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PLC

S7-200 SMART 在鋁塑門窗雙頭切割鋸上的應用

  2018年05月02日  

  摘要:本文介紹了西門子 S7-200 SMART PLC 及 SMART LINE 觸摸屏在鋁塑門窗行業切割鋸設備上的應用,闡述了工藝流程、控制系統選型和軟件開發。結合 SINAMICS V60 伺服驅動器,整套西門子小型自動化解決方案有效提升設備的運行效率,滿足了型材切割的精度要求。

  1 引言

  隨著國家“十一五”節能減排政策的貫徹落實,門窗行業對于型材的節能效果也提出了新的要求。傳統的鋁合金門窗由于型材本身的特點—— 傳導散熱快,對于在冬季有效保持室內溫度的要求不能有效的滿足,節能效果較差。新型的鋁塑門窗利用塑料型材 ( 隔熱性高于鋁型材 1250 倍 ) 將室內外兩層鋁合金既隔開又緊密連接成一個整體,比普通門窗熱量散失減少一半,降低取暖費用 30% 左右,成為門窗行業新的發展趨勢。

  門窗型材的變化推動著門窗加工設備的種類逐漸細化、品種逐漸多樣化,對生產工藝也有了更高的要求。門窗型材鋸切作為門窗生產流程的重要環節,其加工精度直接影響門窗的質量與生產效率。目前鋁塑型材鋸切機床的加工精度較低,鋸切后的鋁型材主要靠后續的安裝彌補鋸切時的誤差,塑料型材靠后續的焊接彌補鋸切時的誤差,加工效率較低。切割鋸裝備圖片如圖 1 所示。

  2 工藝原理

  2.1 切割鋸系統性能

  濟南倫渠數控機電有限公司專業生產各種鋁塑加工設備,針對新型的切割鋸設備性能需求,提出了以西門子最新推出的小型 PLC S7-200 SMART 作為主控制器,同時采用了 SMART LINE 觸摸屏和 SINAMICS V60 伺服驅動器。整套的西門子小型自動化解決方案優化了設備性能,調試也更加便利,其基本性能如下:

  (1) 效率高:運行速度可達每分鐘 20 米,切割 3mm 鋁板速度可達到 1.5 ~ 3m/min;

  (2) 切力大:切割深度可達 3 ~ 8mm,切割口平滑,無毛邊,不變形;

  (3) 精度高:能進行準確定位,定位精度可達 0.02mm;

  (4) 性能穩定:可 24 小時不間斷作業,廢品率低;

  (5) 功能豐富:擁有斷點、斷電復位,加工時間預測等功能。

  2.2 切割鋸原理結構

  鋁塑門窗雙頭切割鋸由機械系統和電氣系統構成,前者包括鋸頭、固定機頭、移動機頭、移動機頭拖動裝置、床身、托料架等機械結構,后者由電氣箱、電氣控制操作臺等電氣系統及氣動系統組成,用于實現對型材定尺定角度切割下料設備的控制。鋁塑門窗雙頭切割鋸上的切割刀具使用硬質合金齒鋸片,切削速度快、效率高、加工精度高。該機也可用于木料加工,其兩個機頭可單獨工作也可同時工作,一次切出需要的長度及切口角度。

  (1) 鋸頭。鋸頭部分由左、右鋸頭組成。左鋸頭為固定鋸頭,右鋸頭隨拖板在圓導軌上左右移動。拖板與導軌之間有直線運動副。鋸頭的左右運動輕快、靈活,保證了運動的平穩性。鋸片的進給由雙作用氣液阻尼缸完成。其氣動控制系統具有無極調速的功能,根據加工需要,可調節其進給及返回的速度,使之具有慢速進給快速返回的功能;

  (2) 床身。床身由低碳鋼矩形鋼管焊接而成,焊接后經時效處理,保證了床身的剛度及穩定性;

  (3) 工作臺。固定工作臺和左鋸頭裝在一起,活動工作臺隨拖板在導軌上可左右水平移動。

  2.3 切割鋸工藝流程與特點

  機床的床身上裝有兩個鋸頭。左鋸頭為固定的,用螺釘固定在床身上,右鋸頭可由把手拉動在圓導軌上移動并可鎖定在所需位置上。工作切削的長度,由安裝在床身上的刻度尺指示,長度的精確調整通過手輪微調進行。

  右機頭的右邊裝有操作臺,隨鋸頭一起運動,電氣控制元件均裝在操作臺上。工件放到工作臺上后只要操作人員按操作規程按動按鈕,機器即可完成工件定位,壓緊、切割、刀具返回、松開等工序。該機的設計充分考慮到了工作人員的安全。鋸頭運動部分,全部罩在可開啟的、堅固的安全罩內。切割鋸工藝流程如圖 2 所示。

  3 電控系統設計

  3.1 PLC 控制器

  鋁塑門窗雙頭切割鋸設備所需的 PLC 控制點數為數字量輸入 20 點,數字量輸出 16 點,其中設備右鋸頭需用伺服控制其左右移動定位,定位信號通過磁柵尺的反饋到 PLC。該系統中控制器選用西門子 S7-200 SMART CPU ST40,其他數字量輸入 24 點,數字量輸出 16 點。同時該 CPU 模塊具備三軸 100kHz 的高速脈沖輸出,在不增加高速脈沖輸出模塊的前提下即能滿足伺服定位的需求,其磁柵尺的反饋信號可直接接入 PLC 的輸入點中,利用 PLC 的高速計數 A/B 相功能即可采集。

  3.2 人機界面

  人機界面選用西門子 SMART LINE 觸摸屏,64k 真彩顯示,通過以太網與 S7-200 SMART 實現便捷高效的通訊。一方面能將設備的狀態、行走位置等數據實時的反饋至人機界面,另一方面可以通過人機界面上實時修改設備的運行模式、行走位置等。

  3.3 伺服驅動器

  設備的右鋸頭可以左右移動,移動通過絲杠加直線導軌的機械部件實現行走定長功能,控制絲杠用的 是 1.5kW 的 伺 服, 選 用 西 門 子 SINAMICS V60 驅動系統,包含有 CPM60.1 驅動模塊和 1FL5 交流伺服電機及配套電纜。SINAMICS V60 伺服驅動器通過脈沖輸入接口來接受從 S7-200 SMART 發來的脈沖序列,進行速度和位置控制,通過數字量接口信號來完成驅動器運行的控制和實時狀態的輸出。根據用戶的中慣量伺服電機的需求,選用 SINAMICS V60 7.7Nm 伺服電機及其驅動器。同時 V60 伺服具有 10000 脈沖 / 轉的高分辨率,配合設備上特殊的機械設計,可滿足設備最高 0.02mm 控制精度的要求。硬件配置如表 1 所示。

  4 切割鋸軟件設計

  S7-200 程序開發主要包括邏輯程序、磁柵尺高速計數,伺服運動控制功能等。

  4.1 PLC 邏輯程序

  根據設備的具體工藝編寫邏輯程序,主要分為點動、排料、角碼等,使用子程序對上述功能進行歸類,程序邏輯更加清晰,邏輯編寫示意圖如圖 3 所示。

  4.2 磁柵尺高速計數

  此設備上磁柵尺用于記錄右鋸刀行走當前位置,輸出 A/B 相正交信號,利用 S7-200 SMART PLC 的高速計數功能可非常方便的采集磁柵尺反饋的位置信號。

  Micro/WIN SMART 提供高速計數器向導,高速計數模式 9 為 A/B 相正交計數器模式,通過參數設置能夠生成用于高速計數器的子程序,編程者只需將這些子程序進行簡單調用,即可實現對磁柵尺信號的采集。例如先在初始化程序中將當前值 CV 設為斷電之前的數值,將預設值 PV 設為最大,利用邊沿指令使觸摸屏上設置的數值改變當前值 CV 和預設值 PV。SMB37 為控制字,SMD38 為當前值 CV,SMD42 為預設值 PV,HDEF 指令將計數器工作模式設置為 9,HSC 指令執行以上的操作。初始化程序中設置高速計數功能圖如圖 4 所示。

  4.3 伺服運動控制

  S7-200 SMART 運動控制功能通過設置向導即可實現。選擇測量系統:在 Micro/WIN SMART 運動向導中只需通過參數設置即可實現工程單位和脈沖的轉換,直觀的顯示了控制對象的單位,而無需進行人為的計算。此設備選擇工程單位,電機轉一圈需要 10000 個脈沖,電機轉一圈工作臺行走 10mm,控制精度可達 0.001mm/ 脈沖,從而能更容易的地實現用戶 0.02mm精度的要求。

  在向導生成的功能塊中,常用到以下幾個子程序:

  AXISx_CTRL 子例程 ( 控制 ) 用于啟用和初始化運動軸。

  AXISx_MAN 子例程 ( 手動模式 ) 將運動軸置為手動模式,用于電機按不同的速度運行,或沿正向或負向慢進。

  (1) 初始化子程序調用圖如圖 5 所示:

  (2) 手動子程序調用圖如圖 6 所示:

  4.4 人機界面設計

  人機界面組態:系統主要包括點動功能、排料功能、加工功能、設置功能等。

  (1) 點動功能:在觸摸屏上通過按鈕手動控制設備各部件動作;通過按鈕點動控制右鋸刀左右移動;

  (2)排料功能:序號為加工的順序,L為加工料長度(右鋸刀的移動距離 ),N 為鋸刀切割的次數,通過此畫面用戶可設定安排加工料的順序、長度、次數;

  (3) 加工功能:設置型材高度,工進延時,并可以對機頭和機頭角度進行選擇,分別有 45、67、90 度三種;點動加工用于單獨定義長度的加工工藝;排料加工用于按排料功能定義的加工工藝;角碼加工用于左鋸頭單獨動作的加工工藝。

  (4) 設置功能:設置加工時各個長度范圍的補償長度,用于消除誤差。比如 100 內填寫 0.01,即為加工料長度設定為 0 ~ 100mm 時,實際加工長度增加 0.01mm;比如 200 內填寫 -0.02,即為加工料長度設定為 100 ~ 200mm 時,實際加工長度減去 0.02mm。功能畫面如圖 7 所示。

  5 結束語

  S7-200 SMART 的運算速度快,在定位功能方面速度響應快,定位更加準確;與 SMART LINE 觸摸屏通過以太網進行通訊,極大的提高了通訊速度;同時西門子 V60 伺服產品可輕松接入 S7-200 SMART PLC 系統中,大大提升了設備應用的簡易性,是西門子小型自動化產品整體解決方案的典型應用。相比于之前多品牌國產電氣元件并存,統一的西門子解決方案在有效控制成本的前提下,提升了設備的性能和品牌,在市場競爭中更具優勢。

  Micro/WIN SMART 提供運動向導功能,通過參數設置能夠生成用于運動控制的子程序,用戶只需調用這些子程序,即可實現高速脈沖輸出功能來控制伺服,節省了大量精力,有效縮短了調試時間,與以往費時費力編寫大量的程序相比有質的飛躍。

標簽:西門子 S7 | 200 SMART我要反饋
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