剪板机PLC和组态王报告教材.docx
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剪板机PLC和组态王报告教材
剪板机控制系统
高稳沈阳航空航天大学北方科技学院
摘要：
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。
PLC是近几年发展起来的一种新型工业控制器，由于其变成灵活，功能齐全，在工业过程控制中的应用越来越广泛。
阐述了如何将先进的PLC控制技术应用到全自动剪板控制系统中，并给出了相应的硬件结构和软件分析，旨在提高剪板机的工作可靠性，从而增强人工操作的安全性。
文中首先介绍了PLC和剪板机的工作原理，在设计硬件的基础上，对软件进行设计，采用组态软件建立人机监控界面，使自动剪板过程得以实现，并能实时的监控输送过程。
关键词：
自动剪板；PLC；组态软件；实时监控
1、绪论
1.1设计剪板机的意义
剪板机广泛的应用于在板材加工系统中,板料长度检测，板料进料、压紧、走刀、落料、长度调整等过程必须按一定的节拍控制精确度动作，而且不同长度、不同厚度、不同材料的板材,各动作行程、先后顺序、刀具位置等要求都不一样，对于这样的控制要求,传统控制柜很难实现，而且存在比较大的安全隐患，而使用PLC控制技术则不但能实现各种复杂功能而且大大简化了线路，消除了安全隐患，因而具有比较高的性价比和可靠性。
我国使用PLC进行自动控制，至今尚未完全普及。
传统的控制系统复杂且功能不完善、效率低、可靠性差、自动化程度不高、安全系数低。
全自动PLC剪板机的应用，可以获得较好的控制效果。
我国机床行业（剪板机为主）在很多方面都依赖国外，关键检测设备和一起绝大多数需要进口解决，严重阻碍自助创新能力的提高和新产品的发展。
在我国进入快速发展的新时期，剪板机市场有所开拓，在教学、科研、生产制造、技术支持、试验检测等环节对外国的依赖性减少，剪板机市场呈现良好发展态势。
因此，我们必须提高剪板机的自主开发、制造能力，加快技术引进和国际合作，才能降低成本，缩短产品周期，提高生产效率，增强企业的竞争力。
1.2剪板机的概述
剪板机英文名为plateshears;guillotineshear，在工业生产过程中常常为剪切板料的剪切机，简单的工作原理就是使用一个刀片和相对的另外一组刀片作往复直线运动，机械原理和剪刀类似，以此原理来剪切一些板材的机械便成为剪板机。
剪板机在机械分类中多属于锻压机械中的一种，剪板机主要应用于金属加工行业，可以适用于建筑、船舶、汽车、冶金、化工、电力、电器等各个场合，也是行业中的一种专用剪板机械，目前随着现代化工业技术的迈进剪板机也开始有了他独特的发展道路，因为加工要求以及剪板加工环境不同，也分为多种类型的机械。
国外的剪板机的技术经过多年发展，目前功能越来越齐全，操作越来越方便。
根据国外资料统计，在工业控制中80%都采用PLC来完成，目前国外PLC应用在自动控制这一领域占60%左右。
意大利萨瓦尼尼公司研制出的一条S4金属薄板冲剪系统，可将折弯件的图形转换为平面图形。
并自动生成冲剪程序，冲剪程序生成后，整个过程无需人工看管和干预。
随着国外技术日新月异的发展，剪板机必将实现智能化、体系开放化、驱动数据化、通信网络化、设备运行的高速化和加工高精化。
2.系统工作原理
剪板机剪切后应能保证被剪板料剪切面的直线度和平行度要求，并尽量减少板材扭曲，以获得高质量的工件。
剪板机的上刀片固定在刀架上，下刀片固定在工作台上。
工作台上安装有托料球，以便于板料的在上面滑动时不被划伤。
后挡料用于板料定位，位置由电机进行调节。
压料缸用于压紧板料，以防止板料在剪切时移动。
护栏是安全装置，以防止发生工伤事故。
回程一般靠氮气，速度快，冲击小。
剪板机如图1所示。
图1剪板机
3、剪板机的硬件配置
3.1PLC简介
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，Programmable Controller（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Programmable Logic Controller（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。
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。
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。
PLC控制器本身的硬件采用积木式结构，有母板，数字I/O模板，模拟I/O模板，还有特殊的定位模板，条形码识别模板等模块，用户可以根据需要采用在母板上扩展或者利用总线技术配备远程I/O从站的方法来得到想要的I/O数量。
PLC在实现各种数量的I/O控制的同时，还具备输出模拟电压和数字脉冲的能力，使得它可以控制各种能接收这些信号的伺服电机，步进电机，变频电机等，加上触摸屏的人机界面支持，施耐德的PLC可以满足您在过程控制中任何层次上的需求。
3.2CPU处理模块
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。
CPU224模块输入、输出单元的接线图如图2所示。
图2CPU224模块输入、输出单元的接线图
3.3剪板机的I/O分配
本系统需要17个输入点和9个输出点。
根据PLC的特点和系统设计的需要，输入信号包括开关、周期循环按钮、手动按钮等等。
输出信号包括电机、刀下切、压钳下压等等。
其I/O分配如表1所示。
表1元件地址I/O分配
PLC地址（PLC端子）
电气符号
（面板端子）
功能说明
I0.0
SD
开关
I0.1
SB1
自动循环13次
I0.2
SB2
单周期循环
I0.3
SB3
单步控制
I0.4
SB4
周期停止
I0.5
SB5
急停
I0.6
SB6
自动返回
I1.0
SQ1
送料限位
I1.1
SQ2
压钳下限位
I1.2
SQ3
刀下限位
I1.3
SQ4
压钳上限位
I1.4
SQ5
刀上限位
I2.0
SB7
手动送料
I2.1
SB8
手动下压钳
I2.2
SB9
手动下刀
I2.3
SB10
手动上压钳
I2.4
SB11
手动上刀
Q0.0
A
数码管A口
Q0.1
B
数码管B口
Q0.2
C
数码管C口
Q0.3
D
数码管D口
Q0.4
M1
料右行输出
Q0.5
M2
压钳下压输出
Q0.6
M2
刀下压输出
Q0.7
M4
压钳上行输出
Q1.0
M5
刀上行输出
3.4剪板机的外部接线
PLC输入点与系统分为二部分相连接，系统的开关、自动循环13次、单周期循环、单步控制、周期停止、急停、自动返回分别与PLC输入点I0.0～I0.6相连；送料限位、压钳下限位、刀下限位、压钳上限位、刀上限位分别与输入点I1.0～I1.4相连接；手动送料、手动压钳下压、手动刀下切、手动压钳回位、手动刀回位分别与输入点I2.0~I2.4相连接。
PLC输出点与数码管的A、B、C、D以及物料右行、压钳下压、刀下切、压钳上行、刀上行相连接。
外部接线图如图3所示。
图3PLC外部接线图
4.剪板机软件设计
4.1编程软件介绍
STEP7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WinAC的编程、监控和参数设置，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。
STEP7具有以下功能：
硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。
STEP7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按F1可以得到该对象的相关帮助。
在STEP7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。
STEP7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATICS7、M7、C7和WinAC的数据。
实现STEP7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP7中。
4.2剪板机机程序设计及分析
4.2.1程序的设计
自动装车系统分为三部分。
系统启动之后，物料开始右送；
如果物料到预设位置，则压钳进行下压；
如果压钳压到底，则刀开始下切。
刀切完之后，压钳和刀一起往上回位，回到上限位结束，以此进行循环。
程序流程图如图3.1所示。
N
图3.1自动剪板机系统流程图
4.2.2程序分析
打开“开关”，按“单周期循环”按钮，则送料开始；送料到达限位开关I1.0时，送料结束；压钳开始下压，到压钳下限位限位开关I1.1时，压钳下压结束；刀开始下切，到了刀切的下限位时，刀切结束；刀和压钳同时开始回位上行，到各自的上限位时，上行结束，周期结束。
当“开关”打开时，按“自动循环”按钮，会按照上述顺序进行，当结束时，会重新开始新一轮。
在自动循环过程中按“周期停止按钮”，在一个周期结束时会停止。
手动部分是在于想单独控制每一步的动作，按相应的按钮会有相应的动作。
在工作时候按“急停”按钮，所有的运行会停止在按下的那一刻，在任意时刻按“自动返回”按钮，则会恢复到初始状态。
当“开关”按钮不打开时，任何按钮都不能起作用。
5、剪板机机监控界面的设计
5.1组态软件的概述
组态软件，又称组态监控软件系统软件。
译自英文SCADA,即SupervisoryControlandDataAcquisition（数据采集与监视控制）。
它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。
它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统。
组态软件是有专业性的。
一种组态软件只能适合某种领域的应用。
组态的概念最早出现在工业计算机控制中，如：
DCS（集散控制系统）组态、PLC（可编程控制器）梯形图组态；人机界面生成软件就叫工控组态软件。
在其他行业也有组态的概念，如AutoCAD，PhotoShop等。
不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。
从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。
工控组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的支持VB，现在有的组态软件甚至支持C#高级语言。
5.2定义数据词典
在系统中要先对不同类型的数据进行定义才能进行系统的设计。
本系统实时数据的定义如图5.2所示。
5.3用户界面的制作
皮带输送机的欢迎界面如4所示，监控系统界面如5.3所示。
5.4命令语言的编写
用户界面制作完成后要与界面编制程序，程序是用户界面的后台支持。
一方面程序使得用户界面与下位机PLC实现通讯，使用户界面可以控制系统的运行。
另一方面程序建立了画面中动画和系统状态的联系，使用户画面中可以实时的反应系统的运行情况。
本系统编写的命令语言如下：
//送料限位
if（\\本站点\送料滑块==100）
{\\本站点\送料限位=1;}else{\\本站点\送料限位=0;}
//压钳下限位
if（\\本站点\压钳滑块==100）
{\\本站点\压钳下限位=1;}else{\\本站点\压钳下限位=0;}
//刀下限位
if（\\本站点\刀滑块==100）
{\\本站点\刀下限位=1;}else{\\本站点\刀下限位=0;}
//压钳上限位
if（\\本站点\压钳滑块==0）
{\\本站点\压钳上限位=1;}else{\\本站点\压钳上限位=0;}
//刀上限位
if（\\本站点\刀滑块==0）
{\\本站点\刀上限位=1;}else{\\本站点\刀上限位=0;}
//自动13次指令
if（（\\本站点\周期停止==0&&\\本站点\急停==0&&\\本站点\自动返回==0&&\\本站点\自动13次指令==1||\\本站点\自动循环13次==1）&&\\本站点\开关==1&&\\本站点\计数器!
=13）
{\\本站点\自动13次指令=1;}else{\\本站点\自动13次指令=0;\\本站点\计数器=0;}
//刀回位瞬间
if（\\本站点\刀滑块==10&&\\本站点\刀回位指令==1）
{\\本站点\回位瞬间指令=1;}else{\\本站点\回位瞬间指令=0;}
//单周期循环指令
if（（\\本站点\单周期循环==1||\\本站点\单周期循环指令==1||\\本站点\周期停止==1）&&\\本站点\回位瞬间指令==0&&\\本站点\急停==0）
{\\本站点\单周期循环指令=1;}else{\\本站点\单周期循环指令=0;}
//单步指令
if（\\本站点\开关==1&&\\本站点\单步控制==1）
{\\本站点\单步指令=1;}else{\\本站点\单步指令=0;}
//顺序移动指令
if（\\本站点\自动13次指令==1||\\本站点\单周期循环指令==1||\\本站点\单步指令）
{\\本站点\顺序移动指令=1;}else{\\本站点\顺序移动指令=0;}
//送料指令
if（（\\本站点\顺序移动指令==1&&\\本站点\压钳上限位==1&&\\本站点\刀上限位==1||\\本站点\手动送料||\\本站点\料右行指令）&&\\本站点\开关==1&&\\本站点\送料限位==0&&\\本站点\急停==0&&\\本站点\自动返回==0）
{\\本站点\料右行指令=1;}else{\\本站点\料右行指令=0;}
//压钳下行指令
if（（\\本站点\顺序移动指令==1&&\\本站点\送料限位==1&&\\本站点\压钳上限位==1&&\\本站点\刀上限位==1||\\本站点\手动下压钳==1||\\本站点\压钳下压指令==1）&&\\本站点\开关==1&&\\本站点\急停==0&&\\本站点\自动返回==0&&\\本站点\压钳下限位==0）
{\\本站点\压钳下压指令=1;}else{\\本站点\压钳下压指令=0;}
//刀下行指令
if（（\\本站点\顺序移动指令==1&&\\本站点\压钳下限位==1&&\\本站点\刀上限位==1||\\本站点\手动下刀==1||\\本站点\刀下切指令==1）&&\\本站点\开关==1&&\\本站点\急停==0&&\\本站点\自动返回==0&&\\本站点\刀下限位==0）
{\\本站点\刀下切指令=1;}else{\\本站点\刀下切指令=0;}
//压钳回位指令
if（（\\本站点\顺序移动指令==1&&\\本站点\刀下限位==1||\\本站点\自动返回==1||\\本站点\手动上压钳==1||\\本站点\压钳回位指令==1）&&\\本站点\开关==1&&\\本站点\急停==0&&\\本站点\压钳上限位==0）
{\\本站点\压钳回位指令=1;}else{\\本站点\压钳回位指令=0;}
//刀回位指令
if（（\\本站点\顺序移动指令==1&&\\本站点\刀下限位==1||\\本站点\自动返回==1||\\本站点\手动上刀==1||\\本站点\刀回位指令==1）&&\\本站点\开关==1&&\\本站点\急停==0&&\\本站点\刀上限位==0）
{\\本站点\刀回位指令=1;}else{\\本站点\刀回位指令=0;}
//回位瞬间料回零
if（\\本站点\回位瞬间指令==1）
{\\本站点\送料滑块=0;\\本站点\板下落指令=0;\\本站点\切掉板下落=0;}
\\送料滑块右移
if（\\本站点\料右行指令==1）
{\\本站点\送料滑块=\\本站点\送料滑块+10;}
\\压钳下移
if（\\本站点\压钳下压指令==1）
{\\本站点\压钳滑块=\\本站点\压钳滑块+10;}
\\刀下移
if（\\本站点\刀下切指令==1）
{\\本站点\刀滑块=\\本站点\刀滑块+10;}
\\压钳上移
if（\\本站点\压钳回位指令==1）
{\\本站点\压钳滑块=\\本站点\压钳滑块-10;}
\\刀上移
if（\\本站点\刀回位指令==1）
{\\本站点\刀滑块=\\本站点\刀滑块-10;}
\\板下落开始
if（\\本站点\送料滑块==100&&\\本站点\刀滑块==100）
{\\本站点\板下落指令=1;}
\\板下落移动
if（\\本站点\板下落指令==1）
{\\本站点\切掉板下落=\\本站点\切掉板下落+10;}
\\计数器加
if（\\本站点\自动13次指令==1&&\\本站点\切掉板下落==10）
{\\本站点\计数器=\\本站点\计数器+1;}
6、程序调试
在实验初期，想用PLC的程序改变成组态王的语言，用以达到相似的效果，但发现两者虽然有些共通之处，但是具体一些功能还是需要改变才能实现。
比如在PLC中用数码管显示计数，但是在组态中只需要数值自加然后显示就可以看到数字。
在PLC里电机运动是输出的持续信号，在组态王里是需要一次一次的自加来实现物体的移动。
在改程序的过程中，发现改完以后程序运行不正常，仔细检查才发现是改动过程中粗心导致的一些错误，改完之后运行才算正常。
PLC改成组态的语句的时候是非常复杂的，一步小心就会出错，所以一定要小心再小心，仔细检查。
7.实验体会
本次的实验的内容是剪板机控制系统，再一次的实验，让我们又深入得熟悉了PLC的应用，更熟练的掌握了程序的编写。
在实验的过程中，我们遇到一个又一个的问题，在老师和同学的帮助下，在自己的刻苦努力下，终于克服重重困难，把实验做成功。
之后的组态王的课设中，由于是刚接触这一软件，不是太熟悉，所以只能从头学起。
终于在最后学会了一些操作，完成了本次的任务。
在这里要感谢老师和同学的各种帮助，谢谢！
参考文献
[1]赵相宾.可编程控制器技术与应用系统设计.机械工业出版社，2002，7
[2]廖常初.PLC编程及应用.机械工业出版社，2005，3
[3]胡学林.可编程控制器原理及应用.电子工业出版社，2007,1
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42-44
[5]常晓玲.电器控制系统与可编程控制器.机械工业出版,2008:
78-80
附录Ⅰ程序梯形图
剪板机梯形图
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