基于S7-1200PLC校直机控制系统的设计.pdf

第 6期 2 0 1 3年 6月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M od ul a r M a c h i ne To o l Aut o m a t i c M a nuf a c t ur i ng Te c h ni qu e NO． 6 J u n ．2 0 1 3 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 3 0 6 0 0 7 5 0 3 基于 S 7 1 2 0 0 P L C校直机控制系统的设计 丁苏赤 ， 杨前坤 合 肥 工业 大 学 机 械 与汽 车工 程 学院 ， 合 肥 2 3 0 0 0 9 摘 要 针 对校 直工 艺的要 求 ， 在 传统 校 直机 的基 础上设 计 了一种 基 于 S 7 ． 1 2 0 0 P L C 自动 校 直机 控 制 系 统。根据控制 系统的要求 ， 设计 了系统硬件 ， 着重描述 了电机控制 、 压头控制以及数据采集 系统。提 出了校 直机 的工 艺流程 ， 给 出 了主从 机 编程 架 构 ， 采 用工 业 以太 网技 术 解 决 了主从机 之 间的通 讯 。 关 键词 校 直机 ； 控 制 系统 ； S 7 1 2 0 0 ； 工 业 P C机 中图分 类 号 T H1 6 ； T G 6 5 文 献标 识码 A The Con t r o l Sy s t e m De s i g n Of The S t r a i g h t i n g M a c h i ne Ba s e d On S 7- 1 2 0 0PLC D I N G S u c h i ， Y A N G Q i a n - k u n S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d A u t o m o b i l e E n g i n e e r i n g He f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， He f e i 2 3 0 0 0 9 ， C h i n a Abs t r a c tCo ns i de r i ng t h e r e qu i r e me n t s o f s t r a i g ht e n i n g t e c h n o l o g y， a n d b a s e d o n t he t r a d i t i o na l s t r a i g h t e n i n g ma c hi n e．a s t r a i g h t e n i n g ma c h i n e c o nt r o l s y s t e m ba s e d o n S 7- 1 2 0 0P LC wa s d e s i gn e d．Ac - c o r d i n g t o t h e r e q u i r e me nt s o f t h e c o n t r o l s y s t e m ，d e s i g n e d t h e ha r dwa r e o f t h e s ys t e m ，de s c r i b e d t h e mo t o r c o n t r ol ，t h e p r e s s u r e he a d c o nt r o l a n d t he d a t a a c q u i s i t io n s y s t e m e mp ha t i c a l l y．Th i s p a p e r p r o po s e d t he wor k p r o c e s s o f t he s t r a i g ht e n i n g ma c h i ne，g i v e d a f r a me o f t h e p r o g r a me a n d s o v l e d t h e c o m mu ni c a t i o n be t we e n t he ma s t e r a n d s l a ve ma c h i n e s by u s i n g t h e t e c h n ol og y o f I nd u s t r i a l Et h e r n e t ． Ke y wo r ds s t r a i g ht e n i n g m a c hi n e；c o n t r o l s ys t e m ；S 7 1 2 0 0；i n d u s t r i a l PC O 引 言 校直机是针对各种轴类零 件在热处理过程 中或 切削加工后产生 弯曲变形进行处理 的关键设备 ， 在 机 械制造 业 中被 广 泛 应 用 的 。国 内早 期 出现 的校 直 机通 常采 用 液 压 缸 驱 动 压 头 和 手 动 控 制 模 式 ， 它 在 一 定程度上满 足了当时 的轴类零 件校直工艺要求 。 但这种压力机也暴露出了人工成本高、 劳动强度 大、 校直精度达不到所需的工艺要求 以及生产效率低等 缺 陷 ， 自动校 直机 的 出现 改 善 了 这种 状 况 。 目前 ， 国 产 自动校直机 自动控制系统常采用 的硬件结构有两 种 P L C触摸屏和工控机 P L C。前者的控制结构 简单 ， 系统稳定可靠 ， 但难 以实现较多品种、 较 多测 量通 道 和较 复杂 工 艺 的校 直 加 工 。后 者 常 采 用 主从 控 制结 构 。在 这种 系统 中工 控 机 主机 中常 加装 数 据采 集卡 完 成 多 通 道 的高 速 数 据 采 集 ， 利 用 工 控 机 强大的软件平 台和存储 能力 实现 较复 杂 的校 直决 策 ， 但这种控 制系统较复杂 ， 成本较高 。因此 ， 设计 一 种成本较低 、 工作稳定可靠、 符合校直机性能要求 的控制 系 统具 有一 定 的实 际意 义 。 本 文在现有 自动校 直机控制 系统 的基 础上提 出了 一 种基 于 S 7 1 2 0 0 P L C的主从 控 制 方 案 。这 种 方 案 中 的 P L C 从机 采 用带 有集 成 运动 控制 功 能 的 S i e m e n s s 7 - 1 2 0 0系列 P L C ， 在保证校直工艺要求的前提下， 舍 弃 了大多数 自动校直机 中对 电机运 动控制所使 用 的运 动控 制卡或 P L C运动控 制模块 ； 工 控机 主机 为一 台 装有数据采集卡的工业 P C机， 同时主机带有 a c c e s s 数据库可以批量存储不同工件的校直参数。 1 控 制 系统硬件结构 1 ． 1 自动校 直机 对控 制 系统 的基本 要 求 1 能够实现 自动校直机 的工作 台、 夹头位置控制 ； 2 能够 快 速 采 集 多 个 通 道 的位 移 传 感 器 位 移 值 ， 并使每一通 道的位移数组 的索 引与该数 据的角 度值存在对应关系。 3 根据校直工艺要求 ， 可 以实现校直时升起任 意砧 座 。 4 能 够计 算 出工件 的校 直 位 置和 校 直量 ， 在 校 直过程中可 以检测压头 的位移值 ， 并可根据压头 的 位移对 压 头 的速度 进行 控制 。 5 针 对不 同 的产 品 ， 可 以调 整测 量 架 位 置和 溢 流阀压力值。 1 ． 2控制 系统 硬件 的设 计 为满足控制系统 的要求 ， 该 自动校直机控 制系 统 的硬 件 主要 由 s 7 ． 1 2 0 0系列 P L C 、 工作 台和 夹头 伺 服驱 动 系统 、 压 头 液 压 驱 动 系 统 、 工 业 P C机及 数 据 收稿 日期 2 0 1 20 91 4； 修回 日期 2 0 1 21 20 l 作者简介 丁苏赤 1 9 5 3 一 ， 男 ， 合肥人 ， 合肥工业大学副教授 ， 多年从事机电一体 化研究 工作 ， Ema i l 1 3 3 2 6 2 5 9 0 9 q q ． c o rn。 7 6 组合机 床 与 自动 化加 工技 术 第 6期 采集板卡及相关 电路等构成⋯ ， 如 图 1所示 。作 为 系统从站 的 s 7 1 2 0 0系列 P L C主要 进行对工作 台、 夹头 、 砧 座 、 压 头 等执 行 机构 的控 制 以及 对 位 移 、 压 力传感器检测值 的处理等。作为系统主站的工控机 和数据采集卡主要承担工件校直参数 的存储、 多通 道传感 器 的数 据采集 以及 校直 工艺 参数 的处 理等 。 图 1校直 机硬 件 结 构 示 惹 图 工件 夹 头 和工 作 台 伺 服 电 机 的 控 制 通 常 自动 校 直机 上 检测 工 件 的转 动 和工 作 台 的位置 调 整采 用 位 置控制 方 式 。在 该 控 制 系 统 中 ， 使 用 了 S I E ME N S s 7 1 2 0 0系列 P L C的 C P U 1 2 1 4 D C ／ D C ／ D C单元 。该 单 元上 的 Q 0 ． O、 Q 0 ． 1与 Q 0 ． 2 、 Q 0 ． 3可 以分别 提 供 两 组脉 冲 和脉 冲方 向信 号 ， 并 可 以定 义 两 个 开 关 量 输 出端子作为伺服电机使能 S R V E n a b l e 信号 。这 两组信号可以满足两台伺服电机 的位置控制。伺服 电机驱 动 器 上 的其 他 开 关 量 输 入／ 输 出信 号 可 以直 接 与 P L C的开关 量输 出／ 输 出端 子连 接 。 压头 的校直过程 控制 该 系统 中 的校直 压 头采 用 一 套独立的液压驱动系统。压头的校直过程采用闭环 速 度控制模 式 。该 系统 中使 用 了一块 P L C模 拟 量输 入／ 输 出单元 。使用该 单 元 的模 拟 量输 出控 制 比例 流 量阀的开度 ， 对 压头的速度进 行调整 ； 使用该模 块 的模 拟量输入采集压头位移传感器的位移信号。在校直过 程中， P L C中的压头控制程序可以根据压头的当前位 置对压头 的速度进行控制 ， 实现压头校直过 程控制 。 多位移传感器的数据采集 在系统采用 N I 公司 的 P C I 一 6 2 2 1数据 采集 卡 和 R D P公 司的 D C T H系 列 位移传感器， 使用安装在从动端夹 紧部件上 的编码 器 的脉 冲输 出信号 作 为外 部 时钟 触 发信 号 进行 各截 面 的跳 动 量数 据采 集 。这 种测 量方 案 可 以完 成 多通 道数据同时采集， 各检测通道跳动量数组 的索引值 与其 角度 值相 对应 。 1 ． 3控制 系统硬 件 的特点 本文提 出用 P L C直 接控 制 电机 ， 并用 P C机来 监 测和处理数据。这种主从方式具有以下优点 ①成本 低 节约控制电机运动的附加硬件模块。② 良好的通 讯 主从 机之 间采用 网线连 接， 数 据传输 速率 可达 1 0 0 Mb p s 。③精度较高 采用了精度较高的数据采集卡， 工件运动采用伺服控制系统 ， 压头速度通过 P I D调节。 2控制 系统软件架构 这种 采用 主从 结构 的校 直机 的软件 架 构 主 要 以 下几部分组成 控制校直机各机构动作的从站 P L C 程序 ； 校直决策、 数据保存 、 系统监控和与 P L C进行 数据 交换 的主 站 P C 程序 。 2 ． 1 自动校直 机 的控 制流程 图2所示为校直机工艺流程图， 具体表述如下， 其 中 3 到 7 步包含了各部件运动过程中的故障处理 1 系统 上 电初 始 化 ， 主 机 向 从 机 发 送 产 品 参 数 ， 选择工作模式。 2 若选择手动模式 ， 根据主机命令从机执行控 制 动作 ， 完成 后返 回。 3 若选 择 自动 模 式 ， 电机 、 气 缸 等 进 行 原 位 检 测 ， 不 在原位 的进 行 回原位操 作 。 4 回原 位后 ， 装载 工件 并启 动左 右气缸 夹 紧 。 5 夹紧完成 ， 对工件校直参数进行检测 。 6 检测完成后 ， 主机根据采集 的数据利用 专门 的校直工艺处理程序 ， 将处理结果 是否需要校直 ， 工件 校直位 置 、 校直量 等 通过 以太 网发送 给从 机 。 7 若无需校直或校直完成 ， 压头、 工作 台等回 原位 ， 卸载工件 ， 返 回到步骤 4 进行下一个 工件的 装载 。若需 校 直 ， 进行 校 直处理 。 8 一次校直完成 ， 返 回步骤 5 再对工件进行 校直 参数 检测 ， 判断 是否需 要再 校直 。 图 2校 亘 机 工 艺 流 程 对伺 服 电机 的 运 动 控 制 采 用 的 是 运 动 控 制 指 令 ， 这 些 指 令 是 隶 属 于P L C o p e n 指 令 集 。 s 7 1 2 0 0 P L C支持 对步 进 电机 和伺 服 驱 动 器进 行 开 环 速 度控制和位置控制 。 。通过组态轴工艺对象 和使 用通 用 的 P L C o p e n运 行 功 能块 包 含 在 工 程 组 态 系 统 S I MA T I C S T E P 7 B a s i c中 即可 实现 。所 谓 轴 工 艺对象是指用户程序与驱动器 的接 口， 本系统的轴 工艺对象有两个 ， 即 s 7 ． 1 2 0 0 P L C程序与伺服驱动器 1 、 伺 服驱 动器 2的接 口。 2 ． 2 软 件框架 图 3所示 为 主从机 系 统 程序 的功 能 块 架 构 。从 机 s 7 - 1 2 0 0 P L C程 序 有 五 部 分 组 成 。系 统 初 始 化 程 序 包括初次扫描、 产品型号选择 、 工作模式选择、 运 动机 构原 位检 测 等 。手动 调 试 程序 包 括 伺 服 电机 、 气缸 、 砧座等的运动控制。故障处理 程序 包括伺服 电机 、 气缸、 压头、 砧座等 的运动 故障处理。校 直检 测程序 包括装卸工件、 参数检测 以及等待校直决策 2 0 1 3年 6月 丁 苏赤 ， 等 基 于 S 7 ． 1 2 0 0 P L C校 直机 控制 系 统的设 计 7 7 等。校直程序 对需要校直的工件进行校直处理。 统 初 始 化 动 调 试 界 动 校 直 界 图 3主 从 机 软 件 基本 功 能 主机客户端程序是用 c 语言开发 出两个人机界 面 。手动调试 界 面 包 含启 动 、 停 止 、 前 进 、 后退 等 按钮， 分别控制伺服 电机的各个运动状态 以及显示测 量架位置、 溢流阀的压力值等。自动校直界面 包含检 测传感器控件 、 校直工艺处理框、 运行状态指示灯等 。 2 ． 3 系统 中主 站与从 站 的通 讯 目前大多数校直机 的主机采用 的是基于串 口通 信的触摸屏。为 了提高通讯 性能 ， 本 系统利用 S i e ． m e n s 公 司提供 的 S i e m a t i c N e t 和 S 7 1 2 0 0标 配 P r o fi ． n e t 端 口， 实现 了主从站之间的工业 以太 网通信 。 3 设计 实例 本文 提 出 的基 于 S 7 1 2 0 0 P L C 的 校 直 机 控 制 系 统 已经用 于实 际产 品 如 图 4 。 图 4校 直 机 现 场 调 试 图 从现场的调试结果来看 ， 这种控制 系统符合 自 动校直机的性能要求 ， 该校直机的部分参数见表 1 。 表 1 校直机主要技术参数 可校直外径 ≤9 0 m m 可校直轴长 ≤1 5 0 0 ram 压头进给速度 24 0 m m／ s ， 连续可调 校直压点数 每次压 1 点 测量点数 5点 检测分辨率 0 ． 0 0 1 mm 可校 直精度 径跳≤0 ． 1 mm 可存储工件数 1 0 0种 4 结束语 本 设计 结 合 了 目前校 直 机行 业 的实 际情 况 。为 了降低成本且 满足校直机性能要求 ， 本文从硬件结 构 ， 软 件架 构 等方 面 做 了 深 入 分 析 。这 种 设 计 在 实 际的校直机研发 中得到很好验证 ， 符合针对小批量、 多品种工件 的校直机性能要求 ， 因此本文提出的 控制系统的设计对校直机行业具有一定 的实际 意 义 。 [ 参考文献] [ 1 ]刘俊．平面校直机液压控制系统 [ D ] ．大连 大连交通大 学 ， 2 01 0 ． [ 2 ]李方园．图解 西门子 s 7 1 2 0 0 P L C从 入门到实践 [ M] ．北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 3 ]S T E P 7 P r o f e s s i o n a l V 1 1 ． 0 S P 2系统手册 ． 2 0 1 1 ． 1 2 ． [ 4 ]朱立军 ， 安 娜 ， 陈未如 ．基 于 V i s u a l c 的 O P C客户端 实 现 [ J ] ．现代 电子技术 ， 2 0 0 9 4 1 7 11 7 3 ． [ 5 ]J o h n S h a r p著 ， 周 靖 译．V i s u a l C 2 0 1 0从 人 门到 精 通 [ M] ．北京 清华 大学 出版 社 ， 2 0 1 0 ． [ 6 ]O P C中 国网 ， 关 于 0 P c ， h t t p ／ ／ w w w ． c h i n a o p c ． o r g ／ A bo u t ． a s px 2 00 9 091 1 1 03 01 2 0 00 01． [ 7 ]张俊彪， 王鸿辉 ， 何长安．基 于 O P C S e r v e r 的 P c与 s 7 ． 3 0 0 ／ 4 O O的通讯 [ J ] ．电力 自动化设备 ， 2 0 0 7 ， 2 7 4 8 3 8 6 ． [ 8 ]潘武平 ．基于 o p c协议的数据通讯 [ D ] ．北 京 北京化工 大学 ， 2 0 0 4 ． [ 9 ]梅飞 ．N I数据采集卡使用说明书． [ 1 0 ]于晓平．轴类 全 自动校直 机 [ J ] ．长春试 验机 研究 所 ， 2 0 0 2 ． 编辑赵蓉 上接 第 7 4页 通过对系统的仿真分析 ， 其结果表明 ， 该 P L C控 制程序能够实现对该 车床的正、 反转起动及运行控 制 ， 起动平稳可靠 ， 并具有点动功 能和必要的保 护及 连锁 环节 ， 达 到 了系统 控制 要求 。 5 结束语 利用 P L C对 C W6 1 6 3卧式车床 电气控制系统改 造后 ， 去掉了原机床 的中间继 电器、 时间继电器等 ， 使线路简化 ， 提高了系统 的可用性和灵活性 ， 生产效 率和加工精度得到很大提高 ， 完全满足工艺要求 ， 实 现了机床的局部 自动化， 取得了良好 的效果 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]刘凤春 ， 王林 ， 周晓丹．可编程序控制 器原理 与应 用基础 [ M] ．北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 2 ]严盈 富．西 门子 s 7 2 0 0 P L C入 门[ M] ．北京 人 民邮电出 版社 ． 2 0 0 7 ． [ 3 ]张万忠．可编程控制器入 门与应用实例 [ M] ．北京 中 国 电力 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ]廖常初．P L C编程及应 用 [ M] ．北京 机械工业 出版社 ， 201 O． [ 5 ]漆汉宏．P L C电气 控制 技术 [ M] ．北京 机 械工 业 出版 社 。 2 0 1 2 ． [ 6 ]陈鸿明．P L C及其网络技术在大 型机械设备 改造 中的应 用 [ D] ．杭卅 I 浙 江大学 ， 2 0 0 5 ． [ 7 ]曾燕飞， 李虎山． 基于 P L C的三面铣组合机床电气控制系统 设计 [ J ] ．组合机床与 自动化加工技术， 2 0 1 0 1 4 4 4 6 ． [ 8 ]罗麦丰 ， 刘娇月 ．三面铣组合机床的 P L C改造 [ J ] ．煤 矿 机械 ， 2 0 0 9 8 1 5 71 5 8 ． [ 9 ]方波 ， 吴健 ．C 6 5 0机床电器控制系统 智能化软件 P L C改 造[ J ] ．机床 与液 压 ， 2 0 1 0 5 1 0 51 0 6 ， 8 7 ． [ 1 0 ]曾葵．基于 P L C技术 的机床控制应用 [ J ] ．制 造业 自动 化， 2 0 1 2 1 0 1 2 91 3 0 ， 1 3 7 ． 编辑赵蓉 校 直 程序 校直 检测 程 故障 处理程 手动 诃试 程