基于PLC的退火机控制系统的设计.pdf

2 0 1 4年 7月 第4 2卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS J u 1 ． 2 0 1 4 Vo l _ 4 2 No ． 1 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 3 ． 0 2 3 基于 P L C的退火机控制系统的设计 钟剑 贞，李文勇，胡勇，张稀琦 桂林电子科技 大学机械3 - 程 学院，广西桂林 5 4 1 0 0 4 摘要针对传统的退火机控制系统操作方式复杂、生产效率低的问题 ，提出了一种基于 P L C 可编程逻辑控制器 、 人机界面和伺服控制技术的控制系统。分析了伺服控制技术在退火机的控制系统的应用并进行了控制系统硬件、软件的设 计。该控制系统程序主要由复位程序、手动控制程序、自动控制程序和故障报警程序组成。并对系统进行了实际运行测 试，结果表明系统操作简便、运行稳定，自动化程度高，效率高等优点。 关键词P L C； 伺服系统；退火机；F P WI N G R 中图分类号T H 2 7 8 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 3 0 8 6 4 De s i g n o f Co nt r o l Sy s t e m o f An ne a l i ng M a c hi n e Ba s e d o n PLC Z HONG J i a n z h e n，L I We n y o n g ，HU Yo n g ，Z HANG Xi q i S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e r i n g ， G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y ， G u i l i n Gu a n g x i 5 41 0 0 4，C h i n a Ab s t r a c t A i m e d a t t h e p r o b l e m s o f c o mp l e x o p e r a t i o n s a n d l o w p r o d u c ti v i t y o f t r a d i t i o n a l c o n t r o l s y s t e m o f a n n e a l i n g m a c h i n e ， a c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n P r o g r a mm a b l e L o g i c C o n t r o l l e r P L C ， Ma n - Ma c h i n e I n t e r f a c e M MI a n d s e n r o c o n t r o l l e d t e c h n o l o g y w a s p r e s e n t ．Ap p l i c a t i o n o f t h e s e r v o c o n t r o l t e c h n o l o gy i n t h e s y s t e m o f a n n e a l i n g ma c h i n e wa s a n a l y z e d．a n d s o f t wa r e a n d h ard w a r e o f t h e c o n t r o l s y s t e m w e r e d e s i g n e d ．T h e p r o gra m o f c o n t r o l s y s t e m w a s ma i n l y c o n s i s t e d o f h o me r e t u r n p r o gra m，man u al c o n t r o l p r o gra m， a u t o ma t i c c o n t r o l p r o gra m a n d f a u l t ala r m p r o g r a m．Mo r e o v e r p r a c t i c al o p e r a t i o n o f t h e s y s t e m w a s t e s t e d ，a n d t h e r e s u l t s h a v e s h o w n t h a t t h e s y s t e m h a s a d v a n t a g e s o f s i mp l i c i t y o f o p e r a t o r ，r u n n i n g s t a b l e ，h i g h a u t o ma t e d l e v e l a n d h i g h p r o d u c t i v i t y ． Ke y wo r d s P L C；S e r v o s y s t e m；An n e ali n g ma c h i n e ；F P W I N- GR 近年来 ，随着工业的迅猛发展，特别是亚洲 ，电 线 电缆行业也蓬勃发展 ，工业对铜线 ，镀 锡等材料需 求变大 ，用户在选择设备时不仅仅只是从价格和功能 两方面来考虑，而且从高效、低耗、高品质、实用、 服务等 方面对设备提 出了更高 的要求 。退火机在线材 加工行业应用十分广泛，是线材加工生产的主要设备 之一。目前，国内的退火机大都还处在手动或者半 自 动状态 ，在其设计思路和原理上还不够完善，控制系 统还是以传统的继电器、接触器、开关等有触点的器 件感组成 ，虽然这样的系统看起来比较简单，价格便 宜，但设备的控制逻辑、灵活性都很差，线材的加工 精度和可靠性更是不高 ，设备容易 出现器件的损 坏和 需要经常维修。综合上述的问题和适应现代化社会的 发展和工业的需求 ，对退火机控制系统进行改进来提 高设备的生产效率和 自动化程度。本文作者提出基于 P L C的控制系统的设计 ，以软件手段来完成各种控制 功能 ，克服了传统电气控制系统的诸多缺点，该控制 系统融人了伺服系统的精密控制优点以及 P L C和触 摸屏的结合，实现了排线系统的精确定位和设备的人 机 自动化界面操作 ，不仅可 以提高产品的质量和生产 效率，还可以减缓人力资源成本带来的压力，节约成 本，提高设备在行业的竞争力。 1 控制系统的整体结构设计 根据系统功能要求和实际情况，重新设计退火 机 的控 制 系统 主要 包 括 P L C 、触 摸 屏 、伺 服放 大 器 驱动器 、力矩 电机 、伺服电机和编码器，系 统的基本结构如图 1所示。该系统分为两大部分 一 是伺服控制系统，由 P L C 、编码器 、伺服 电机 、 驱动器和力矩电机组成 ，以 P L C作为控制系统 的核 心 ，接收外部输入模拟量 、高数计数脉冲、开关量 等信号 ，然后 P L C内部 的检测 计算 后输 出脉 冲和 开 关量来 控制 整个 系统 的运 行 ；二是 人 机 操 作界 面 ， 触摸屏与 P L C通过 R S - 4 8 5通信 电缆连接 ，触摸屏 直接对 P L C进行参数设置、程序监控和设备运行信 息、状态等显示 ，操作方面，灵活。控制系统 中的 2 个力矩电机分别作为收卷电机和放线电机 ，伺服 电机作为控制系统的排线 电机 ，控制排线机构水平 移动进行排线。 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 2 8 基金项目国家自然科学基金项 目 5 1 2 6 8 0 0 6 作者简介钟剑贞 1 9 8 5 一 ，男，硕士研究生 ，研究方向为计算机测试与控制技术。E ma i l z j z s h i y e 1 2 6 ． C O B。 第 1 3期 钟剑贞 等基于 P L C的退火机控制系统的设计 8 7 力 矩 电 机 i 编 码 器卜 _ 一 P -- t 触 摸 屏 L 伺 服 电 机 H西 卜 C _ _ J放 线 电 机 图 l 控制系统基本结构 控制系统的控制要求 当控制系统的电源被接通 时，系统先进行 P L C和触摸屏的初始化程序，然后 P L C自动检测系统是否符合启动条件，如不符合，触 摸屏会显示相关报警信息 ，此时，系统不可运行，需 要对系统进行调试 ；若符合条件 ，系统则处于待运转 状态，具体动作要求如下 1 当按下 “ 启动”按钮，排线伺服 电机和收 卷力矩电机进入待机状态 ，并发出启动信号给收卷电 机。当按下收卷 电机启动按钮后，收卷力矩电机运 转 ，编码器发出力矩电机速度脉冲信号给 P L C ，P L C 经过处理后输出脉冲信号给驱动器来驱动伺服电机运 转 并跟踪排线 。 2 在设备处于待机状态下 点击 “ 手动调试”按钮，触摸屏应 弹出调试 画 面，设备进入手动调试状态，可对收卷机，放线机和 排线伺服电机进行调试 ，调试结束后返回主界面。 点击 “ 自动运行”时 ，动作顺序应为 待机状 态一按下启动按钮一 收卷 电机和排线伺服 电机使 能待 机，放线电机启动一收卷电机运转，编码器发出脉冲 信号给排线伺服驱动器，排线电机启动运转 ，跟踪排 线一设备正 常运行 。 点击 “ 停 止” 时 ，引 取 电机 停 止 ，收卷 电机延 时 3 0 S 后停止 ，编码器停止发 出脉冲信号，排线电 机停止 。点击 “ 复位 ” 时 ，排 线 电机 回到 原 点并 进 入到待机状态。 2 系统的硬件设计 控制系统 的 P L C采用 松下 F P X - C 3 0 T ，它装 载单 双相高数计数 、精 准的脉冲输 出功能 ，具备高安全性 及可扩展性 ，而且集成度高，系统配线简单 ，稳定性 高，抗干扰能力强。伺服系统采用三菱通用 A C伺服 MR E系列 产 品，MR E 系统 控 制 精 准 ，性 能 较 高 ， 同时具备位置控制和速度控制 2种模式，而且能够切 换位置控制和速度控制进行运行，MR E伺服还具有 R S - 2 3 2 C端 口通信功能，可方便地连接到个人电脑进 行参数设置、测试运行 、状态显示和增益调整等，非 常适合工业中高密度定位和平稳速度控制。考虑性能 和稳 定性 ，触摸屏 采用 P r o f a c e 普 洛 菲斯 G P 3 0 0 0 系列的 A G P 3 7 5 0 一 T I - D 2 4型号，该触摸屏编程简单 ， 性能稳定，能很好的与 P L C进行通信。力矩电机为 0 ． 7 ／ 1 ． 5 N m的进 口品牌，其他 电器元件采用进 口 品牌。P L C的 I ／ O点分配如 图 2所示。 止止 动 动 图2 F P X C 3 0 T的 I ／ ／ O分配 3 控制系统的软件设计 控制系统程序主要有复位、手动测试、自动运行 和故障保护程序，其编程软件采用松下公司开发的 F P WI N G R编程软件 ，程序设计采用梯 型 图编程 以方 便编辑和系统调试。F P WI N G R软件是松下公司为松 下 P L C程序设计专 门开发的软件 ，能很好 的对接松 下所有系列的 P L C ，编程方便 ，功能齐全 ，界面简易 直观 。 3 ． 1 伺 服控 制 系统软 件设 计 由控制系统的结构和原理可知 ，伺服控制系统是 整个控制系统的核心 ，也是实现精确定位和精准排线 的关键。伺服控制系统由伺服放大器、伺服电机和编 码器等组成。本设计采用伺服系统的速度控制模式来 对伺服 电机 的旋转方 向进行 高密度 的平滑控制 ，系统 以收卷机速度的主目标速度 ，编程器将采集到收卷机 的速度信号反馈到 P L C中，由 P L C计算处理后将对 应速度的脉冲数和脉冲频率传送到伺服放大器，然后 控制伺服电机的运转 ，利用 P L C的 C W／ C C W脉冲输 出控制模式来实现正负脉冲输出信号控制伺服电机的 正反转 ，则系统可完成精准的跟踪排线，伺服控制系 统原理如 图 3所示 。 图3 伺服控制系统原理图 8 8 机床与液压 第4 2卷 控制系统对伺服系统的控制 要求如 下 收卷 电机 旋转 1圈 1 0 0 0个脉冲 ，则要求排位伺服 电 机行走 1 m m “ 排位间距” 排位间距设为 o 距离， 而排位伺服电机总的行走距离应 为 “ 排位 总宽 ” 单位 m m 。排位间距 。和排位总宽 日在触摸屏设定 排位总宽可通过设定收卷轴近点到原点距离 A和远 点到原点距离 B来确定，排位总宽 HB A ，设定 值到小数点后 2 位，排位机构如图4 所示。 图4 排位机构示意图 1 伺服电机以 “ 原点 步长”方式往复运动， 速度 自动追踪并与放线电机同步。为使排线精确整 齐 ，伺服电机每个脉冲的行走距离与排位齿轮节圆直 径 D D 6 0 和减速 比 K 6 0 0 的关 系为 每 个脉冲的行走距离 D KN o 0 ． 0 0 0 O 1 m m， 即伺服电机运走 1 m m需要 1 0 0 0 0 0 脉冲输出。 2 伺服电机的步长 脉冲数与排位总宽 日、 减速比K、排位齿轮节圆直径 D和编码器的脉冲数 Ⅳ 的关系为 伺服电机的步长 脉冲数N H K D， H 9 0 ra m 时，N 9 0 0 0 0 0 。 3 排位要求平整、均匀，实际排位间距要求 与设定的排位间距 。的偏差不大于 0 ． 0 0 1 m m；不 得出现疏密不一的缺陷。 3 ． 1 ． 1 伺服系统 自动程序设计 1 t 9 01 0 卜 [i 3 0 911 11 f1 0 0 0 0 0 Ⅱ 1 2 0 0 0 】 [ F 3 0 9 F m v ．f l 0 ∞ 1i t 2 2 0 0】 [13 t 2 IT t 3 2 7 1 0 ir f 2 0 0 0 Ill “ 2 1 0 0】 【F 3 1 3 F *， D T 1 o o， Il l 娩0 0 D T 1 1 0 0 】 c F 3 1 3 1／ ．t , Ⅱ T 2 t O 0 f L D T“t O 1 】 R ∞ l 0 一卜 一阻花6I F L T D T g 0 3 4 e ， 矗 目 0l 0 一 卜 一【F 3 1 3 I T t 1 0 0 120 R g o I O 一 卜 _ - [1 13 1 2 ， D T3 7 5 2 ∞ l 0 一 [ r ,a z s Ir r llT D T 3 1 5 0 0 R 9 o1 3 卜 1 一 lc2 o o l 一 F _ J 1 [ F 0 M y K 2 0 0 0 0 R g ot o 【F 3 2 8 I ir llT tlt T 0 0 I , 9 01 0 卜 _一口 3 3 D * ， D T 1 5 o ， R g o l o [ i 2 3 叶 ，l Y f 3 2 6 ． 0 I 9 0 1 0 一 【 F 2 B D 一 ，D T 1 5 0 0 R 9 01 0 一卜 _ 【 F 2 3叶 D T 3 2 B 2 0 D T 1 0 0 0 0 】 D T 2 0 0 0． D T加 口 0． Ⅱ T 3 8 0 0 】 D T l 6 0 】 Ir f 1 5 o 】 ir f 1 6 o i1 7 3 2 6 1 0 ] D T 3 8 0 0． n T 7 1 o ] 竹 “／ 1 o ． ir r 3 2 ￡ I2 0 ] D 1 3 9 0 0． D T“ ／ 1 2 o】 图5 伺服控制系统部分程序 控制系统的高数计数以相位差 2相方式输 入 ，选用 C H O为输入通道 ，输入点为 x 0和 x 1 ，控 制标志为 1 t 9 1 1 0 ，目标值为 D T 9 0 3 0 0 。脉冲输出选用 C H O为输 出通道，正脉 冲 C W输 出端 子为 Y 0 ， 负脉冲 C C W输出端子为 Y l ，脉冲输出控制标志 为 D T 9 0 0 5 2 ，经过值为 D T 9 0 3 4 8 。要实现高数计数的 输入、脉冲的输出来控制伺服电机的跟踪排线，需利 用 P L C的内部运算指令来实现信号输入和脉冲的输 出 ，程序如 图 5所示 。 3 ． 1 ． 2 伺服复位程序设计 当系统运行时 ，需要先对其进行复位才能正常启 动 ，为使排线精确定位和符合排线的控制要求，复位 程序由两部分组成一是原点复位；二是伺服电机回 到原点 后再前 行一 段距 离 ，当按 “ 按钮 复位 ” 或 者 触摸屏给 P L C内部寄电器 R 1 1 0 高电频信号时， 系统 即可进行复位 。系统复位程序采用 F 1 7 1 S P D H指 令 ，启动条件触点为R 1 2 0 ，控制代码为 D T 2 0 0 ， 脉冲 输出对像通道是 C H O ，／ J I 1 ／ 减速段数为 3 0段 ，占空 比 为 5 0 ％ ，频率范围为 4 8～1 0 0 H z ，动作模式和输出 方式为增量型 C W／ C C W，初始速度 1 0 0 H z ，最高速 度 8 0 0 0 0 H z ，加／ 减速时间4 0 m s ，目标值为 一 5 0 0 0 0 脉冲数 。由图4排位 机构示 意 图可知 ，返 回原点后 ， 还需要排线杆往前运动 A宽度 ，才能使排线杆 到排线 位，这可以使抛砖排线定位更精准，排线更整齐。系 统复位前行程序也采用 F 1 7 1指令，启动条件触点为 1 1 1 3 0 ，控制代 码 为 D T 3 0 0 ，脉冲输 出对 像通 道 是 C li O ，加／ 减速段数为 3 0段 ，占空比为 5 0 ％，频率范 围是 4 8～1 0 0 H z ，动 作 模 式 和输 出 方 式 为 增 量 型 C W／ C C W，初始 速 度 1 0 0 H z ，最 高 速 度 5 0 0 0 0 H z ， 加／ 减速时间 4 0 m s ，目标值为 D T 6 9 0 0 D T 6 9 0 0的脉 冲数等于原点距离 D T 3 2 7 6 0乘以伺服每走 1 MM的脉 冲 D T 2 0 0 0 。 3 ． 1 ． 3 报警保护程序设计 当系统正常运行时，若发生伺服行走位置超过排 线后限位 X 4接通 ／ 前限位 5接通 、手动按 “ 停止按钮” X 9接通 、收卷 电机故 障 X 6接通 和放线电机故障 X 7接通 、生产的米数 已超过设 定米数 D T 3 2 7 4 0大于 D T 3 2 7 2 0 甚至发生线材 断线 时，系统程序停止伺服脉冲的输出 D T 9 0 0 5 2被禁止 脉冲输出 、收卷电机停止运转 Y 5接通 、放线电 机停止运转 Y 6接通 ，系统停止运行并在触摸屏 上显示相关的故障信息。 3 ． 1 ． 4 手动调试程序设计 当系统不能正常运行或者需要检测时，则要进行 手动 的调试 ，手动程序可 以分别对伺服 电机 、放线电 机和 收线 电机进行调试 ，可 以方便地检测出系统和故 障部位 ，操作方便可靠性高。手动程序主要是对伺服 电机进行正反转和行走距离是否超过限位进行测试。 伺服的正转测试采用 F 1 7 2 P L S H指令，启动条件触点 为 1 1 3 5 0 ，控制代码为 D T 3 1 0 ，脉冲输 出对像通道为 C H O ，采用无 目标值模式 ，5 0 ％ 的空间比，4 8 H z～ 1 0 0 k H z 的频率范围，输出方式为无计数模式 c w， 第 1 3期 钟剑贞 等基于 P L C的退火机控制系统的设计 8 9 频率为 8 0 0 0 0 H z 。反转程序采用 F 1 7 2 P L S H指令 ， 启动条件触点为 R 4 0 0 ，控制代码为 D T 4 0 0 ，脉冲输 出对像通道为 C H 1 ，采用无 目标值模式 ，5 0 ％的空间 比，4 8 H z ～1 0 0 k H z 的频率范围，输出方式为无计数 模式 C C W，频率为 8 0 0 0 0 H z 。 控制 系统 主程序流程 图如 图 6所示 。 自动 运行 放 线 电机起 动 报 警 显 示 故障停机 报警显示 土 L _ 叫 收卷机起动 l 编码 器 反馈 脉 冲信 号 伺 服驱 动 器 1 N 百 歪 r产 米 数 是 否 超 设 定 米 Y 系统 自动停机 报警显示 故障停机 报 警显 示 故障停机 图 6 主程序流程 图 4结束语 该控制系统投入生产后 ，结果证 明基于 P L C 的退火机的控制 系统控制性能稳定、可靠 ，操作方 便 ，监控功能完善 ，排线平整、均匀，没有出现疏密 不一、排线错乱的现象，产品质量和生产效率都得到 提高 。 另外 ，系统所采用 的 P L C和伺服控制技术结合 的控制系统代替原来传统的手动开关量控制系统，使 得系统的自动化程度提高，同时该系统的控制方式可 以作为一种通用的控制方式向自动控制领域扩展，非 常适合于有大量参数设定和显示的工业系统中。系统 采用 P L C和触摸屏作为主控制器 ，简化了现场操作， 提高了控制程序和人机界面的灵活性 ，提高了设备在 行业中的竞争力。 参考文献 启动 N 程序 初始 化 N N 程序 自检测 ＼／ Y l 皇 系 统 复位 ，＼ 复 位 完 厂 ／ L 选择运行模式 手 动行 动 手 动运 行 调试 伺 服 排 线 调 试 收 卷 机 调 试 是 否正 常 厂 ， ， 放 线 机 调 试 设 备正 常 [ 1 ]孟志强 ， 张恒， 陈燕东 ， 等． 基于 P L C伺服控制的甘油雾 化喷涂系统设计[ J ] ． 湖南大学学报， 2 0 1 0 ， 3 7 7 4 3 4 6． [ 2 ]陈上挺 ， 钱晓耀， 孙崎岖， 等． 基于 P L C的伺服控制系统 在密封垫圈绕制系统中的应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 7 3 4 1 3 4 3 ． [ 3 ]陈朝泽 ， 任德均， 何华 ， 等． 基于 P L C 、 H MI 和伺服控制技 术的磁性编码检测系统[ J ] ． 四川大学制造科学与工程 学报 ， 2 0 0 8 7 7 88 0 ． [ 4 ]张国亮． 空间机器人 自主视觉伺服控制策略[ J ] ． 华 中 科技大学学报， 2 0 1 0 ， 4 0 8 1 0 31 0 7 ． [ 5 ]易江义 ， 阳春华， 周彩霞． 基于 P L C控制的 自动化移载 机的开发设计[ J ] ． 自动化与仪器仪表， 2 0 0 8 1 3 6 1 7 1 9． [ 6 ]鹿庆， 何文雪， 程彬． 基于 s 7 2 0 0 P L C的横切机伺服控 制系统 [ J ] ． 机械工程与自动化 ， 2 0 0 9 6 1 3 41 3 6 ．