基于S7200 PLC薄钢板定长剪切控制系统设计.docx
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基于S7200PLC薄钢板定长剪切控制系统设计
基于S7-200PLC薄钢板定长剪切控制系统设计
1．绪论
1.1课题背景和目的意义
定长剪切机是一种精确控制板材加工尺寸，将大型板块进行定长剪切的设备。
传统定长剪切机采用继电器作为控制器件，其控制系统较复杂，参数改变不灵活，大量接线使系统可靠性降低，维修率高，降低了生产效率。
PLC以其灵活性、快速性、可靠性和性价比高等特点越来越受到企业或者团体设计者们的欢迎，在各行各业的应用越来越广泛。
用PLC替代继电器设计剪切控制系统，具有操作简单，运行可靠，抗干扰能力强，编程方便，控制精度高的明显优势。
基于以上PLC特点，本课题主要研究如何应用S7-200PLC设计一个薄钢板定长剪切控制系统，设计的关键是如何提高定长剪切的精度。
1.2设计现状及发展趋势
薄钢板剪切是钢材加工行业中常见的工序，钢板剪切的主要设备是剪切机，而普通剪切机存在诸多不足。
普通剪切机存在的主要不足有：
（1）加工精度不高
造成加工精度不高的主要原因，一方面是加工尺寸由操作人员用普通钢尺手动测得，精度难以保证；另一方面采用异步电动机带动链条传动机构，这样不仅定位精度低，而且易造成剪切面的机械偏差，这种偏差随加工板材宽度增加而加大。
（2）操作繁琐，容易出错
剪切机需要人工操作，剪切动作的控制需人工完成，占用人力资源，也容易出错。
（3）能耗大，效率低
剪切机的动力系统一般使用普通异步电机，在剪板过程中不断启停，能耗大、效率低。
由普通剪切机发展而来的传统自动剪切机采用继电器作为控制器，其控制系统较复杂，参数改变不灵活，大量接线使系统可靠性降低，维修率高，降低了生产效率。
随着我国经济的持续高速增长，社会对各类板材的需求量不断增长，对板材加工的精度提出了更高的要求，由于板材生产对一定长度的要求，人们希望能够精确对板材进行定长切割。
另外，随着企业之间的竞争日益加剧和人力资源成本的上升，厂家为了在竞争中占据有利地位，除了保证板材加工的精度外，对板材加工的效率也提出了更高的要求。
基于上述情况，板材生产加工企业迫切需要高精度、高效率的生产设备。
剪切机是板材加工企业的关键生产设备之一。
在可预见的未来，剪板机发展趋势和需求方向是，一些资金雄厚的企业，出巨资购买全新数控剪切机；相当一批中小企业没有足够的资金，希望通过对原设备的技术改造来满足要求。
对普通剪切机或传统自动剪切机升级改造，提高工作效率和剪板精度，降低能耗，这方面有较大的市场需求。
PLC一直以来为各种工业设备提供了非常好的控制定长切割，其功能越来越强大，不断完善和扩展的网络功能，朝着高性能小型化发展。
用可编程序控制器进行控制，省去了如继电器之类的固体电子器件，简化了繁杂的硬件接线线路，使控制具有极强的的柔性和功能的可拓展性；同时可编程序控制器具有性能稳定,工作可靠，操作简单，调节方便，显示直观，自动保护等特点。
1.3PLC控制系统设计的原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量为目的的。
PLC系统设计应遵循以下原则。
（1）满足要求原则
最大限度的满足被控对象的控制要求是设计控制系统的首要前提，也是设计中最重要的一条原则。
（2）安全可靠原则
控制系统长期运行中能否达到安全、可靠、稳定，对设计控制系统来说至关重要。
为了达到这一点，要求在系统设计、器件选择和软件编程上全面考虑。
例如，在设计上应该保证PLC程序不仅在正常条件下能正确运行，而且在一些非正常情况下也能正常工作。
系统应该具有能接受并且只能接受合法操作，对非法操作程序能予以拒绝的能力。
（3）经济实用原则
经济实用也是系统设设计的一项重要原则，这就要求不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护既方便又低成本。
（4）适应发展原则
控制系统的要求也一定会不断的在提高和完善。
在控制系统设计时，要考虑今后的发展和完善，这就是要求选择的PLC机型和输入/输出模块要能适应发展的需要，要适当留有发展余量。
1.4方案论证
方案一：
在剪板机刀口后面安装一个接近开关，当钢板经过夹送辊，通过刀口到达预定位置，接近开关检测到钢板头已经到达就启动刹车系统停车，并发送信号给PLC，PLC发送信号启动冲压系统将钢板剪切。
如果钢板超过了设定位置，就命令电机反转，直到与设定值一致。
改变接近开关距离刀口的长度就能够方便改变要剪切钢板的尺寸。
此方案的好处是原理简单，安装和维护方便，编程较容易。
不足的是，钢板的长度只有到达位置和没有到达位置两种粗略状态，系统不能够监测实际尺寸跟设定参数差距值，因此使PLC控制电机运转幅度不好把握，很难得到预想结果，造成误差较大。
方案二：
针对方案一体现的不足，可用旋转光电编码器测量实际的钢板尺寸，安装光电编码器和夹送辊同轴，根据夹送辊的周长和旋转数据能方便地计算出钢板经过夹送辊的尺寸，将检测数据以脉冲形式反馈到PLC进行处理存储。
一开始先加速运行，后匀速运行，快到达预定位置之后再制动减速停车。
当检测到钢板尺寸与设定值一致，PLC启动冲压系统将钢板剪切，如果超过设定值，PLC命令电机反转，直到和设定值一致。
本方案的优点是，在不掉电情况下，继电器能够记录钢板的尺寸参数，调整电机正转或反转幅度有具体的参数指导，控制精度比方案一较高。
相对方案一，方案二取消了接近开关，使用了旋转增量式光电编码器，成本上较有上升，编程也较复杂，但其控制精度较高，且成本在可承受范围内，性价比比较高，总体来说比方案一好。
本设计采用方案二。
2．系统总体设计
2.1系统控制要求
本设计的薄钢板定长剪切控制系统要达到以下控制要求：
（1）待切材料从左向右牵引电动机前行，光电编码器信号用来测量牵引的长度，待牵引长度达到预先设定的数值时，电动机制动且动作。
（2）通过PLC高速计数器控制指令和光电编码器实现精确定长切割。
2.2系统结构及工作原理
图2-1定长切割结构图
工作原理：
待切材料从左向右牵引电动机前行，光电编码器信号用来测量牵引的长度，待牵引长度达到在高速计数器中预先设定的数值时，电动机制动且切刀动作，即实现定长切割。
从图2-1中可以看出，S7-200作为控制的核心，主要对牵引长度进行计算和对切刀进行控制。
2.3运动控制的基本架构
运动控制是电气控制的一个分支，它使用通称为伺服机构的一些设备，如液压泵、线性执行机或者电机来控制机器的位置和速度。
运动控制在机器人和数控机床领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常称为通用运动控制。
运动控制被广泛应用在包装、印刷、纺织和装配工业中。
一个运动控制系统的基本架构（如图2-2）包含以下部分：
一个运动控制（如PLC）。
用以生成轨迹点（期望输出）和闭合位置反馈环。
许多控制器也可以在内部闭合成一个速度环。
一个驱动器或放大器（如伺服控制器和步进控制器）。
用以将来自动控制器的控制信号（通常是速度或扭矩信号）转换为更高功率的电流或电压信号。
更为先进的智能化驱动可以自身闭合位置环和速度环，以获得更精确的控制。
一个执行器，如液压泵、气缸、线性执行机或电机，用以输出运动。
一个反馈传感器，如光电编码器、旋转变压器或霍尔效应设备等，用以反馈执行器的位置到位置控制器，实现和位置控制环的闭合。
PLC电机
光电编码器
图2-2运动控制系统基本构架
众多机械部件用以将执行器的运功形式转换为期望的运动形式，包括齿轮箱、轴、滚珠丝杠、齿形带、联轴器以及线性和旋转轴承。
通常，一个运动控制的工艺文件的功能主要如下：
（1）速度控制。
（2）点位控制（点到点）。
有很多方法可以计算出一个运动轨迹，它们通常基于一个运动的速度曲线，如三角速度曲线、梯形速度曲线或者S型速度曲线。
（3）电子齿轮（或电子凸轮），也就是从动轴的位置在机械上跟随一个主动轴的位置变化。
一个简单的例子：
一个系统包含两个转盘，它们按照一个给定的相对角度关系转动。
电子凸轮较电子齿轮更复杂一些，它使得主动轴和从动轴之间的随动关系曲线是一个函数。
这个曲线可以是非线性的，但必须满足一个函数关系。
从运动控制的基本架构可以看出，PLC作为一种典型的运动控制核心，起到了非常重要的作用，这主要归结于PLC具有高速脉冲输入、高速脉冲输出和运动控制模块等软硬件功能。
3．系统硬件设计
3.1光电编码器
光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件，它是通过电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。
光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成的。
旋转编码器分为绝对式和增量式两种，绝对式编码器在码盘上分层刻上表示角度的二进制数码或循环码（格雷码），通过接收器将该数码送入计算机。
绝对式编码器常用于检测转角，若需得到转速，必须对转角进行微分处理。
增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅。
光电编码器的光栅盘与电动机同轴，电动机转动时，光栅盘与电动机同速旋转，经过发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理如图所示。
通过计算每秒钟光电编码器输出脉冲的个数就能得到当前电动机的转速，此外为判断旋转方向，光栅还可以提供相位差90°的双向脉冲正交信号。
增量式光电编码器输出两路相位相差90°的脉冲信号A和B，当电动机正转时，脉冲信号A的相位超前脉冲信号B的相位90°，经逻辑电路处理后形成高电平方向信号；当电动机反转时，脉冲信号A的相位滞后于脉冲信号B的相位90°，经逻辑电路处理后的方向信号为低电平。
因此根据超前和滞后的关系可以确定电动机的转向，转向判别的原理如图3-1所示。
图3-1区分旋转方向的A、B两组脉冲序列
3.2高速计数器
高速计数器可以对CPU扫描速度无法控制的高速事件进行计数，可设置多种不同操作模式。
高速计数器的最大计数频率决定于CPU类型。
S7-200CPU内置4-6个高速计数器（HSC0-HSC5,其中CPU221及CPU222不支持HSC1及HSC2）,这些高速计数器的频率可达到20kHz,有12种工作模式，而且不影响CPU的性能。
高速计数器对所支持的计数、方向控制、重新设置及起动均有专门输入。
对于双相计数器，两个计数器都可以最大速率运行。
对于正交模式，可选择1倍（1×）或4倍（4×）最大计数速率工作。
HSC1和HSC2相互完全独立，并不影响其他的高速功能。
全部计数器均可以以最大数率运行，互不干扰。
高速计数器经常用于距离检测和电机转数检测。
当计数器的当前值等于预设值或发生重置时，计数器提供中断。
高速计数器允许在中断程序内装载新的预设值，使程序简单易懂。
（1）高速计数器工作模式
对于相同的操作模式，全部计数器的运行方式均相同。
共有12种工作模式。
请注意并非每种计数器均支持全部操作模式。
HSC0、HSC1、HSC2、HSC3、HSC4和HSC5高速计数器的工作模式如表3-1所示。
表3-1S7-200PLC高速计数器的输入点和模式
模式
中断描述
输入点
HSC0
I0.0
I0.1
I0.2
HSC1
I0.6
I0.7
I1.0
I1.1
HSC2
I1.2
I1.3
I1.4
I1.5
HSC3
I0.1
HSC4
I0.3
I0.4
I0.5
HSC5
I0.4
0
带有内部方向控制的单相计数器
时钟
1
时钟
复位
2
时钟
复位
启动
3
带有外部方向控制的单相计数器
时钟
方向
4
时钟
方向
复位
5
时钟
方向
复位
启动
6
带有增/减计数时钟的双相计数器
增时钟
减时钟
7
增时钟
减时钟
复位
8
增时钟
减时钟
复位
启动
9
A/B相正交计数器
时钟A
时钟B
10
时钟A
时钟B
复位
11
时钟A
时钟B
复位
启动
（2）高速计数器的控制字
定义计数器及计数器模式后，可对计数器动态参数进行编程。
各个高速计数器均有控制字节，用来启动或关闭计数器、控制方向（只用于模式0、1和2）或其他全部模式的初始计数方向、、装在当前数值及预设数值。
执行HSC指令可修改控制字节及当前值和预设值。
高数计数器的控制字如表3-2所示。
表3-2高速计数器的控制字
HSCO
HSC1
HSC2
HSC3
HSC4
HSC5
说明（0、1、2位仅在HDEF指令中用）
SM37.0
SM47.0
SM57.0
SM147.0
复位控制：
0高电平复位，1低电平复位
SM37.1
SM47.1
SM57.1
SM147.1
启动控制：
0高电平启动，1低电平有效
SM37.2
SM47.2
SM57.2
SM147.2
正交速率：
0为4倍速率，1为1倍速率
SM37.3
SM47.3
SM57.3
SM137.3
SM147.3
SM157.3
计数方向：
0向下计数，1向上计数
SM37.4
SM47.4
.SM574
SM137.4
SM147.4
SM157.4
方向更新：
0无更新，1更新方向
SM37.5
SM47.5
SM57.5
SM137.5
SM147.5
SM157.5
预设值更新：
0无更新，1更新预设值
SM37.6
SM47.6
SM57.6
SM137.6
SM147.6
SM157.6
当前值更新：
0无更新，1更新当前值
SM37.7
SM47.7
SM57.7
SM137.7
SM147.7
SM157.7
允许控制：
0禁止HSC,1允许HSC
3.3高速光耦转换器
由于光电编码器（通常5-12V）与PLC输入信号（24V）经常不一致，建议使用高速光耦转换器进行电平转换，如图3-2所示为典型的光耦转换接线。
图3-2光耦转换器接线图
3.4PLC控制系统
3.4.1PLC选型
S7-200PLC是一种叠装式结构的小型PLC，它指令丰富，功能强大，可靠性高，结构紧凑，便于扩展，性能价格比高。
从CPU模块的功能来讲，S7-200系列PLC具有以下五种不同结构配置的CPU单元。
（1）CPU221有6输入/4输出，无扩展，存储容量较小，有一定的高速计数能力，适合于点数少的控制系统。
西门子公司的
（2）CPU222有8输出/10输出，可以进行模拟量的控制和2个模块的扩展，应用更广泛的全功能控制器。
（3）CPU224有14输入/10输出，存储容量扩大了一倍，有7个扩展模块，内置时钟，有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是S7-200系列中使用最多的产品。
（4）CPU224XP最新推出的一款实用机型，最大的不同是主机上增加了2输入/1输出的模拟量单元和一个通信口，适合有少量模拟信号的系统中使用。
（5）CPU226有24输入/16输出，增加了通信口的数量，通信能力大大增强，用于点数较多，要求较高的小型或中型控制系统。
根据以上S7-200系列PLC不同CPU资源的了解，CPU224是S7-200系列中使用最多的产品，且选择CPU224能够满足设计要求，因此选择CPU224。
3.4.2系统硬件接线图
图3-3系统硬件接线图
3.4.3PLC端口分配
控制系统PLC的I/O点地址分配如表3-3所示
表3-3I/O资源分配
输入
名称
输出
名称
I0.0
启动按钮（NO）
Q0.0
电动机运行
I0.1
停止命令（NO）
Q0.1
制动
I0.6
光电编码器转换后的A相信号
Q0.2
切刀
I0.7
光电编码器转换后的B相信号
I1.0
计数器复位端
I1.1
计数器启动端
4.系统软件设计
4.1高速计数器的编程
本设计关键，是利用S7-200的高速计数器对光电编码器脉冲信号进行计数，采用中断的方式实现相应的动作，减轻CPU负担且加快反映速度。
利用第一次脉冲实现对高速计数器的初始化，选择高速计数器HSC0，工作方式4，允许更新当前值，允许更新预置值，以方便在运行过程中对参数进行修改。
1.高速计数器的编程步骤
下面对高速计数器的编程进行说明。
在下列说明中，假设采用HSC1作为计数器模型。
（1）计数器初始化
✧调用子程序
利用第一扫描内存位SM0.1调用初始化操作的子程序。
因为使用子程序调用，随后的扫描不再调用这个子程序，所以可以降低执行时间并使程序结构化更强。
✧装载控制字
参阅上述控制字表，确定HSC1的控制字，并装载控制字到SMB47中。
✧执行HDEF指令
✧装载高速计数器的当前值
用所要当前数值装载SMD48（双字尺寸数值，装载零进行清除）。
✧装载高速计数器的预设值
用所要预设值装载SMD52（双字尺寸数值）。
✧设置中断
为了捕捉当前数值等于预设数值，将CV=PV中断事件（事件13）附加于中断程序，对中断进行编程。
✧启动全局中断
执行全局中断启动指令（ENI），启动全局中断。
✧对高速计数器编程
执行HSC指令，使S7-200对HSC1进行编程。
（2）改变计数方向
（3）装载新当前数值（任何模式）
改变当前数值，强迫计数器在进行改动的过程中处于关闭状态。
计数器被关闭时，将不再计数或生成中断。
（4）装载新预设数值
（5）关闭高速计数器
4.2系统程序
图4-1主程序
图4-2子程序
图4-3中断程序
运动控制的工艺文件
参考文献
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机械工业出版社，2003：
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清华大学出版社，2008.10
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C7900-G7060-C104-01-5D00
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中国水利水电出版社，2007，196-198.
结束语
我们在葛教授的指导下进行了为期两周的课程设计，设计开始时，葛教授就要求我们可以通过这次课程设计扎实我们的基础和专业知识，提高我们分析、设计和开发工程的能力。
课程设计开始的第一天我们进行了设计题目的选择，在这次设计中我们是分为几个小组进行设计的，这样能体现我们的组织能力。
在葛教授的指导下，我们经过近两周的设计，到图书馆查阅资料，在网上搜索相关知识，还有向老师请教，终于完成了本次设计。
通过这次设计，我们了解了PLC的起源、发展历程和发展趋势，了解了薄钢板定长剪切行业概况，熟悉了PLC在工业控制系统中的开发和应用。
在大学所学知识的基础上，我们尝试了基于PLC的薄钢板定长剪切控制系统的设计，并因此将所学知识系统化、理论化、实用化。
通过本次课程设计，我们提高了使用已知知识和获取相关资料的能力，进一步培养了我们踏实、勤奋、严谨的工作态度。
本设计基本达到了预定目的，将S7-200PLC应用到薄钢板定长剪切控制系统中，通过合理的设备选型、参数设置和软件设计，改善传统剪切机的性能，还通过高速计数器和光电编码器的结合提高了定长切割精度，提高了生产速率，节省电能，降低故障。
但本次设计中还存在诸多不足，还有待完善。
时间过得很快，转眼间两周的课程设计时间就过了，虽然时间很短，但我过的很充实，我在设计过程中学到了很多知识。
在这里非常感谢葛教授的指导，没有葛教授的指导，将很难完成这次课程设计。
还要感谢同组的其他成员，它们也给了我很大的帮助。
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