基于 S7-1200 的定長切割控制系統設計

WANG Jinfeng

Abstract — The system designed in this paper adopts S7-1200PLC control， the inverter stepless to adjust material speed， the servo motor realize the precise length measurement， and the MCGS friendly human-machine interface to achieve high-precision and high-efficiency dynamic cutting system.

Index Terms — computer engineering， terms-fixed-length cutting， PLC， MCGS， frequency converter， servo motor.

隨著我國制造業的蓬勃發展，對管材、棒材定長切割的需求旺盛，對切割精度的要求也越來越高。采用先進的現代切割技術，不但可以保證切割精度、產品質量、提高生產效率，而且使產品制造成本大幅度下降，縮短產品生產周期。

定長切割系統廣泛應用在金屬管材、塑料和玻璃生產線的生產過程。常用的定長切割系統有靜態切割和動態切割兩種。靜態切割是走停送料，刀座是固定不動的，在切割加工瞬間待切材料必須完全停止。動態切割是連續送料的，在切割加工瞬間刀具與材料是同步運行的。靜態切割效率明顯低于動態切割，但靜態切割的切割精度較好控制。在工業生產過程中，對定長切割設備有穩定性能好、切割精度高兩個基本要求。傳統的定長切割設備采用繼電器、接觸器控制，這種控制系統線路復雜、切割參數誤差大、故障率高、能耗大、效率低、勞動強度大。本文研究用西門子 S7-1200 系列 PLC 取代傳統的控制系統，用伺服控制器的高精度實現精確定尺切割，用人機界面方便設定、統計產量和訂單完成情況等，實現動態定長切割系統生產效率高、控制精度高、運行可靠性高以及操作方便等優點。

1 定長切割系統的組成與基本結構

定長切割系統由給料系統、切刀系統和電氣控制系統組成，其基本機械結構如圖 1 所示，包括底座、工作滑臺、工料、切斷氣缸、進料滾輪、滑臺電動機、編碼器、切斷壓板、壓緊氣缸、鋸片、次品分揀汽缸、次品推板和正品傳送帶和工料檢測傳感器等。

定長切割系統的電氣控制系統主要有進料電機 M1、滑臺電機 M2、鋸片電機 M3 、傳送帶電機 M4 等 4 個電動機和切斷氣缸、壓緊氣缸、次品分揀汽缸等 3 個氣缸組成。滑臺電動機初始位置檢測傳感器 SQ1、左右限位保護傳感器 SQ2 和 SQ3，左右極限位保護傳感器 SQ4 和 SQ5，編碼器（A/B 相計數），工料檢測傳感器 SQ6，切斷壓板的初始位置和終點位置檢測傳感器 SQ7、SQ8，分揀推板起始位置、終點位置檢測傳感器 SQ9、SQ10，鋸片氣缸原位檢測傳感器 SQ11、SQ12。

2 定長切割系統的硬件及與原理

為實現定長切割系統的工藝要求，滿足現代企業高效生產的需求，硬件設計采用 PLC 電氣控制，配置觸摸屏、變頻器和伺服電機的現代電氣控制系統。進料電動機 M1 選用三相異步電動機（帶速度繼電器），由西門子 MM420 變頻器進行速度控制。滑臺由電機 M2 選用伺服電機，由臺達 ADS-B2 系列交流伺服驅動器驅動。鋸片電動機 M3 選用雙速電機，能進行高、低速運行。正品傳送帶 M4 選用三相異步電機（不帶速度繼電器），只進行單向正轉運行。切斷氣缸、壓緊氣缸、次品分揀汽缸 分別由 PLC 數字量輸出點控制，置位則推出， 復位則返回，氣缸的置位復位狀態由觸摸屏顯示。電氣控制系統的主電路設計如圖 2 所示。

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。

S7-1200 是西門子公司推出的一款緊湊型、模塊化的 PLC，設計緊湊、組態靈活且具有功能強大的指令集。適用于單機小型自動化系統、小型運動控制系統、過程控制系統。具有強大的通信功能，容易實現多屏 HMI 人機對話。本項目選用 1 個 CPU1212C DC/DC/DC 模塊，1 個數字量擴展模塊 SM 1223 DI8×24VDC DQ8×繼電器，1 個模擬量擴展模塊 SM1232 AQ2×14 位。動態切割要保證切割裝置與給料系統同步移動，切割長度不受輸送線速度波動的影響，關鍵問題是同步，該系統的同步問題由伺服電動機來解決。伺服系統一般由驅動控制裝置、伺服電機和檢測裝置組成，包括參量設定、變量檢測反饋、偏差處理算法、執行機構隨動等環節。伺服系統具有驅動器和受控對象共同協作、控制精度高、指令響應快、啟停特性好等特點。本項目伺服電機采用 ECM A-C20606ES，伺服驅動裝置選用 ASD-B2-0721-B。PLC 控制系統的硬件設計如圖 3 所示。由圖 3 可以得出定長切割 PLC 控制系統的 I/O 地址分配表如表 1 所示。

變頻器的速度給定信號 DC0~10V 由 PLC 模擬量輸出模塊提供，伺服電動機的極限位置信號 SQ4、SQ5 直接接入伺服控制器。

3 軟件設計

定長切割系統設備有手動操作和自動操作兩種工作模式，由 SA 轉換開關選擇。在手動模式下，由 MCGS 選擇哪臺電機運行，相應的指示燈亮。站 PLC 和觸摸屏之間的通訊。例如，測試主站與觸摸屏之間的通訊時，可在觸摸屏上設置指示燈，當按下 SB1 時，觸摸屏上的指示燈亮。手動模式一般用于設備檢修調試及生產過程非正常工作狀態的處理。手動操作模式 MCGS 界面設計。

在手動操作模式，操作員在下拉框選擇要工作的電動機，點擊啟動、停止按鈕進行操作。工作的電動機對應的指示燈亮。按下切割按鈕后。壓緊氣缸、切斷氣缸在 PLC 程序的控制下，自動完成系列操作，工料被切斷后，自動縮回夾緊氣缸和鋸片氣缸。SA 轉換開關切換到自動操作模式，打開觸摸屏自動操作畫面。首先，操作人員根據生產情況設置切料長度和進料速度等參數。系統初始化，判斷滑臺、切斷壓板、分揀推板及鋸片等是否位于初始位置。自動模式界 MCGS 面設計。

按下啟動按鈕 SB1， 進料電機 M1 啟動，工件連續擠出；當工料檢測傳感器 SA1 檢測到有物料時，t1 開始計時；當 t1＝L/v 時，啟動滑臺電動機 M2，由伺服控制跟隨工料同步運行。壓緊氣缸在滑臺與工料同步后伸出，鋸片電動機 M3 開始低速旋轉。當壓緊氣缸伸到位后，鋸片氣缸伸出，鋸片電動機高速旋轉切割工料。切斷后，夾緊氣缸、鋸片氣缸均回歸原始位。若切割誤差滿足系統要求，正品傳送帶電機啟動將成品運出；否則分揀氣缸動作，將次品剔除至側面。至此，一個工作周期完成，鋸片電機停轉，滑臺快速回歸原始位，同時編碼器復位。至此，一次切料完成。繼續等待工料，判斷是否達到切割長度，再次進入上述工作循環。直到工料檢測傳感器檢測不到物料，整個切料機系統停止。當按下停止按鈕 SB2，系統完成一個動作周期后滑臺電動機 M2 回到初始位置后停止運行。系統發生急停事件按下急停按鈕時（SA2 被切斷），系統立即停止。系統自動控制程序的軟件流程。定長切割系統的部分主程序。定長切割系統子程序伺服電機的控制。

4 結語

本研究以 S7-1200PLC 作為控制核心，實現高精度的運動控制；用臺達 MCGS 作人機界面，便捷修改操作參數，跟蹤訂單進度；以 MM420 變頻器來控制進料電動機，實現進料速度無極調速，滿足不同工藝要求；通過伺服電動機控制滑臺與切割工料同步運行，滿足動態切割。實踐證明，該生產線切料速度快、邊緣整齊、分揀準確率高和操作便捷的優點，該控制系統經過一定擴展可滿足多自由度運動控制的需要。具有一定的推廣、應用價值。
責任編輯:pj