PLC控制同步切割機總體方案研究

宮鳴

（延鋒汽車外飾系統有限公司，遼寧 沈陽 110121）

1 引言

同步切割機是金屬型材坯料生產工藝常用的設備。它以其生產效率和成品率高的特點受到鋼冶企業的重視。同步切割機切割坯料常用方式有手工切割、半自動切割機切割及自動切割機切割。手工切割靈活方便，但手工切割質量差、尺寸誤差大、材料浪費大、后續加工工作量大，同時勞動條件惡劣，生產效率低。半自動切割機切割工件的質量較好，適合于單件、小批量和大工件切割。自動切割相對手動和半自動切割方式來說，可有效地提高坯料切割效率、切割質量，減輕操作者地勞動強度。目前在我國的一些中小企業甚至在一些大型企業中使用手工切割和半自動切割方式還較為普遍，自動切割機的市場潛力還是很大、市場前景比較樂觀，筆者對PLC控制同步切割機自動控制的設計總體方案進行了分析和研究，提出了較為理想的控制方案。采用自動控制后，可切割棒料、條料、板料，又可切割型材，適應性強，切割尺寸誤差可小于2mm，只要普通工作人員就可操作,調整簡單迅速，安裝、維護方便。

2 同步切割機實現自動控制的必要性

本項目主要研究鑄鐵水平連鑄生產線同步切割機。此生產線現已實現了全線的半自動化，而切割機部分基本是手動操作的，由于生產中要連續不斷切割型材，型材的直徑大小、前進速度變化，進給的長度不定，砂輪來回切割次數及深度的變化等一系列條件，在產量不高的情況下是可以的，隨著用戶對產品需求量量增大，為了提高工作效率，改善工作條件，實現生產線的自動化就必須對同步切割機實現自動控制。

3 對同步切割機主要動作結構分析

同步切割機采用了水平進刀切割的方式。它由夾緊機構、同步小車、砂輪切割機及進給系統、砂輪切深補償調節和回車系統組成，如圖1所示。

圖1 同步切割機

金屬型材坯料從保溫爐中拉出，到同步切割機，當達到給定長度時，切割機的夾緊機構首先夾住型材，進行對刀，達不到對刀口時再松開重新夾緊。確定好夾緊位置后，小車隨著型材一塊前進，進行同步切割。然后砂輪電機啟動，實行緩慢的水平切割進給動作，切割到位時，砂輪快退復位，回到原位。夾緊機構松開，切割機將借助安裝在切割小車下面的回車系統返回起始工作位。

3.1 切割機夾緊機構

切割機夾緊機構由夾緊油缸、一對V型鐵和杠桿機構組成的。一對V型鐵在油缸帶動下通過杠桿機構實現夾緊。當泵站供給液壓系統液壓油時，夾緊油缸通過夾緊立柱帶動上V型鐵向下運動，而夾緊立柱通過短滑柱、長滑柱和連桿構成的杠桿機構帶動下V型鐵向上運動，完成夾緊棒料的動作，如圖2和圖3所示。

夾緊油缸的動作來自于電機帶動液壓泵旋轉，從油箱中吸油，油液進入液壓泵，當它從泵中輸出進入液壓管后，通過液流閥、單向閥、節流閥、換向閥進入液壓缸左腔，推動活塞和工作臺向右運動，實現油缸帶動V型鐵運動的動作。

夾緊的速度通過調節節流閥開口大小來改變，工程中對夾緊油缸的速度沒有嚴格要求。測定夾緊機構是否完全夾緊由壓力繼電器來測定。如圖4所示。

圖2 夾緊機構裝配圖

圖3 夾緊機構示意圖

3.2 切割系統

切割系統由切割機進給系統、升降電機、砂輪電機和吸塵電機組成。切割機進給系統由液壓系統控制，升降電機、砂輪電機和吸塵電機由交流電機帶動。同步前進是靠夾緊機構夾緊型材后，借助牽引機的牽引力來實現的，并在同步運動中完成切割。砂輪片在切深調節電機帶動下沿立導軌作上下運動，實現砂輪相對型材的切深及砂輪磨損補償；砂輪片及進給系統固定在可前后移動的立柱上，在進給油缸驅動下在水平導軌上實現慢進切割和快退復位的雙向動作，進給系統如圖1和圖4所示。

3.3 進給系統

切割機切割進給速度由液壓系統保證，當電機帶動液壓泵旋轉后，從油箱中吸油，油液進入液壓泵，當它從泵中輸出進入液壓管后，通過液流閥、單向閥、節流閥、換向閥進入液壓缸左腔，推動活塞和工作臺向右運動，完成切割機切割進給的動作，液壓油壓力的大小由壓力表來顯示，而液壓缸油腔的油經換向閥和回油管排回油箱。如將換向閥轉換方向，活塞和工作臺向左移動，完成切割機切割快退回位的動作。改變節流閥開口大小就可控制工作臺的移動速度，從而改變切割進給和切割快退的速度。在切割進給過程中實行緩慢的水平切割進給動作，而在切割快退中不進行深度切割，速度較快，如圖4所示。

3.4 回車系統

回車系統由小車電機帶動的，小車電機啟動后，通過減速器，在鏈條的傳動下，離合器的回轉帶動車輪運動。離合器的線圈通以24V的直流電后形成磁路，產生電磁力，吸動銜鐵而將內、外摩擦片壓緊，靠摩擦片間的摩擦力使離合器連接成一體回轉；當切斷電流時，磁力線消失，銜鐵釋放，摩擦力消失，車輪停止運轉。如圖5所示。

圖4 切割機進給系統原理圖

圖5 回車系統簡圖

4 PLC控制方案的分析

4.1 控制方案的分析

本項目是一個順序過程它是以開關量邏輯控制為主的程序控制，能實現這種工業控制方案的裝置很多，有可編程控制器（PLC），繼電器控制系統，單片機，微型計算機，集散系統等。在控制系統中，PLC成為當今增長速度最快的工業控制設備，它具備了許多獨特的優點，能較好的解決工業控制領域普遍關心的可靠、安全、靈活、方便、經濟等問題，為此選擇PLC作為控制設備。夾緊機構的夾緊油缸、杠桿機構；切割機進給系統的液壓系統控制、升降電機、砂輪電機和吸塵電機；回車系統小車電機、離合器等均為需要控制的部件。

4.2 PLC控制方案的特點

（1）可靠性高，抗干擾能力強，適用于工業現場；（2）編程簡單易學；（3）設計、安裝容易，調試周期短，維護簡單；（4）模塊品種豐富、通用性好、功能強大；（5）體積小、能耗低。

PLC是專為工業環境應用而設計制造的計算機，它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動能力，但PLC產品并不針對某一具體工業應用，在實際應用時其硬件需根據實際需要進行選用、配置，其軟件需根據控制要求進行設計編制。

4.3 PLC與其他工業控制設備的比較

4.3.1 PLC與繼電器控制系統的比較

（1）控制方式。繼電器的控制方式是采用硬接線實現的，它是利用繼電器機械觸點的串聯或并聯以及延時繼電器的滯后動作等組合形成控制邏輯，它只能實現既定的邏輯控制。且其連線多而復雜，體積大，能耗大，一旦系統設計制造完成后，再想改變或增加功能將十分困難。此外繼電器觸點數目有限，其靈活性和擴展性也很差；而PLC采用存儲邏輯，要改變控制邏輯，只需改變程序即可，且其連線少，體積小，靈活性和擴展性極佳。

（2）控制速度。繼電器控制邏輯是依靠觸點的機械動作實現控制，其工作頻率低，觸點的開合動作一般在幾十毫秒，此外機械觸電還會出現抖動現象；而PLC是由控制指令控制半導體電路來實現控制，速度極快，一般一條用戶指令的執行時間在微秒數量級。

（3）延時控制。繼電器控制系統是靠時間繼電器的滯后動作實現延時控制，而時間繼電器定時精度不高，易受環境溫度和濕度的影響；PLC是半導體集成電路做定時器，時基脈沖由晶體震蕩器產生，精度高。

（4）設計與施工。用繼電器實現一項控制工程，其設計、施工、調試必須依次進行，周期長，且修改困難；而PLC設計與施工可同時進行，周期短，調試和修改都較方便。

（5）可靠性和維護性。繼電器控制系統使用了大量的機械觸電，壽命短，可靠性和維護性都差；PLC采用微電子技術，大量的開關動作由無觸電的半導體來完成，壽命長，可靠性高。

4.3.2 PLC與微型計算機的比較

（1）應用范圍。微機除了用于控制領域外，其主要用于科學計算、數據處理、計算機通訊等方面；而PLC主要用于工業控制。

（2）使用環境。微機對環境的要求高，一般要在干擾小，具有一定的濕度和溫度的機房內使用；而PLC適應于工業環境。

（3）輸入和輸出。微機系統的I/O設備與主機之間采用微電聯系，一般不需電器隔離；PLC一般可控制強電設備。

（4）程序設計。微機具有豐富的程序設計語言，要求使用者具有一定的計算機軟硬件知識；而PLC的程序采用梯形圖即可，程序編制比較容易。

（5）系統功能。微機系統一般配有較強的系統軟件，并具有豐富的應用軟件；而PLC的軟件則相對簡單。

（6）運算速度和存儲容量。微機運算速度快，其存儲容量很大；PLC因接口的速度慢影響數據處理速度，內存容量小，因而適用于中小規模的過程控制。

4.3.3 PLC與工業控制機

這兩種機器都是適合于工業生產應用的。工業控制機是由通用微機推廣應用發展起來的，硬件結構方面總線標準化高；可編程控制器是由電氣控制廠家研制生產的，從開始就是針對工業順序并擴大應用而發展起來的。

工業控制機由于直接由通用微機而來，故軟件資源豐富，特別是有實時操作系統的支持，故要求快速、實時性強、模擬復雜性高的領域占有優勢；可編程控制器的運行方式不同于工業微機，它對邏輯順序控制很適應，它編程中的梯形圖很受不熟悉計算機而熟悉電器的工人的歡迎。

4.3.4 PLC與集散系統

（1）PLC是由繼電器邏輯控制發展而來得，集散系統是由回路儀表控制發展而來。

（2）早期的PLC在開關量控制、順序控制方面有一定優勢，而集散系統在回路調節、模擬量控制方面有一定的優勢。

5 PLC 控制方案的確定

鑒于PLC的特點及與其它工業控制裝置的比較，決定對同步切割機的動作循環過程采用PLC作為控制方案，完成一個完整周期動作循環過程的自動控制。以棒料直徑的大小及棒料前進速度作為原始參數，分析從夾緊到小車回位的一整套切割機操作過程，完成系統的自動控制，最后實現PLC控制程序與觸摸屏控制相鏈接構成人機交互界面，從而實現信息的交換，并可構成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統。操作員可以通過監控命令有關部分的運行狀態，可以根據不同直徑的大小及棒料前進速度，調整定時、定數等設定值。

小結。同步切割機在整個鑄鐵水平連鑄生產線上是主要的生產設備，也是提高生產效率，保證產品質量的關鍵設備，企業對其進行技術改造，可以擴大產能，降低成本，增加經濟效益。

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