PLC板材火焰切割自动控制系统设计

韩伟娜; 张伟聪; 崔少飞

【期刊名称】《《现代电子技术》》 【年(卷),期】2019(042)022 【总页数】4页(P44-47)

【关键词】自动控制; 火焰切割机; 系统设计; 板材切割; 数据采集; 参数设置 【作 者】韩伟娜; 张伟聪; 崔少飞

【作者单位】北华航天工业学院 机电工程学院 河北 廊坊 065000; 燕山大学 河北 秦皇岛 066000 【正文语种】中 文

【中图分类】TN986-34; TP301.6

随着现代机械工业的发展，板材切割机在工业领域的应用越来越广泛[1]，例如航空航天制造领域、船舶制造领域、轨道交通领域、汽车制造领域等[2]。根据所采用切割能源的不同，切割机可分为多种类型。其中火焰切割方式具有切割效率高、成本低、维护简便等优点[3]，在切割大厚度钢板、切割多种形状的焊接坡口等应用场合具有一定的优越性[4-6]。利用PLC 技术控制切割机，适用于各种工作环境，而且PLC 编程[7]相对比较简单，便于操作和管理，可提高系统的抗干扰能力和切割的精度。

本文以金属板材切割为例，基于SIMENS S7-200 PLC 对火焰切割机的控制系统

进行了研究，并结合“组态王”软件[8]，进行系统组态设计[9]，使切割机的自动化程度得到极大提高。 1 控制过程分析

为板材切割控制系统的功能主要是完成板材的移动和切割，主要包括牵引机、夹紧装置、进给系统和切割枪等，其组态运行中的界面如图1所示。

1）牵引机即大车，由相互平行的前后两队辊子组成，通过步进电动机[10]的驱动带动板材进行移动，利用PLC 的高速脉冲输出和方向输出进行控制，既能保证运行速度又能确保设定长度，从而实现精确控制，完成板材的输送功能。

2）夹紧装置由V 型铁在气缸[11]的驱动下，通过PLC控制单线圈二位电磁阀控制气缸运动，线圈通电时执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。当工件输送到位后，接通电磁阀，通过夹紧机构将工件固定，然后启动切割。当切割结束后，松开工件以方便工件进行移动。

3）进给系统能够实现切割枪的上升/下降、左移/右移等动作，分别由PLC 控制两个双线圈二位电磁阀驱动气动执行元件完成相应动作。上升/下降实现切割枪到达和离开切割位置；左移/右移实现切割枪的切割操作和复位操作。

4）切割枪气体阀门的通断由PLC 控制。在切割枪下降到位后，依次打开氧气阀门、乙炔阀门，待乙炔和氧气充分混合后再点火进行切割。切割结束后，再依次断开乙炔阀门、氧气阀门。

图1 系统组态界面Fig.1 Configuration interface of system 2 硬件线路设计

根据控制系统的功能要求，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7-200 系列PLC 作为板材切割控制系统的主机[12]。总共有22 个数字量输入和10 个数字量输出，选择CPU224DC/DC/DC 作为该控制系统的主机，在Q0.0 和Q0.1 上可以产生高速脉冲串和脉冲宽度可调的波形，频率可以达到20 kHz。还需要扩

展一个数字量输入/输出模块。为了便于硬件的安装和减小PLC 系统所占体积，采用EM223 模块。EM223 是一个输入/输出混合模块，选择24 V 数字量组合8 输入/8 输出，既能满足系统的控制要求，同时也满足了I/O 点数要求。

为满足生产要求，控制系统的工作方式分为手动、步进、单周期、连续和复位操作[13]。手动操作不需要按工序顺序动作，而是完成各个动作的手动控制。输入电路有按钮、行程开关和手动开关，通断可靠；输入电路应用了S7-200 的24 V 自带电源，其容量能够满足输入信号的要求。输出驱动有电磁阀线圈、接触器线圈和步进电机驱动器，且使用直流24 V 外加电源。 3 软件程序编写

由于控制系统工作方式较多，所以采用模块式程序结构。系统的五种操作方式可分为手动、复位和自动三种，自动即为步进、单周期和连续。主程序整体设计如图2所示。手动程序、复位程序和自动程序可分别编成相对独立的子程序模块，通过调用指令进行功能选择。

图2 主程序梯形图Fig.2 Ladder diagram of main program

系统上电，SM0.0 的常开触点闭合，公共程序无条件执行，公共程序用于不同工作方式之间相互切换的处理，注意将各步对应的存储器位复位，否则可能会引起错误的动作。当工作方式选择手动时，执行手动工作程序。手动程序主要用于系统调试，为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置一些必要的联锁环节。由于篇幅有限，这两部分程序不再详细介绍。

系统的自动操作属于顺序控制，用顺序控制设计法进行编程，其核心是画出顺序功图[14]，根据顺序功能图可以很方便地设计出梯形图[15]，转换的条件由各行程开关及定时器的状态来决定。

当选择自动方式（单步、单周期和连续）时，I0.4，I0.5 或I0.6 接通，执行自动控制程序。自动工作方式的顺序功能图如图3所示。

单步与非单步的区分在于设置了“转换允许标志”M0.2，M0.2 的梯形图如图4所示。

如果系统工作在单步方式下，I0.4 的常闭触点断开，当某一步的工作结束后，转换条件满足，只有按下启动按钮I0.0，系统才会转换到下一步。当系统工作在非单步工作方式时，由于I0.4 的常闭触点闭合，允许步与步之间的转换。 图3 自动方式顺序功能图Fig.3 Sequence function diagram of automatic mode

图4 转换允许标志Fig.4 Ladder diagram of conversion permission symbol 单周期与连续的区分在于M0.3 的设置，M0.3 的梯形图如图5所示。在连续工作方式下，按下启动按钮I0.0，M0.3 得电自锁。当切割系统执行完步M2.4 大车步进后，回到夹紧机构夹紧步M1.1，由于步进电机脉冲发送完毕，使M0.7 的状态为1，如图6所示。转换条件M0.3·M0.7 状态为1，切割系统压紧，进入下一个切割周期。在单周期的工作方式下，M0.3 一直处于0 状态。当切割系统在最后一步M2.4 使M0.7 为1 状态，转换条件 满足，系统返回并停留在初始步。 大车前进子程序和大车步进子程序由多段PTO 控制。只有板材初次进入切割系统时才调用一次大车前进子程序，大车将板材输送到切割位置。当每个切割周期结束后，系统调用大车步进子程序，在大车带动下，板材移动一个切割长度的距离，为下一个周期的定长切割做准备。

图5 连续标志Fig.5 Ladder diagram of continuous symbol

图6 压紧机构压紧步Fig.6 Compacting step of compacting mechanism 当工作方式选择复位时，I0.2 接通，复位程序执行。复位顺序功能图如图7所示。根据切割枪可能处于的位置进行判断，然后选择最短路线返回原点位置。当切割枪处于下限时，若是切割状态，需要转到手动工作模式切断气源灭火，然后再进入复位工作方式，切割枪首先右移，然后上升、左移、压紧装置松开，回到原点条件。

切割枪不处于切割下限时，按下启动按钮I0.0，切割枪执行上升、左移、压紧机构松开的动作。当切割枪处于左侧时，上升到位后，左限位开关I2.6 为1 状态，执行压紧机构松开的动作。当切割枪处于上方时，由于上限开关I2.4 为1 状态，直接执行切割枪左移，左移到位后压紧机构松开等动作。

图7 复位顺序功能流程图Fig.7 Function flow chart of reset sequence 4 结 论

本文以金属板材切割为例，对火焰切割机的控制系统进行了研究。利用西门子S7-200 系列PLC 实现对切割机运动以及火焰切割所需气体的控制，避免了人工操作不当产生的加工质量及工作安全问题。多种工作方式的自由切换，满足了各种生产场合的需要，并且实际试验证实了控制程序的正确性与可靠性，大大地提高了定长板材的切割质量和效率。 参 考 文 献

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