定长切割系统的组成与基本结构

基于 S7-1200 的定长切割控制系统设计

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.

随着我国制造业的蓬勃发展，对管材、棒材定长切割的需求旺盛，对切割精度的要求也越来越高。采用先进的现代切割技术，不但可以保证切割精度、产品质量、提高生产效率，而且使产品制造成本大幅度下降，缩短产品生产周期。

定长切割系统广泛应用在金属管材、塑料和玻璃生产线的生产过程。常用的定长切割系统有静态切割和动态切割两种。静态切割是走停送料，刀座是固定不动的，在切割加工瞬间待切材料必须完全停止。动态切割是连续送料的，在切割加工瞬间刀具与材料是同步运行的。静态切割效率明显低于动态切割，但静态切割的切割精度较好控制。在工业生产过程中，对定长切割设备有稳定性能好、切割精度高两个基本要求。传统的定长切割设备采用继电器、接触器控制，这种控制系统线路复杂、切割参数误差大、故障率高、能耗大、效率低、劳动强度大。本文研究用西门子 S7-1200 系列 PLC 取代传统的控制系统，用伺服控制器的高精度实现精确定尺切割，用人机界面方便设定、统计产量和订单完成情况等，实现动态定长切割系统生产效率高、控制精度高、运行可靠性高以及操作方便等优点。

1 定长切割系统的组成与基本结构

定长切割系统由给料系统、切刀系统和电气控制系统组成，其基本机械结构如图 1 所示，包括底座、工作滑台、工料、切断气缸、进料滚轮、滑台电动机、编码器、切断压板、压紧气缸、锯片、次品分拣汽缸、次品推板和正品传送带和工料检测传感器等。

定长切割系统的电气控制系统主要有进料电机 M1、滑台电机 M2、锯片电机 M3 、传送带电机 M4 等 4 个电动机和切断气缸、压紧气缸、次品分拣汽缸等 3 个气缸组成。滑台电动机初始位置检测传感器 SQ1、左右限位保护传感器 SQ2 和 SQ3，左右极限位保护传感器 SQ4 和 SQ5，编码器（A/B 相计数），工料检测传感器 SQ6，切断压板的初始位置和终点位置检测传感器 SQ7、SQ8，分拣推板起始位置、终点位置检测传感器 SQ9、SQ10，锯片气缸原位检测传感器 SQ11、SQ12。

2 定长切割系统的硬件及与原理

为实现定长切割系统的工艺要求，满足现代企业高效生产的需求，硬件设计采用 PLC 电气控制，配置触摸屏、变频器和伺服电机的现代电气控制系统。进料电动机 M1 选用三相异步电动机（带速度继电器），由西门子 MM420 变频器进行速度控制。滑台由电机 M2 选用伺服电机，由台达 ADS-B2 系列交流伺服驱动器驱动。锯片电动机 M3 选用双速电机，能进行高、低速运行。正品传送带 M4 选用三相异步电机（不带速度继电器），只进行单向正转运行。切断气缸、压紧气缸、次品分拣汽缸 分别由 PLC 数字量输出点控制，置位则推出， 复位则返回，气缸的置位复位状态由触摸屏显示。电气控制系统的主电路设计如图 2 所示。

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

S7-1200 是西门子公司推出的一款紧凑型、模块化的 PLC，设计紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集。适用于单机小型自动化系统、小型运动控制系统、过程控制系统。具有强大的通信功能，容易实现多屏 HMI 人机对话。本项目选用 1 个 CPU1212C DC/DC/DC 模块，1 个数字量扩展模块 SM 1223 DI8×24VDC DQ8×继电器，1 个模拟量扩展模块 SM1232 AQ2×14 位。动态切割要保证切割装置与给料系统同步移动，切割长度不受输送线速度波动的影响，关键问题是同步，该系统的同步问题由伺服电动机来解决。伺服系统一般由驱动控制装置、伺服电机和检测装置组成，包括参量设定、变量检测反馈、偏差处理算法、执行机构随动等环节。伺服系统具有驱动器和受控对象共同协作、控制精度高、指令响应快、启停特性好等特点。本项目伺服电机采用 ECM A-C20606ES，伺服驱动装置选用 ASD-B2-0721-B。PLC 控制系统的硬件设计如图 3 所示。由图 3 可以得出定长切割 PLC 控制系统的 I/O 地址分配表如表 1 所示。

变频器的速度给定信号 DC0~10V 由 PLC 模拟量输出模块提供，伺服电动机的极限位置信号 SQ4、SQ5 直接接入伺服控制器。

3 软件设计

定长切割系统设备有手动操作和自动操作两种工作模式，由 SA 转换开关选择。在手动模式下，由 MCGS 选择哪台电机运行，相应的指示灯亮。站 PLC 和触摸屏之间的通讯。例如，测试主站与触摸屏之间的通讯时，可在触摸屏上设置指示灯，当按下 SB1 时，触摸屏上的指示灯亮。手动模式一般用于设备检修调试及生产过程非正常工作状态的处理。手动操作模式 MCGS 界面设计。

在手动操作模式，操作员在下拉框选择要工作的电动机，点击启动、停止按钮进行操作。工作的电动机对应的指示灯亮。按下切割按钮后。压紧气缸、切断气缸在 PLC 程序的控制下，自动完成系列操作，工料被切断后，自动缩回夹紧气缸和锯片气缸。SA 转换开关切换到自动操作模式，打开触摸屏自动操作画面。首先，操作人员根据生产情况设置切料长度和进料速度等参数。系统初始化，判断滑台、切断压板、分拣推板及锯片等是否位于初始位置。自动模式界 MCGS 面设计。

按下启动按钮 SB1， 进料电机 M1 启动，工件连续挤出；当工料检测传感器 SA1 检测到有物料时，t1 开始计时；当 t1＝L/v 时，启动滑台电动机 M2，由伺服控制跟随工料同步运行。压紧气缸在滑台与工料同步后伸出，锯片电动机 M3 开始低速旋转。当压紧气缸伸到位后，锯片气缸伸出，锯片电动机高速旋转切割工料。切断后，夹紧气缸、锯片气缸均回归原始位。若切割误差满足系统要求，正品传送带电机启动将成品运出；否则分拣气缸动作，将次品剔除至侧面。至此，一个工作周期完成，锯片电机停转，滑台快速回归原始位，同时编码器复位。至此，一次切料完成。继续等待工料，判断是否达到切割长度，再次进入上述工作循环。直到工料检测传感器检测不到物料，整个切料机系统停止。当按下停止按钮 SB2，系统完成一个动作周期后滑台电动机 M2 回到初始位置后停止运行。系统发生急停事件按下急停按钮时（SA2 被切断），系统立即停止。系统自动控制程序的软件流程。定长切割系统的部分主程序。定长切割系统子程序伺服电机的控制。

4 结语

本研究以 S7-1200PLC 作为控制核心，实现高精度的运动控制；用台达 MCGS 作人机界面，便捷修改操作参数，跟踪订单进度；以 MM420 变频器来控制进料电动机，实现进料速度无极调速，满足不同工艺要求；通过伺服电动机控制滑台与切割工料同步运行，满足动态切割。实践证明，该生产线切料速度快、边缘整齐、分拣准确率高和操作便捷的优点，该控制系统经过一定扩展可满足多自由度运动控制的需要。具有一定的推广、应用价值。
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