钢管据切机的PLC控制设计毕业论文

1、沈阳理工大学毕业论文1 引 言1.1 概述本课题是为钢管生产线定尺自动切割机控制系统而设计的，定尺自动切割机是钢管生产线上的一个重要设备，本文将分别详细论述自动切割机的原理、设计理论、软件程序编制。随着市场经济的飞速发展，人们对生产效率以及成品质量的要求越来越高，同时微机控制技术发展趋于成熟，各种自动化程度很高的高性能切割机迅速发展起来。比如卷筒料（纸、钢板等）高速切割机、凹板切割机、玻璃切割机、钢板整平切割机等等，基本都具备了微机控制、定长设置、速度实时监测、直流调速等功能。锯切的速度与精度达到了比较高的水平，扩展功能如自动装卸等也都比较齐全。作为管材领域重要的生产设备，钢管自动切割机的锯切

2、精度、锯切速度、自动化程度直接影响到生产效率和产品的质量，因此对其技术要求非常高。它里面融合了计算机自动控制、精密机械传动控制、电机调速、人机工程等多种技术，有着较深的理论价值。针对不同的管材，切割机组采用的切割方式不尽相同。对于硬度非常高的合金钢管材，对锯切片硬度又有非常高的要求，一般是管材达到设定长度后停止运行，然后下锯切割。对于大部分普通硬度管材，一般都是进行随动锯切，即在管材运动中进行下锯锯切，以满足锯切精度的更高要求。自动切割机是对钢管生产线上运动着的钢管进行连续在线测长并切割的装置。锯车在对钢管的在线切割过程中，应不影响钢管生产线的流水作业。它是钢管生产线上必不可少的关键设备，它与

3、堆垛机，自动包装设备共同构成钢管生产线。在钢管生产线上，已经成型的待切钢管不停的在生产线上向前输送，自动切割机应根据输送速度及待切长度适时启动锯车拖动装置进行跟踪，迅速达到同步。并经过进一步调整，在满足锯切精度的前提下，输出夹紧指令，使钢管与锯车之间相对固定，以保证锯切过程的安全进行。固定完成后，输出锯切指令，锯切结束后下达抬锯、松夹和返回指令，拖动装置拖动锯车迅速精确回位，等待下一个启动信号到来时再重复锯切过程。切割机这一工业产品经历了从简单到复杂，从低级到高级的发展过程，最早的切割机不能在线切割钢管，这就大大影响了生产效率。后来切割机安装在钢管生产线上，能够进行在线切割，但定尺控制都采用机

4、械装置，生产效率和定尺精度都不高。随着电子技术的发展及芯片的不断更新，国外七十年代推出了计算机控制定尺的切割机，其中以德国和日本的产品为代表。国内八十年代中期才推出微机定尺切割，采用单片机控制4。目前，全国正在使用中的自动设备有2000多台套，大部分为机械定尺的气动锯车（锯车采用汽缸中的压缩空气作为推进动力，无电气调速系统）定尺精度不高；少部分为单片机控制的定尺切割机，这种自动控制的锯车采用直流电机经齿轮齿条传动，有电气调速系统。加装单片机系统的切割机比前代产品性能有了提高，但单片机电路元件孤立，整个控制电路布线复杂，使用多年的自动设备还会出现抗干扰性差，定尺精度下降，故障率高等问题，经常延误

5、用户生产。从目前国内定尺切割的使用情况来看，普遍存在着进口设备造价昂贵，维护费用高。国产设备控制精度低，可靠性差等现象。钢管行业普遍呼吁换代产品的早日出现，要求新产品结构简单，性能稳定，易于维护，成本低廉。此外，锯切机组采用的电气传动方式也因切割对象而各异。随着交流调速技术的迅猛发展，越来越多的厂家开始采用高性能交流调速系统，但在要求高控制性能的工业场合，仍有很多采用直流传动装置进行直流调速以满足高控制要求1。针对锯切机的自动控制，一般采用传统的电气控制线路与PLC结合的控制方案。采用这种方案，系统具有可靠性高、故障率低、便于维修等特点。1.2 研究对象介绍钢管锯切机由PLC，可调速伺服系统，

6、继电器操作系统，机械，液压或气动系统及测速系统所组成。1.2.1 技术性能1） 管材速度：0100 m/min2） 锯车加速度：1.23 m/s3） 锯切长度：10 m内（任意选定）4） 锯片线速度：86 m/s5） 定尺精度：+6 mm6） 能实现自循环，手工操作和模拟调试1.2.2 工作过程数控钢管锯切机是整个钢管生产线的一个重要组成部分。生产过程中，钢管以某一速度运动，钢管的设定切割长度和锯车的追踪加速度可以设定。当钢管运行到一定长度时，锯车启动加速，当追至管速时，钢管的运行长度应该恰好等于设定长度。此时，在锯车与钢管无相对运动的情况下，锯车的夹紧装置夹住钢管，锯片落下切割钢管。然后，夹

7、紧装置松开，锯车抬起并返回原位停止。锯车和钢管的位置通过测速辊极其脉冲编码器检测。 锯车的工作循环是严格的按照一定的时序动作的，如果有一个环节出现差错，都将导致工作的失败：轻则节拍失控，重则打锯片。因此，严格各时序的发生是十分重要的。1.2.3 设计要求：1. 建立实时检测钢管残长（剩余长度）S的数学模型。2. 通过PLC高速计数器接受管速脉冲和锯车脉冲。3. 可根据检测结果通过D/A模块送出控制锯车直流司服电机的控制电压，控制电压在010V，对应电动机转速为01500r/min该电动机由晶闸管可控整流电路进行调压控制。同时将实测的速度值由D/A送出到控制电路，作为速度反馈信号。4. 整个生产

8、线可进行手动控制，自动控制和模拟自动控制。其中模拟自动控制的管速脉冲由PLC内部的定时器产生。由于钢管与检测管速的测速辊无滑移接触，因此，测速棍每转一周移动距离为：S2r（r：测速辊半径）。现按S=400mm/r设计，脉冲编码器与测速棍同轴连接，测速棍每转一周，脉冲编码器发出2000个脉冲。这一脉冲信号经PLC采集并处理后作为位置信号求出钢管的长度,通过运算得出钢管的速度并显示。当残长（钢管剩余长度）Sc达到起动残长Scq时，PLC送出给定信号,锯车开始以等加速度追踪钢管，锯车经减速后通过齿轮-齿条传动，锯车的齿轮齿数按Z=24设计，模数按m=6设计，减速传动比按=6.3设计。直流伺服电动机额

9、定转速为1500r/mm，采用可控硅调速，调速电压为010V。继电操作系统共分两部分，即手动部分及自动部分。自动部分又分为模拟自动部分及全线自动部分。由于系统要求能设定管长、锯车加速度，同时显示实时管长、实时管速，即要有输入数据功能和数据显示功能。1.3 课题目的、内容及其意义本课题的主要任务是对上一节中所介绍的切割机控制部分进行设计。PLC作为切割机控制的核心部件，也是整个系统的大脑部分，它指挥协调周边设备共同工作，一起完成高质量高效率的生产。设计完成后的切割机，除要求达到控制要求的技术指标外，同时还要保证更可靠更快速的工作，为此需进行详细的调研工作及相应的理论分析研究。本课题的主要目的是利

10、用可编程序控制器（PLC）来完成对切割机的自动控制，实现预定的控制任务，并设计一些优化功能（比如触摸屏，文本显示等人机界面）。主要包含了四方面内容:1. 熟悉切割机工作原理及其工艺生产流程。2. 对锯切控制这个关键问题进行详细理论分析。3. 针对具体情况，探讨PLC控制系统应用中对某些具体问题的处理。4. 利用 PLC设计理论制定实施控制方案。2 切割机系统的整体研究与分析2.1切割机基本结构2.1.1 锯切机 这部分是整个设备的关键部分，由锯车和锯车电机、锯片和锯切电机、夹紧装置及其电机等组成，主要作用是切割钢管。当钢管运行到一定长度时，启动锯车加速至管速，然后再夹紧、锯切，锯切完成后，锯车

11、加速返回至原位。 2.1.2 垛管台这部分结构简单，主要作用是运送锯切后的钢管。动作装置有传送皮带与两个垛管台电机(图中未给出)。钢管被锯切后，经传送前行，落入垛管台。钢管积累到一定根数后由人工控制垛管台电机运出垛管台，将钢管进行打包。2.1.3 控制台控制台放置有各种按钮、指示灯、CRT等设备。其作用是用来输入要锯切的钢管长度与锯车加速度并实时显示钢管速度与实时管长，完成实时监控。工作状态的选择，系统工作模式显示等。2.2相关理论探讨2.2.1 锯车锯切机构工作流程具体来讲,在同步跟随锯切方式的应用中，锯片安装在一个可以在送料方向上进行往复运动的锯车上。锯车首先处于等待状态，当被切割材料送到

12、某一个合适的位置时，锯车启动加速，追赶被切割钢管，当锯车与钢管速度同步，（理论上追赶到所设定的切割长度），落锯锯切钢管。在切割钢管的过程中和被钢管保持速度同步，锯车在同步运动中切断钢管。图2.1为钢管锯切机的基本结构示意图。在图2.1中：光电编码器GM1，记录钢管行程脉冲；光电编码器GM2，记录锯车行程脉冲；钢管锯切机在工作过程中，首先通过测速辊（光电编码器1）测出钢管的长度和速度，当钢管长度达到锯车启动点时，PLC给出锯车前进给定信号，调速系统驱动直流电动机，通过减速机带动齿轮和齿条锯车加速前进，锯车跟踪钢管。软件在每个采样周期内计算一次钢管和锯车的位置和速度，计算出调速给定信号，使锯车调整

13、自身位置和速度，使之达到与钢管同步，进而达到定尺精度。软件判断定尺精度达到要求后，CPU向锯车发出夹紧（夹具将钢管夹住），进锯（锯片在液压缸推动下移向钢管），抬锯（钢管切割完毕，锯片返回原位），松夹（夹具松开，即钢管与夹具脱离接触），反转（锯车返回零位），完成一次锯切过程，等待下次启动指令。图2.1 钢管锯切机的基本结构示意图3 关键问题分析与数学建模3.1直流调速装置控制锯车电机在PLC的协调之下，完成高效率高质量的生产，是整个机组的关键设备。本课题所研究的的控制系统为锯车电机直流调速系统，锯切机电机调速装置的差动模拟量是由PLC给定的。由于是单机系统，没有采用在多机通讯中占据绝对优势的数据

14、通信，而是采用了可靠性更强的端子通信控制。在切割机系统控制方案中，我们依然采取了端子控制，直流调速装置的差动模拟量由S7-200模拟量输出模块EM232给定。在PLC与模拟量输入端子之间，设有一电位器，调节此电位器，输入至调速模块的电压信号随之发生变化，从而使得电动机速度变化。操作人员可以根据现场的情况实时调节钢管行进速度。其输入端子给定值是由PLC根据钢管行进速度计算后所确定的。具体数学模型参考3.3节。3.2 锯车的控制同直流调速装置一样，锯切机也是切割机组的关键设备，它在保证锯片和机组其它设备及管材的速度同步配合的情况下，将平动中的管材按要求的尺寸进行高精度的锯切。由于锯车通过传动齿轮齿

15、条带动，其速度太快会加快齿轮齿条的磨损，速度太慢又保证不了工作效率。因此，对锯车的控制成为整个系统的核心问题。为保证其快速启停，锯车电动机选用了低惯量电机ZFQZ-280-21B。锯切机如图3.1所示：图3.1钢管自动切割机锯车示意图3.2.1锯切机锯切流程锯切机锯切示意图如图3.1所示。这里重点介绍切割机自动锯切流程。首先，在操作员调节好钢管速度后，启动切割机组进入自动锯切状态。PLC根据脉冲编码器发来的冲可以得出钢管走过的长度以及行进速度，并根据行进速度求得将要给锯车电机调速模块的速度信号。其次，当钢管达到预定长度时，PLC发信号至锯车电机调速模块。锯车由零位启动并加速，在调速模块的固定斜

16、率时间内，加速到与钢管行进相同的速度转入匀速运行，经过时间T或者到达一定位置后，PLC发信号打开锯车上的落锯继电器开关，锯片在锯切电机带动下落锯进行锯切。锯切完毕后，PLC发返回信号至锯车电机调速模块，锯车先在调速模块的固定斜坡时间内减速至零，而后反向加速，最后停在零位位置等待下次锯切。在锯车回零位过程中，为了防止惯性作用冲过零位行程开关，锯车在回零位的过程中将电机速度减到很小的值，等待零位信号。锯切机工作流程图如图3.2所示：图3.2锯切机工作流程图钢管切割机在精确锯切时要同时满足两个条件:1. 锯车与钢管同步。2. 残长Sc趋于零。3.2.2 锯车控制方案通过钢管自动切割机的锯切流程，我们

17、可以看到，锯切的控制既有开关量控制（夹紧、落锯、抬锯、松夹）又有模拟量控制（调速模块速度给定）。对于锯片的控制，可以通过PLC开关量输出控制。调速模块的速度给定，可通过PLC模拟量输出模块给定。根据锯切机工作流程，我们确定了速度比较控制方案对锯车进行控制。从锯切流程，可以得出:锯车速度变化过程:零位正向加速匀速正向减速停止反向加速匀速反向减速零位。锯车速度/位移理想线性变化曲线如图3.3所示。图3.3锯车速度/位移变化示意图0t1段为正向加速阶段，t1为锯车电机调速模块上升斜坡时间（根据钢管速度与锯车加速度计算得出），在这段时间内，控制电动机从零加速到给定速度，同时锯车在齿轮齿条传动下从零位开

18、始向右加速行驶。t1t2 段为锯车正向匀速运行阶段，锯车继续向锯切位置行驶，在t2时刻，PLC控制夹具夹紧、锯片下切、抬锯、松夹等动作，同时发送返回信号给锯车电机调速模块。t2t3段为正向减速阶段，t3t2为锯车电机调速模块下降斜坡时间（本课题设置为与加速时间相同），调速模块接到返回信号后，在这段时询内控制电机进入正向制动运行阶段。t3时刻，锯车到达最大位置，不再继续前行。t3t4为反向加速阶段，上升斜坡时间与正向加速时相同。这段时间内，锯车由最大位置开始返回，即向左行驶。t4t5为反向匀速阶段，锯车继续左行。为反向减速阶段，在t5时刻，锯车减到一个很小的速度等待零位信号。t6t7锯车以很小的

19、速度运行，t7零时刻零位信号控制PLC发停车信号至锯车电机调速模块，电机开始进入停车过程，锯车停于初始位置，即零位。为方便控制，我们把锯车的正向运行与反向运行设成类似状态，把调速模块的上升下降斜坡时间设为相同，实际也可不同，但不能把锯车返回时间设的太长，否则锯车可能回以很大的速度到零点，产生很大的冲击。最后要使得S反相=S正相（S正相是锯车正向走过的距离，S反相是锯车反向走过的距离）。 速度比较控制方案描述如下：钢管达到锯切长度后，PLC发与给定速度对应的电压信号至锯车电机调速模块。锯车开始从零加速，定位编码器正向旋转，当锯车速度达到钢管运行速度值，随后PLC发夹具夹紧信号至夹具，夹具夹紧钢管

20、，更好的保证锯车与钢管相对静止。夹具夹紧后，PLC发锯切信号至锯片电机下锯锯切，锯切到位后，发送松夹信号给夹具，松夹到位PLC发返回信号（与给定速度对应的负电压信号）至锯车电机调速模块，锯车开始减速，速度减至零后，开始反向加速，反向加速到给定速度后，锯车开始反向匀速运行，动行到一定位置时，锯车开始反向减速，锯车减到一个很小的速度时等待零位信号。零位信号发出后，PLC发送停车信号给锯车电机调速模块，锯车停于零位。为防止锯车没有到达零位就停车的情况，在锯车返回时，将锯车减到很小的速度等待零位信号。采用速度比较控制方案，实现起来较为简单，不需要非常复杂的调试。第五部分系统方案实现里面就采用了速度比较

21、控制方案。3.3 数学建模在上两节的关键问题分析当中，涉及到了测量钢管速度、计算启动残长的问题，比如根据脉冲编码器计算钢管走过的长度及行进速度，根据钢管行进速度确定锯车电动机的速度给定值。根据钢管实际运行速度、用户预先输入的锯车加速度，由PLC内部逻辑运算器计算锯车的启动残长。3.3.1钢管速度数学模型脉冲编码器通过一个滚轮带动，两者同轴。示意图如图3.4所示图3.4 测速辊工作示意图滚轮与编码器同轴旋转，减速比为1:1。在本课题切割机组中，我们选取的滚轮直径为400mm，脉冲编码器为增量式2000 P/r，则每产生1个脉冲测速辊转过0.2mm。因此，计算出每100毫秒的脉冲数差值n1，就可以

22、计算出钢管速度V为： mm/s (3.1)本课题要求速度显示在0100m/min范围内，则速度单位转换公式为： m/min (3.2)3.3.2 启动残长及钢管剩余长度的数学模型锯车从速度为零加速到钢管的速度时，钢管走过的距离S1与锯车走过的距离S2 的差值即为锯车的启动残长Scq4，如图3.5所示，则Scq的数学模型为： Scq=S1-S2= mm (3.3)锯车加速度a的输入单位为m/s2，且输入值为实际值的10倍，故单位转换公式为： mm (3.4) 钢管剩余长度Sc计算公式为： mm (3.5) 当时，由PLC发出启动加速的信号至锯车直流电机调速模块。图3.5 启动残长Scq示意图3.

23、3.3 锯车速度、位移数学模型锯切机组控制要求锯车速度必须与钢管行进速度相同的时候，才能下刀锯切。通过减速器、齿轮齿条传动，把电机的转动变换为锯车的平动，因此需要根据锯车的平移速度求取电机的转速，从而确定PLC送至锯车电机调速模块的给定值。齿轮齿数Z=24，模数m=6，减速比 i=6.3，齿轮分度圆周长C计算公式为： mm (3.6)本课题的直流电机转速为01500r/min (25r/s) ，经减速后线速度为： mm/s (3.7)钢管的速度V对应的D/A模块增益值x为： (3.8) (3.9) 增益值在加速时间t内送给电机调速扳。则单位时间的增益值为： (3.10) 每10ms的增益值为：

24、 (3.11)锯车位移S数学模型： mm (3.12) 式中n 为编码器2累计脉冲数。我们选取的齿轮分度圆周长为mm，脉冲编码器为增量式2000 P/r，则每产生1个脉冲测速辊转过mm。因此，计算出每10毫秒的脉冲增量差n2，就可以计算出锯车速度V为： mm/s (3.13)本课题要求速度显示在0100m/min范围内，则速度单位转换公式为： m/min (3.14)4 系统方案设计及实现4.1 工艺流程与控制要求4.1.1 工艺流程锯切机的垛管台采用了传统的继电器线路控制，与PLC控制的锯车加速电机相互独立，在第四部分已经详细分析了锯切流程，本部分要解决的重点是利用PLC完成切割机组的锯切控

25、制。4.1.2 控制要求根据锯切机组的生产工艺流程，可以得出PLC控制的设备有：锯车电机调速模块、驱动锯片电机。PLC控制的动作有：锯车启动与停止、锯车的零位调整、夹具夹紧、下锯锯切、夹具松夹、抬锯等动作。锯切机组要求实现手动控制、自动控制、模拟自动控制三种控制方法。1. 手动控制手动系统包括手动夹紧，手动落锯，抬锯，手动松夹，手动正冲（锯车前进），手动反冲（锯车后退）及手动计算机复位等部分。其动作要求如下：首先，将“自动开车手动开车模拟自动”转换开关旋至手动开车位置；接着，系统上电，按动“控制电源接通”按钮，“松夹”、“抬锯”，“原位”等信号灯亮，调速柜控制电源接通；按“硅柜合闸”按钮，调速

26、柜主电路接通，“硅柜合闸”信号灯亮；按“主轴接通”按钮，锯切电机旋转；按“夹具夹紧”按钮，松夹信号灯灭；按“手动落锯”按钮，锯落下，抬锯信号灯灭；松开“手动落锯”按钮，锯抬起，抬锯信号灯亮；按“夹具松开”按钮，夹具松开，松夹信号灯亮；按“计算机复位”按钮，计算器显示为零；按“手动正冲”按钮，锯车前进，同时显示锯车实际运行距离；按“手动反冲”按钮，同时显示锯车实际运行值，当锯车退至原位，理论上数码显示应复零。2. 自动控制自动系统又分为模拟自动及全线自动部分。首先将“自动开车手动开车模拟自动”转换开关拨至“自动开车”（如是模拟开车时应拨至“模拟自动”）位置；按动“控制电源”按钮，“松夹”、“抬锯

27、”、“原位”、“数字测量”等信号灯亮，调速柜控制电源接通；按动“硅柜合闸”按钮，“硅柜合闸”信号灯亮，调速柜主电路接通；按动“主轴接通”按钮，锯切电机旋转；按动“自动开车”按钮，自动信号灯亮，系统及进入自动工作状态；取钢管脉冲信号，显示实际管长、管速。当Sc=Sq时，启动锯车加速。当管长设定管长时（在此之前，锯车应加速到管速，同步跟踪），夹紧、落锯，管长清零，抬锯、松夹，锯车返回，锯车原位停，再循环。3. 模拟自动控制若为“模拟自动”，则启动PLC内部定时器模拟管脉冲，并设定一固定值的的管速，其余与“自动开车”相同。急停按钮：此按在系统出现紧急状态时使用，按此按钮，中间继电器吸合，系统退出自动

28、状态，全线停止，主轴停转，调速柜主电路断电，并进入制动状态PLC检测环节有:控制模块部分开关状态逐检查所有设备是否准备好。钢管长度通过编码器检测。钢管运行速度根据脉冲编码器脉冲数及参数计算得出。锯车零位零位行程开关检测。操作方式分为手动、自动、模拟方式。手动方式用于故障排除，或测试锯切机的各个动作是否能正常实现。自动方式根据输入的钢管长度与锯车加速度自动锯切。模拟方式用于在无钢管的情况下测试锯车的工作情况。4.2 I/O设备确定:4.2.1 PLC控制系统输入设备控制电源按钮、硅柜合闸按扭、主轴接通按扭、停止按钮、急停按钮、手动/自动/模拟选择旋钮、夹具夹紧按钮、手动落锯按钮、夹具松开按钮、计

29、算机复位按钮、手动正冲按扭、手动反冲按钮、锯车零位行程开关、锯切限位行程开关、脉冲编码器。4.2.2 PLC控制系统输出设备锯车电机调速模块、锯片驱动继电器、锯车零位信号灯、锯车零位指示灯、紧急停止继电器、松夹信号灯、抬锯信号灯、硅柜合闸信号灯等。4.3 硬件系统设计4.3.1 PLC外部电气控制线路配合PLC控制的还有一部分电气控制线路，由这些传统的继电器控制线路，在PLC控制切割机组运作之前，按下控制电源接通按钮与硅柜合闸按钮，使相关继电器得电，触点动作，为锯切做好准备等等。正常工作状态下，按下紧急停车按钮将使得紧急辅助继电器得电，相应触点动作，锯切机停止工作。恢复锯切机组至正常状态后，必

30、须用复位按钮重新启动切割机组。旋转复位按钮后，相应L触点动作，在程序中必须通过PLC重新调用程序，方可开始进行锯切前的准备工作。4.3.2 PLC的选型根据工程技术要求，该系统主要由开关量进行控制，涉及模拟量输出，切割机由一小型PLC即可完成控制，根据第三部分PC设计理论，主机选用德国西门子公司生产的S7-200 CPU226（24输入DC/16输出DC），模拟量模块选择该系列中有2路输出的EM232模块。CPU226用于较高要求的控制系统，具有更多的输入输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适用于较复杂的中小型控制系统。具体的技术性能请参考表4.1表4

31、.1 Siemens S7-200 CPU226技术特性表项目CPU226XMCPU226程序存储器16KB8KB用户存储器类型EEPROMEEPROM本机I/O24入/16出24入/16出扩展模块数量77数字量I/O256入/256出 128入/128出模拟量I/O32入/32出32入/32出33MHz布尔指令执行速度0.37us/指令0.37us/指令内部继电器256256计数器/定时器256/256256/256顺序控制继电器256256内置高速计数器66模拟量调节电位器22脉冲输出22通信中断2发/4收2发/4收定时中断22硬件输入中断44通信口数量22支持协议O口：I口：PPI,DP

32、/T,自由口PPI,DP/T,自由口PPI,DP/T,自由口PPI,DP/T,自由口EM232具有两路模拟量输出。其具体技术性能见表4.2表4.2 EM232模块技术性能说明电压输出电流输出信号范围10V020mA分辨率（全量程）12位11位数据字格式-32000+320000+32000精度（25）满量程的0.5%满量程的0.5%设置时间100us2ms最大驱动最小5000最大5004.3.3 输入输出端子连接与I/O地址分配I/O端子分配图如图4.1所示 图4.1 I/O分配PLC 输入/输出端子地址分配表4.3表4.3输入/输出端子地址分配输入设备输入端子输出设备输出端子脉冲编码器1 (

33、HSC0)I0.0、I0.1、I0.2锯车零位指示灯L1Q0.0脉冲编码器2 (HSC1)I0.6、I0.7、I1.0零位限位开关SQ1I0.5硅柜合闸指示灯L2Q0.1松夹限位开关SQ2I1.1夹紧限位开关SQ3I1.2自动开车指示灯L3Q0.2落锯限位开关SQ4I1.3抬锯限位开关SQ5I1.4松夹指示灯L4Q0.3自动开车转换开关SA1I1.5手动开车转换开关SA2I1.6抬锯指示灯L5Q0.4模拟自动转换开关SA3I1.7控制电源接通按扭SB1I2.0主轴接通继电器Q0.5硅柜合闸按钮SB2I2.1主轴接通按钮SB3 I2.2夹具夹紧继电器Q0.6自动开车按钮SB4I2.3停止按钮SB

34、5I2.4落锯继电器Q0.7急停按钮SB6I2.5夹具夹紧按钮SB7I2.6抬锯继电器Q1.0手动落锯按钮SB8I2.7夹具松开按钮SB9I3.0夹具松夹继电器Q1.1手动正冲按钮SB10 I3.1手动反冲按钮SB11I3.2电机正转继电器Q1.2计算机复位按钮SB12I3.3电机反转继电器Q1.3数字测量指示灯Q1.4电机调速系统给定AQW04.3.4 工作电源部分选择西门子S7-200专用SITP电源，确保其稳定可靠工作。4.3.5 操作面板布置PLC控制面板布置如图4.2所示。控制面板上设置文本编辑器，操作按钮，指示灯等部件，设计布置要合理，突出操作方便，显示清晰等特点，充分考虑人性化设

35、计。接通I1.5自动锯切方式。按下启动按钮，钢管行进，锯车先自动进行找零定位，而后自动按照文本编辑器输入的参数锯切。按下停止按钮，锯车完成一个锯切周期自动回零不再动作。接通I1.6是手动锯切方式，停止按钮不起作用。利用锯车手动正冲按钮、手动反冲按钮可控制锯车前进或后退。按下锯切按钮，锯片下锯锯切。按下紧急按钮I2.5急停车辅助继电器动作，PLC回复初始状态，锯车停止锯切，等待启动命令。PLC控制面板布置如图4.2所示：图4.2 PLC控制面板布置4.3.6 人机界面人机界面用于操作者与机器之间的交流，屏幕设计强调显示清晰，便于操作的特点。显示单元功能主要是进行输入产品在生产过程中需要改变的参数

36、、各部分工作状态以及速度显示，采用西门子的文本显示作为人机界面，效果好且方便操作。根据课题要求，本机需要设计输入、输出两个屏幕作为文本显示。文本显示界面设计如图4.3所示：输入参数值允许用户修改，输入值包括锯切长度值、锯车加速度值，在实际生产中允许用户编辑，用户可以根据要求改变输入值，实现不同长度的钢管锯切。屏幕内容设计及输入值对应的存储地址如图4.34.5所示：图4.3 用户编辑屏幕图4.4 用户编辑屏幕 图4.5显示屏幕4.4 PLC软件系统设计4.4.1 内部寄存器分配具体的内部寄存器地址的分配列于下表。表4.4内部寄存器分配表地址号内容VD116钢管实时速度VD200锯车加速度VD20

37、4锯切长度VD124钢管启动残长VD132钢管实时管长VD136剩余钢管长度VD420锯车实时速度VD428锯车实时位移4.4.2 初始化子程序脉冲编码器对应高速计数器HSC0、HSC1，在子程序内容主要包括对两个高速计数器的初始化（选择工作模式、写操作字等）及某些寄存器清零。梯形图实现请参考附图。4.4.3 手动锯切程序手动工作方式主要用来解决故障及测试锯车各个动作是否能正常执行。按住手动正冲按钮，锯车加速追踪钢管，并与钢管同速运行。松开手动正冲按钮，锯车开始减速。梯形图实现请参考附图。4.4.4 自动锯切程序这部分是切割机控制系统软件设计的重点。大多数情况，切割机组是工作于自动锯切方式，这

38、部分程序要具备高可靠性、高效率、快速故障反应能力等基本功能。具体梯形图见附图。自动锯切过程描述如下:l. 按下启动按钮I2.3，高速计数器HSC0、HSC1计数。2. 按下停止按钮I2.4，锯切机完成当前循环后停止锯切。3. 当HSC0开始计数时，启动定时器T37，定时100ms用以计算钢管速度。4. 定时器T37定时到了以后，取出HSC0当前值，计算出钢管行进速度。5. 取HSC0的当前值用于计算钢管走过的位移，即当剩余钢管长度达到启动残长时。6. 由标志位M0.4启动锯车电机加速，当锯车速度加速到与钢管速度相同时，由标志位M1.3启动锯车匀速运行，并完成夹具夹紧、落锯动作。7. 锯片至锯切

39、行程开关I1.3，锯切完毕。计数器清零，抬锯、松夹。松夹继电器Q1.1得电，同时置标志位M0.5。8. 由标志位M0.5发返回信号至锯车电机调速模块，锯车减速。 9. 减速到零后，接通电机反转继电器Q1.3。锯车反向加速，加速到设定速度后，开始反向匀速，当锯车运行到设定位置时，锯车开始减速，速度减到一个很小的值后匀速，等待原点信号。10. 锯车停在原位，等待下次启动信号，启动下一循环周期。 自动锯切部分程序设计1. 检测钢管速度V的梯形图设计脉冲编码器发出的管速脉冲有高速计数器测得，生产线启动100ms后访问高速计数器HSC0的当前值，将其传送到VD104地址所对应的存储器单元里，再与上一次传

40、送到VD100地址所对应的存储单元里的脉冲值相差，将相差后的值存到VD108地址所对应的存储单元里，然后把存储当前值的VD104地址所对应的存储单元里的值传送到VD100地址所对应的存储单元里，PLC 设计程序如图4.6。再根据公式（3.1）计算得出钢管速度传入VD112地址所对应的存储单元里，根据公式（3.2）转化钢管的速度的单位为(mm/min)传入VD116地址所对应的存储单元里。PLC 设计程序如图4.7。 图4.6 PLC检测钢管速度梯形图图4.7 PLC计算钢管速度梯形图2. 计算残长的梯形图设计根据公式（3.4）算出锯车的启动残长值，将其传送到VD124地址所对应的存储单元里，P

41、LC 设计程序如图4.8。将高速计数器HSC0的当前值，传到VD118地址所对应的存储单元里，再根据公式（3.5）算出钢管的剩余残长值，传送到VD136地址所对应的存储单元里，PLC 设计程序如图4.9。当锯车的启动残长等于钢管的剩余残长锯车电机正转。图4.8 PLC计算锯车启动残长梯形图图4.9 PLC计算钢管剩余残长梯形图3. 检测锯车速度、实时位置的梯形图设计 脉冲编码器发出的锯车脉冲有高速计数器测得，锯车电动机正转时100ms后访问高速计数器HSC1的当前值，将其传送到VD404地址所对应的存储器单元里，再与上一次传送到VD400地址所对应的存储单元里的脉冲值相差，将相差后的值存到VD

42、408地址所对应的存储单元里，然后把存储当前值的VD404地址所对应的存储单元里的值传送到VD400地址所对应的存储单元里，PLC 设计程序如图4.10，再根据公式（3.13）计算得出锯车速度传入VD416地址所对应的存储单元里，根据公式（3.14）转化钢管的速度的单位为(mm/min)传入VD420地址所对应的存储单元里，PLC 设计程序如图4.11。当锯车电机启动时，高数计算器HSC1的值传到VD424地址所对应的存储单元里，再根据公式（3.12）计算出锯车的的位置的值传送到VD420地址所对应的存储单元里。PLC 设计程序如图4.12。图4.10 PLC检测锯车速度梯形图图4.11 PL

43、C计算锯车速度梯形图图4.12 PLC计算锯车位置梯形图4. 锯车加速的梯形图设计 根据公式（3.11）算出锯车加速的增益值传送到VW200地址所对应的存储单元里，PLC 设计程序如图4.13。当锯车电机正转启动时每10msVW200地址所对应的存储单元里的值与上一次传送到VW204地址所对应的存储单元里的值相加，将相加后的值传送到VW204地址所对应的存储单元里，再把VW204地址所对应的存储单元里的值传送到AQW0地址里以控制锯车速度。PLC 设计程序如图4.14。图4.13 PLC计算锯车增益值梯形图图4.14 PLC设计锯车加速梯形图5. 锯车加工的梯形图设计 当锯车速度与钢管速度相同时，锯车匀速运行。并且Q0.6线圈得电夹具夹紧，当夹具碰到夹紧限位开关电锯下落切割钢管，当电锯落到落锯限位开关电锯抬起并且高速计速器复位，当电锯抬起到抬锯限位开关夹具松开。PLC 设计