有10个输出点，其具体分配如表4-3所示
输出地址
输出设备
输出地址
输出设备
Q0.0
步进电动机脉冲输出
Q0.5
切割枪下降电磁阀
Q0.1
步进电动机方向
Q0.6
切割枪乙炔阀门
Q0.2
切割枪电动机正向接触器
Q0.7
切割枪切割氧阀门
Q0.3
切割枪电动机反向接触器
Q1.0
切割枪高压氧阀门
Q0.4
切割枪上升电磁阀
Q1.1
压紧装置
表4-3数字输出量地址分配
根据控制系统的功能要求，如表4-2和表4-3所示的I/O分配情况以及如图4-1所示的硬件连接示意图，设计出板材切割自动化控制系统PLC控制部分接线图，如图4-4所示，此控制面板上的手动控制部分主要在调试系统中使用，调试完成后基本处于闲置状态。
图4-4金属板材切割控制系统PLC控制部分硬件接线图
4.4其他方面资源配置
要完成系统的功能除了PLC及其扩展模块之外，还需要各种限位开关、电磁阀和接触器等仪器设备。
4.4.1限位开关
在此系统中共用了4个限位开关：
上限位开关、下限位开关、左限位开关和右限位开关。
限位开关主要用来控制切割枪在运动过程中的停止位置，防止移动超限导致事故。
（1）上限位开关。
上限位开关用于控制切割枪在上升时的位置，防止切割枪向上运动超出范围。
事先在切割系统工作平台上方合适的位置上安装好限位开关，当切割枪逐渐上升，直到接触到工作台上方的限位开关时，PLC控制切割枪停止上升。
（2）下限位开关。
下限位开关用于控制切割枪在下降时的位置，防止切割枪向下运动超出范围。
事先在切割系统工作平台下方合适的位置上安装好限位开关，当切割枪逐渐下降，直到接触到工作台下方的限位开关时，PLC控制切割枪停止下降。
（3）左限位开关。
左限位开关用于控制切割枪向左运动时的位置，防止切割枪向左运动超出范围。
事先在切割系统工作平台合适的位置上安装好限位开关，当切割枪向左运动，直到接触到工作台左边的限位开关时，PLC控制切割枪停止向左运动。
（4）右限位开关。
右限位开关用于控制切割枪向右运动时的位置，防止切割枪向右运动超出范围。
事先在切割系统工作平台合适的位置上安装好限位开关，当切割枪向右运动，直到接触到工作台右边的限位开关时，PLC控制切割枪停止向右运动。
4.4.2电磁阀
此系统中切割枪的上升和下降是通过控制气缸来实现的，使用一个气缸、一个电磁阀就能实现切割枪的上升和下降，对于利用切割枪的正反转来实现升降，汽缸控制简单方便；在压紧装置中也采用了气缸控制。
在板材切割系统中，共采用了四个电磁阀。
（1）上升电磁阀：
控制气缸驱动切割枪上升到设定位置。
（2）下降电磁阀：
控制气缸驱动切割枪下降到设定位置。
（3）压紧电磁阀：
控制气缸来驱动压紧机构压紧工件。
（4）松开电磁阀：
控制气缸来驱动压紧机构松开工件。
4.4.3接触器
此系统中，大车不需要时刻连续运转，而是根据PLC检测相关状态后，发出控制大车运行指令。
因此，就必须在大车的电动机部分装一个可以控制电动机与转和停止的接触器，再连接到PLC控制接触器，最后达到控制目的。
切割枪的运行同样也不需要时时刻刻工作，因此在切割枪附近放置的接近开关，则可以将工件到位的信号传至到PLC，控制压紧机构的运行，并且在程序中控制切割枪在压紧装置到位的情况下开始工作。
4.4.4人机界面
由于需要对板材切割长度进行修改，为了方便修改，需要采用人机界面进行控制和显示。
在此控制系统中，采用西门子公司为S7-200设计的文本显示面板TD200。
实物图见图4-5
图4-5西门子文本显示器TD200实物图
文本显示器TD200的特点如下。
1．最大显示2行中文文本。
2．支持中英文显示。
3．与S7-200通过RS-485通信。
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