淺談PLC在鋼帶沖裁機電氣控制系統中的應用

摘要：針對鋼帶沖裁的特點，從方案設計、控制系統硬件選型和控制系統軟件設計等方面，研究了西門子PLC在鋼帶沖裁機電氣控制系統中的應用情況。在鋼帶沖裁機電氣控制系統設計前，首先對需生產的鋼帶工藝要求進行分析，確定系統動作流程;再根據自動沖裁機的特點和功能需求，確定系統的硬件構成，即使用西門子S7-200 CPU226 PLC作為核心控制器，使用氣缸作為執行元件，使用磁性開關、接近開關作為到位信號傳感器，使機器的硬件系統體積小，控制原理簡單，運行穩定性高，成本低廉，維修便利;最后在所選用硬件的基礎上編寫控制梯形圖，從而實現鋼帶的自動沖裁生產，減少了人工成本，提高了生產效率。

關鍵詞：自動沖床;PLC;氣動

0 ? ?引言

沖裁是指利用沖模使部分材料或工（序）件與另一部分材料、工（序）件或廢料分離的一種沖壓工序。沖裁是包括剪切、落料、沖孔、沖缺、沖槽、剖切、鑿切、切邊、切舌、切開、整修等分離工序的總稱。隨著沖裁技術的不斷發展和廣泛應用，越來越多的行業離不開沖裁技術，尤其是電器、飛機、汽車、船舶、電動機、儀表和日用化工等行業。電氣自動化控制技術自應用于工業生產領域以來，發展迅速，已經成為很多行業生產中的重要設備技術，為提升工業生產力提供了有力保障。本文在PLC相關理論基礎上，結合具體案例，探討PLC在鋼帶沖裁機電氣控制系統中的應用。

1 ? ?設備概況

電除塵器放電鋼帶自動沖裁機是利用兩臺普通沖床和一套自動送料設備組合而成的專用自動沖裁設備，整機有1臺PLC作為控制中樞，5個氣缸作為執行機構，11個傳感器用于反饋機器信號。

2 ? ?方案設計

2.1 ? ?自動鋼帶沖裁機功能概述

自動鋼帶沖裁機需加工的鋼帶為電子除塵器的放電鋼帶，如圖1所示，鋼帶由兩側50 cm的固定安裝區域加上中間50 cm整倍數的放電齒條區域組成，不同大小的除塵器所需的鋼帶長度不一樣，但是固定安裝區域和放電齒條區域都為50 cm的整數倍。因為每次送料距離固定，所以送料裝置選擇行程固定為50 cm的氣缸，且只需在PLC程序上調整進給次數即可滿足不同長度鋼帶的生產需求。

自動鋼帶沖裁機的送料裝置由三個氣缸控制兩個夾板組成，使用了兩臺普通沖床配合兩套不同的模具，一套模具用于沖裁出齒條，另一套模具用于裁斷鋼帶和沖裁定位孔。啟動沖壓的腳踩開關使用普通的雙作用氣缸替代，再用PLC控制這些氣缸，實現沖壓自動化。自動鋼帶沖裁機示意圖如圖2所示。

2.2 ? ?自動鋼帶沖裁機系統動作流程

自動鋼帶沖裁機的工作過程為：各機械部件復位→送料進給→沖裁齒條→循環送料進給沖裁齒條→空走兩次送料進給→裁斷和沖裁定位孔沖壓→下一個鋼帶加工循環→直到加工完畢→停機。其中循環送料進給沖裁齒條的次數為“（鋼帶長度/50）-2”次，這減少的2次為固定安裝區域的位置。裁斷和沖裁定位孔沖壓每送料“鋼帶長度/50”次，則動作一次。

3 ? ?硬件選型

3.1 ? ?控制器PLC的選型

目前市場上PLC生產廠家有很多，比較著名的有西門子、三菱、歐姆龍、施耐德等，雖然不同廠商的PLC功能基本相同，但是各廠商有自己的編程指令和軟件，而同一廠商的PLC又有許多不同的系列、不同的型號，所使用的場合不盡相同，且價格差異大。所以選擇適合的PLC至關重要。

在PLC選型時，首先要根據使用功能進行選型，例如西門子PLC S7-200系列最多有兩路脈沖輸出，因此所設計的機器如需兩路以上脈沖輸出，就不建議選用此機型。其次，要根據I/O點數估算進行選型。I/O點數是PLC選型的一項重要指標，PLC的價格直接和I/O口數量呈正相關，在滿足系統控制要求的基礎上多預留20%左右就可估算I/O口數量。PLC能否正確動作直接關系到機器的穩定性，選型時如果經濟許可，盡量選用大品牌的PLC，且需在設計I/O口容量的基礎上有一些冗余，以便滿足后續的功能擴展需求。

本系統選用的PLC型號為西門子S7-200 CPU226，該機型有集成24輸入/16輸出共40個數字量I/O點;可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量I/O點或35路模擬量I/O點;13K字節程序和數據存儲空間;6個獨立的30 kHz高速計數器，兩路獨立的20 kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。兩個RS485通信/編程口，具有PPI通信協議、MPI通信協議和自由方式通信能力。該型號滿足本系統15輸入/8輸出要求，也便于以后新增人機界面或多機器通信功能。西門子S7-200系列為我國工廠大量使用的一種機型，運行穩定，功能齊全，價格較為便宜，適用于對控制要求較高的中小型機器。

3.2 ? ?氣缸選型

氣缸是指氣壓傳動中將壓縮氣體的壓力能轉換為機械能的氣動執行元件，氣缸使用安裝簡單，可在惡劣條件下工作，維護簡單，非常適合精度要求不太高的往復直線運動。相比于電機驅動，無需絲桿，無需提供電源，節約了大量成本。本系統選用的氣缸均為雙作用氣缸，雙作用氣缸是一種從活塞兩側交替供氣，在一個或兩個方向輸出力的氣缸。

3.3 ? ?傳感器的選型

作為機器的“感覺器官”，傳感器的重要性毋庸置疑，選擇合適的傳感器能讓機器做出正確動作，本系統中氣缸的動作傳感器選用氣缸配套的磁性開關，磁性開關是通過檢測運行過程中氣缸活塞上面的磁環，確定氣缸的運動狀態的一種傳感器，具有使用方便、可靠性好、壽命長、反應時間快、價格低廉等特點。

沖裁模具位置信號和有料檢測選用接近開關。接近開關是一種無需與運動部件接觸即可反饋信號的位置開關，當物體接近開關的感應面到動作距離時，不需要機械接觸及施加任何壓力即可使開關動作，從而給PLC裝置提供控制指令，具有動作可靠、性能穩定、頻率響應快、應用壽命長、抗干擾能力強等特點。

4 ? ?軟件設計

4.1 ? ?PLC的I/O地址分配

在編寫PLC程序前，先明確PLC的輸入/輸出點，輸入/輸出點又稱I/O地址，PLC通過輸入點接收開關指令、各傳感器傳回的信號，通過輸出點給執行機構傳遞動作指令，本系統的PLC輸入/輸出點分配如表1所示。

4.2 ? ?PLC控制系統程序

編程語言使用梯形圖，梯形圖是PLC最通用的圖形編程語言，在電氣設計中得到廣泛使用。梯形圖語言沿襲了繼電器控制電路的形式，在常用的繼電器與接觸器邏輯控制基礎上簡化了符號演變而來，具有形象、直觀、實用等特點。

4.2.1 ? ?復位網絡

復位網絡有開機自動復位網絡和手動復位網絡。機器運行中難免會出現故障，故障處理過后PLC內部的繼電器、定時器等動作狀態是未知的，如果不清除復位，貿然啟動，容易造成誤動作損壞機器，而如每次故障均需通過PLC通斷電復位，影響PLC壽命，因此設置手動復位。

4.2.2 ? ?基礎動作網絡

主程序使用梯形圖按動作順序組成，如圖3所示，該梯形圖使用了定時器和傳感器信號共同控制的模式，I0.6為上一步動作移動夾板上移到位后傳感器的反饋信號，定時器T45為上一步動作預計的動作時間。為了防止因傳感器故障引起的誤動作，用定時器T45的一個常開觸點鎖定，保證只有在移動夾板上移、送料氣缸歸位前這一狀態下接收的移動夾板上到位信號，才能觸發送料氣缸歸位動作。

4.2.3 ? ?齒條沖裁計數網絡

S7-200 PLC的計數器指令有3種，分別為增計數器指令（CTU）、減計數器指令（CTD）和增/減計數器指令（CTUD）。本系統使用的計數器均為增計數器，增計數器在每一個CU輸入的上升沿遞增計數，直至計數最大值。當當前計數數值大于或等于預置計數值（PV）時，該計數器被置位。每完成一次送料動作繼電器M3.4置位、復位各一次，計數器C1計數數值增加1;當送料次數達到預設值時，計數器置位，繼電器M7.0置位，此時齒條沖裁網絡上的繼電器M7.0常閉觸點斷開，主程序循環將跳過齒條沖裁網絡，進入空走步驟。齒條沖裁計數梯形圖如圖4所示。

5 ? ?結語

本文使用西門子PLC作為控制中樞，結合具體案例，探討了鋼帶沖裁機電氣控制系統中的硬件設計和軟件設計，為PLC在自動沖裁系統和中小型電氣自動化機器中的應用提供了參考。

如今我國工業企業的自動化程度和發達國家比起來還有很大差距，我國大量的機械設備仍使用傳統的開關繼電器模式進行控制。隨著我國人工成本的提高，如果工業生產繼續走人工生產、人工加工的道路，我國工業將會因低下的產能、高額的生產成本而發展停滯，所以我國工業產品想要在國際上占有一席之地，就要積極發展工業自動化，而PLC作為工業自動化生產中的核心，在未來也將擁有非常好的發展前景。

隨著PLC技術日趨成熟，PLC發展已趨向微型化、集成化、模塊化和智能化。相比于早期的PLC，新型的PLC功能更強，性能更穩定，使用更簡便。如今工業物聯網已是大勢所趨，新型的PLC控制器現在都已具有通信接口，未來必將在工業自動化、汽車電子、交通運輸、物聯網控制等領域得到愈來愈廣泛的應用。

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收稿日期：2020-01-16

作者簡介：朱宇誠（1990—），男，福建龍巖人，工程師，研究方向：電氣自動化。