PLC在货架冷弯组件定尺剪切中的应用设计———镇江东联仓储设备

摘要：货架冷弯组件定尺剪切是货架冷弯成型生产线上的一个重要环节，它的主要作用是将连续生产的货架组件剪切成库房设计规划所要求的尺寸系列，传统的定尺剪切利用有接点的继电器来实现控制，为提高定尺精度，本文设计采用可编程序控制器（PLC）取代传统接点继电器对系统进行改进。
关键词：货架冷弯组件定尺剪切；可编程序控制器；控制
The application of PLC design for cutting the cold-roll workpieces of racking in certain measurement
ZhenJiang OTL Storage Equipment CO.,LTD  ZhangWeiguo
Abstract: Cutting the cold-roll workpieces of racking in certain measurement is the most important part in the racking rollforming line ,It’s mainly used to cut off the continuous workpieces according to the need of design ,The programmable logical controller replaced the traditional relay to control the system better in this design.
Key words: cutting the cold-roll workpieces of racking;；programmable logical controller（PLC）；control

一、前言

货架冷弯组件定尺剪切是货架冷弯成型生产线上的一个重要环节，它的主要作用是将连续生产的货架冷弯组件剪切成库房设计规划所要求的尺寸；货架冷弯成型生产线的控制系统主要由机械系统（机构）、电子信息处理系统（计算机或PLC）、动力系统（动力源；有伺服驱动单元、交流变频驱动单元、步进驱动单元等）、传感检测系统（旋转编码器或光电传感器等+计数模块或单元等）、执行元件系统等五个子系统组成。

精确的位置控制是货架冷弯机组中液压停剪装置或飞剪装置的基本要求，在货架立柱等位置控制精度要求比较高的场合，可采用CNC系统或专用的伺服控制驱动单元，该方案造价高，基本控制电路和控制原理复杂，控制精度最高可达到±0.1mm以内，且误差分布规律性好，有利于控制长单件工件，如30M长的立柱孔位分布、整件孔位误差分布和孔位积累误差小，但在货架横梁、拉杆等位置控制精度有一定的要求，如：长度控制精度为±0.5mm以内时，采用PLC闭环反馈控制系统实现货架冷弯机组中液压停剪技术是一种性价比很好的选择方案。

传统的定尺剪切利用有接点的继电器来实现控制，但传统的接点继电器存在接点接触不灵敏、信号控制滞后等缺点，造成货架冷弯组件定尺不准确，严重影响库房的规划设计效果和安装控制精度，这也是当前此类设备更新改造的重点和今后的发展趋势。

二、PLC的闭环控制原理
PLC具有PID模块，使其能对输入的模拟量、数字量进行比例、积分、微分计算，并将其运算结果以模拟量形式输出，实现基本闭环控制。

PLC在位置控制系统中得以广泛应用，与PLC制造业提供的驱动单元的性能是分不开的，驱动单元一般可采用：驱动步进电机、伺服控制器及伺服电机、变频器与变频电机系统等；用户只需要通过PLC向位置控制单元模块设置参数及发出某种命令，位置控制模块根据具体测量点的反馈信号和PLC的指令来调整控制输出，实现冷弯轧辊的一定精度要求的定位控制；同时位置控制模块能根据一定的控制目的确保冷弯轧辊的转动运动保持适当的速度和加速度，实现配套设备参数调整的简单化。


图一   PLC的闭环控制原理图

此系统控制示意图如图一，此设计的依据是利用传感器直接检测目标运动，同时将信号传递给可编程序控制器（PLC），通过可编程序控制器对系统进行反馈控制，在此系统中，机械系统由链传动或齿轮传动机构、液压剪切机构、工作台等组成，电子信息处理系统由可编程序控制器（PLC）构成；动力系统由驱动电机组成，传感检测系统由光电开关、位置传感旋转编码器组成；执行元件为工作台和液压顺序控制阀，在设计过程中，应严格选择与系统电气参数相匹配的机械系统参数，同时也要根据机械系统固有结构参数来选择和确定电气参数。

三、对定尺剪切工作过程的简述

    货架冷弯生产线生产工艺流程：开卷 → 入料校平→ 切头、压料、焊接  → 储料(料仓) → 伺服步进送料 → 冲孔 → 储料(料仓) → 冷弯成形 →校直→ 液压停剪切断（定尺剪切过程）→ 出料 → 。即货架冷弯生产线由开卷机、校平机、送料机、压力机、成型机组、液压剪切机等设备组成。金属料卷放在开卷机上，经开卷后进入校平机校平，然后进入伺服送料机，由伺服送料机向压力机上的模具中心送入定长的板料，经冲压加工后的钢带料再进入冷弯成型机中冷弯成型，剪切机将冷弯型材定长切断。目前我公司设计开发的开卷机开卷速度为0 m/min～20 m/min可调，整线基本运行速度为12--14 m/min。

当按下运行命令后，主电机首先带动冷弯轧辊以一定速度旋转，此旋转速度主要由货架冷弯组件的成型工艺、机构变速比、冷弯轧辊结构尺寸、液压剪的剪切力以及机组设置运行速度等参数决定。

当成型货架冷弯组件经传送轨道经过孔位检测光电开关位置时，发送通断电信号传递给孔位数计数器进行计数，当孔位数达到设定值时发出位置检测信号，旋转编码器进行一定距离的位置检测并向PLC提供一定脉冲数，PLC检测到设定的脉冲数后，向主电机发出减速、停止命令，同时在主电机停止后向液压顺序控制阀发出切断控制命令驱动液压剪进行切断操作。

交流变频调速异步电机定位控制的研究经历了较长阶段，传统做法是采用机械挡块来定位。如：济南铸锻所为我公司设计的货架立柱冷弯生产线为达到定尺寸定孔位切断的精度：±0.5mm，其液压飞剪系统的定位设计中就引入了定位插销控制技术， 目前，在各个行业中所用的定位方式可分为四种:机械定位，电气定位,空气定位，光学定位。电气定位控制系统一般是以数字方式工作的，故可以提高精度，十分简便，易于和计算机，PLC等各种控制电路相匹配。目前在冷弯机组中应用变频调速技术是针对变频器的速度参数设定几个固定的频率（例如高速、中速、低速三种频率），根据冷弯机组上实际产品的控制要求由PC或PLC对变频器的三种（频率）速度进行切换，达到调速和停准的目的。但当具体产品对冷弯机组的位置停准精度要求提高后，这种开环式的有级调速就不能满足产品的位置精度控制要求，而采用前述的闭环控制技术与原理。

四、控制处理系统

由于传统的有接点的继电器存在以下的缺点：1）缺乏高精度的控制性能；2）接点机械动作造成相应动作延迟；3）由于接点磨损、接触不良等原因，造成动作误差且故障维修麻烦；4）生产线的改造、更新较麻烦，故对其控制系统采用可编程序控制器（PLC）来取代传统的接点继电器，以简化机械结构，提高系统的性能和质量，根据PLC功能和输入及输出模块组合，在此系统中采用PLC能够实现以下控制：

在三菱FX-2N PLC系统中，CPU通过位置控制模块PP2向伺服驱动器或变频器发出控制命令，伺服驱动器或变频器直接控制相应的电机运动，旋转编码器将速度信号反馈回驱动器或变频器中，形成（半）闭环控制系统，伺服电机通过机械机构实现位置定位运动；控制命令通过操作面板或触摸屏发出，并要求对有关PLC程序段进行开放性设计并与触摸屏技术相结合，便于操作人员对有关机组的进行操作和调整。

位控模块PP2发给伺服驱动器的信号主要有：脉冲输出、伺服使能等，伺服驱动器返给位控模块PP2的信号主要有：零脉冲输入、回零接近开关信号、伺服故障报警等。

如我公司货架组件中的横梁生产线中选用三菱F系列变频器，其外部端子调速可分为模拟量调速和多段速调速。模拟量调速可用电压DC0~10V或电流DC4~20mA，进行无级调速。采用外部输入端子SD﹑STF﹑STR、RL﹑RM﹑RH，进行三段速调速。RL﹑RM﹑RH是低﹑中﹑高三段速速度选择端子，SD是输入公共端，STF是启动正转信号，STR是启动反转信号。当Y10，Y11有输出时，变频器为低速运行；当Y10，Y12有输出时，为中速运行；当Y10，Y13有输出时为高速运行。三段速分别设置为2.0Hz﹑30Hz﹑45Hz。在模拟量调速时，通过编程，三菱FX2N系列可编程控制器根据操作台发出的信号，选择控制方式：模拟量调速或多段速调速。其控制系统还可以通过DOS操作系统开发编程的微机作为上位机实现控制功能或结合触摸屏技术实现随机动态适时控制或结合触摸屏控制技术来操作控制实现有关功能。

五 精度控制

由于物流产业的快速发展，对货架立柱的孔位精度提出了更高的要求，如：孔位误差不超过±0.3，孔位累计误差也不超过±0.5等，单件产品长度控制精度一般控制在0.5mm左右，为保证货架冷弯组件的质量和生产成本，必须定期校准旋转编码器测量辊的磨损修正、相关外围设备参数变化或调试过程中的机组再调整、设备的维护保养等，从而尽量保证切割尺寸控制在公差范围内。

我公司机组控制精度最高在±0.1mm左右且可避免累积误差分布，该控制方法和系统可应用于高精度开口系列冷弯型钢产品的生产和新产品的设计开发过程中，特别是类似货架立柱的产品，即对冷弯型钢立、侧面具有孔位高精度要求的在线预冲孔的冷弯成型生产线上。

六 结语

本文主要是对货架冷弯组件定尺剪切系统作一概括性设计，并未对具体结构参数以及PLC选型作进一步说明，具体参数需按系统的固有结构参数、货架冷弯组件结构尺寸以及工作特性参数确定。不同的PLC对应不同的编程语言，但根据梯形图程序语言便可具体地编制PLC编译指令，同时要求编写的程序合乎PLC性能指标及工作要求。

采用此方案的优点在于用微电子技术取代了人对机械的绝大部分控制功能，克服了人体能力的不足和弱点，提高了控制精度和设备的反应灵敏度，同时便于重新设计和改造，所以有较好的实用意义；从实际应用的情况分析：采用PLC实现精确的位置控制能满足货架冷弯机组中定尺剪切的基本精度要求。


参考文献：
［1］ 张建民，机电一体化系统设计，北京理工大学出版社，1996
［2］ 陈宇，可编程序控制器基础及编程技巧，华南理工大学出版社，1999
［3］王先进，《冷弯型钢生产及应用》，冶金工业出版社，1994.8
［4］赖耿阳，《最新冷轧成形全集》，复汉出版社，1990.9

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作者的简历：
男，生于1968年，毕业于江苏大学设备工程与管理本科专业，工程师职称，主要从事企业的设备管理和维修、产品开发等工作。