重庆西门子授权一级代理商CPU供应商

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由于可编程控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、性高、体积小、是实现机电一体化的理想控制装置等显著优点，因此通过实践与深入研究，本文提出了利用V80系列PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的有关见解与方法，介绍了控制系统研制中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的设计思路，对于工矿企业实现相关机床改造具有较高的应用与参考。 
关键字：V80系列PLC；数控系统；点位控制 

介绍了利用V80系列可编程控制器（PLC）与交流伺服控制器针对制袋封切机控制系统项目开发技术。项目人机界面选用维纶触摸屏（HMI）提供友好的人机交流接口与合理的控制流程，以实现率、的袋料剪切。本文分别就制袋机的工作原理，电气设计，HMI、PLC选型及程序设计等几方面进行阐述，该电气系统的成功开发可以为使用V80系列HMI、PLC与交流伺服电机相结合的机电一体化控制系统项目开发起到借鉴示教作用。

关键词：制袋机V80系列 PLC HMI 伺服电机

1 引言

项目原型基于小型制袋封切机开发外销出口型新机。原制袋宽度为600-1000mm。由于该机型送料胶辊惯量较小，送料电机采用130步进电机经过减速可实现传动，使用单片机进行位置控制。新机型制袋宽度提高到1500mm，送料胶辊惯量大幅增加，考虑到既能满足精度和速度的要求又有较大的瞬间转矩，送料系统改用伺服电机。由于用PLC开发周期较短而且抗干扰性、灵活性好，所以采用PLC+HMI作为控制系统。同时可实现中英文操作画面，满足设备出口的要求。

2 封切机机工艺

2.1 工艺结构

封切机机由机身、上下切、变频传动机构、上下送料胶辊、伺服传动机构、放料架、放料直流电机、可调色标检测架、可移动操作箱、电控箱等单元构成，参见图1图片。

2.2 封切机工艺过程

（1）空白定位运行方式：忽略色标信号，送料长度为设置袋长，送料完成后剪切并计袋数，循环动作直至袋数达到设定值，停机并延时至设置时间，以等待收料设备或操作人员收集袋料后，再次启动并循环工作。

（2）色标定位运行方式：送料长度为设置袋长，在此期间的色标信号忽略，继续送出偏差长度的袋料，检测色标信号，定位于色标信号，定位完成后剪切并计袋数，循环动作直至袋数达到设定值，停机并延时至设置时间，等待收料设备或操作人员收集袋料后，再次启动并循环工作。若误检次数达到默认值，则停机并报警。

3 FD1500型封切机机电系统设计

3.1 传动系统设计

（1）切传动系统。切传动系统为交流变频器拖动三相异步电机，由面板电位器调速，V80系列PLC控制切启动与停止。传动轴上安装2只霍尔开关，分别检测切低位和送料/切高位。开关1：切低位信号，该信号为送料停止信号。若送料时检测到切低位信号则表示系统速，需报警并停机。开关2：收到切低位信号后的ON信号为送料信号，是送料电机的启动信号；二次ON信号为切高位信号，是高位停机时的停机信号。

（2）送料传动系统。送料传动部分为交流伺服系统，采用同步带1：2减速传动。动力选用台达中惯量2KW伺服电机。具体型号：驱动器ASD-A2023M，电机ASMT20M250。

(3)控制精度计算。通过以下计算得出单个脉冲对应的送料长度，即为控制精度。

系统要求0.2mm定位精度，现计算得出控制精度为0.0314mm，因机械定位误差不大于0.1mm，所以：定位精度+机械误差=0.1314mm%26lt;0.2mm，定位精度满足制袋机系统要求。

（4）脉冲输出频率计算。用户要求送料速度为180m/min，由此可计算得出系统所要求的脉冲输出频率，以此为V80系列PLC选型的重要依据。

3.2 PLC与HMI选型

（1）输入信号统计。在色标传感器检标时，由于袋料上所印刷的色标不同，故亮通（Light On）、暗通(Dark On)均有可能。无论亮通或是暗通，在检测到色标信号时都需要PLC作出中断响应，所以需要把色标传感器的Light On与Dark On都接入PLC。色标信号：2点；低位信号：1点；高位/送料信号：1点，共4点DI信号。

（2）输出信号统计。脉冲输出（Pulse+Sign）：2点（Y0，Y1）；切动作：1点；冲孔动作：1点；蜂鸣器：1点；共5点DO信号。

（3）其它功能。可输出大于系统所要求频率（95541pps）的脉冲；2点外部中断回应。

基于以上考虑，V80系列PLC选择V80-M32DT-DC/S。具体功能参数为：50K脉冲输出，8点外部中断回应。同时与HMI通信可使用RS485连接，抗干扰能力一般的RS232通信方式。HMI选用维纶MT-506触摸屏，通过图3可见触摸屏操作为直观方便。大部分操作在HMI上进行，从而可减少外部按钮开关、指示灯的使用，只保留急停按钮等必要设备。

3.3 PLC程序设计要点

主体程序使用逻辑顺序控制，除此之外的编程如下：

（1）使用浮点运算。为减小计算误差，如袋长脉冲数、偏差脉冲数等重要数据的计算，均使用浮点运算。经过验证，计算误差小于0.001mm。

（2）袋长脉冲送料使用DPLSR可调加减速脉冲输出指令，反复修改并验启动频率与加减速时间设置的合理性。完成袋长脉冲之后，使能色标检测，以忽略袋料中间部分的色标误检。检测到色标时，响应外部中断，执行中断程序置位M1334以停止CH0脉冲输出。可设置亮通（Light On）中断或是暗通（Dark On）中断。精简中断程序的内容，尽量减少中断对扫描周期的影响。

4 结束语

制袋封切机的性能虽已达到初的设计目标(在袋长为1000mm时，制袋速度：60个/分)，但V80系列PLC脉冲输出频率尚有较大余量可用。使用标准100mm直径胶辊时，可改变伺服电机电子齿轮比，在保证控制精度的前提下，进一步加大V80系列PLC脉冲输出频率的余量。以上有利因素均为FD1500型制袋机提高加工速度奠定了良好的基础。二次开发时，加大减速比至1：3，将突破伺服负载/电机转子惯量比过大这一限速瓶颈，终提高生产效率。

1 引 言

矿山行业，采矿区往往距离矿石加工或堆放地很远，通常利用胶带传输机将矿石从采矿区送往加工或堆放地。老式的胶带传输方式，采用继电控制，人工操作，操作人员劳动强度大，运行效率低，且易引起操作失误，造成设备损坏，甚至人员伤亡。另外，远距离传输机胶带负荷较大，传输机使用的电动机功率也因此较大，特别是重载情况下起动过程对电网冲击很大，电压跌落严重，对机械设备和胶带的寿命也有很大损害。同时，由于胶带为弹性体，起停过程张力的变化将使胶带沿着纵向产生伸缩变化，并且沿着胶带传播，造成系统工作不稳定。

本文介绍的这种新型矿山胶带传送系统使用V80系列PLC控制器集中监控胶带各种工作状态，提高了系统运行效率，避免了操作失误引起的故障。由于系统采用了一种新型的起动装置—软起动控制器，有效地解决了起动冲击问题。

2 运行工况

完整的传输系统由8条传送胶带组成，设计传输能力为每小时1000t，其中，1#、8#胶带为平胶带，长度在100m以内，负载较轻；2#和3#胶带长达1km以上，负载重，2#胶带略有下放势能，3#胶带有大的下倾角度(30°)，因此有较大的下放势能；4#和6#胶带略有下坡，5#、7#胶带为平胶带，长度在100～600m之间。根据各胶带运行工况，配备一台285kW电机拖动2#胶带，两台185kW电机拖动3#胶带，其余各胶带均由90kW电机拖动。

3 系统结构

根据系统运行工况，系统构成框图如图1所示。

物料流向如图中头所示，开车时应按照物料流向的反方向顺序起动各条胶带，停车应按照物料流向顺序停止各条胶带。按照错误的顺序操作，将造成压仓等严重事故，设置联锁：胶带运行过程中，有时会发生跑偏，纵撕，打滑等情况，予以保护，这些工作都由V80系列PLC来完成。另外，3#胶带较长，相应载料量也较大，而且有大的下倾角度，因此，有的刹车装置，系统为此配备了一套KJZ型动力制动装置和一套电磁抱阐装置。还有，为保证在故障或停电情况下停车，避免“飞车”等严重事故，系统配备了后备电池，提供后备制动电流，PLC控制电路配备了UPS作为后备控制电源。

4 各部分主要功能

如图1所示，整个系统中，3#胶带机和2#胶带机工况为恶劣，控制部分也为复杂，其余各胶带机控制部分与之相似，工况相对要好，因此，下面以3#胶带机控制部分为例详述系统各部分控制功能。4.1 起动控制部分

因胶带机为柔性系统，具有明显的动力学特征和动态响应过程，起动及停车过程将产生胶带张力的变化，并沿着胶带传播，形成张力波，且3#胶带长度较大，负载较重，总体呈大惯性负载，因此，不可控的起动和停车过程，将产生很大的加速度及冲击，直至造成机械设备损坏和胶带机寿命降低。而本系统使用的软起动装置可提供可控的起动加程。此装置使用单片机作为控制内核，程序中预置“S”型起动曲线，通过光编码器测速，电流互感器测电流，送入单片机，通过PID调节程序进行调节，实现电流、速度双闭环控制。控制胶带机按照“S”型曲线起动。如图2所示，胶带机起动过程实际上是一变加程，在胶带机起动时刻和起动完成时刻，胶带机的加速度都为0，而中间段，胶带机以预先设置的加速度不断加速，加速度可控制在0.08m/s2以下，因此，可有效地抑制张力波及其有害传递。

4.2 动力制动部分

由于3#胶带负载重，而且有大的下倾角，为保证系统停车和满足停车曲线，系统不仅配备一套慢动机械抱阐装置，还配备一套动力制动装置。该装置应用可控整流原理，向电机施加可控的直流电流来提供可控的制动力矩。由程序控制使胶带以反“S”曲线停止，从而胶带机的张力波影响。

4.3 故障制动部分

系统发生故障时，触发可控硅全导通，提供大制动电流。

为了停电时保证系统停车，另外备有后备电池，当系统发生突然停电时，皮带立即停车，此时直流制动电流由后备电池提供。蓄电池屏的主要参数为电压等级及安时数。由于能耗制动的直流电源电压采用48V直流电源，故蓄电池屏的电压也采用48V，容量选用100Ah，考虑故障制动时间为10～20s，放电电流控制在300A，则蓄电池的放电时间可持续：100Ah=300A×t，t=1/3h=20min。蓄电池的放电能力能够充分保证。

故障制动部分由蓄电池组及充电控制等部分组成，内含有镉镍蓄电池组、充电装置、浮充电装置、控制开关、转换开关、切换开关等元器件。考虑到系统工作的性，两台电机配备一套故障制动装置。蓄电池配备直流浮充电装置，浮充电装置包含有充电及浮充电两种充电方式。在蓄电池发生一次停电制动后，应将蓄电池组充电至额定电压等级，此时方可使系统重新运行。正常情况下，装置处于浮充电状态，制动电流仅由动力制动装置提供。

4.4 PLC控制部分

4.4.1V80系列 PLC配置

系统选用矩形科技公司生产的V80系列PLC，其点数密度高，结构紧凑，具有SYSMAC NET和SYSMAC bbbb功能，构建网络方便。

鉴于系统采样点数和输出点数众多，约有38个输入点和33个输出点，PLC配置一个CPU机架，一个电源模块，2个输入模块，2个输出模块，如图3所示。

4.4.2 PLC软件设计

V80系列PLC控制系统是3#站的控制，V80系列PLC使用运行于DOS环境下的梯形图编程软件SSS，完成梯形图编程和调试，并且可在现场方便的“在线”调试和修改。

1) 根据系统运行工况和相应系统结构，设计V80系列PLC程序完成以下功能。

正常开车停车：系统发出开车信号时，逆料流方向顺序起动各条皮带，这样可保证不发生压

仓情况。停车时，则顺料流方向逐步卸完每条皮带上的物料后停车，这样可保证在正常工

作状态下，皮带不带料起动。皮带

起动时，释放电磁抱阐机构，起动过程中，软起动器按设定的起动方式平滑起动，当电机进入亚同步范围内时，立即投入旁路接触器，此时由于皮带的下放运行，电机速度逐渐增加并过同步转速，进入同步发电状态，此时，电机产生回馈制动转矩，当回馈制动转矩与皮带下放势能转矩平衡后，系统进入平稳运行状态，交流电机向电网回馈能量。当系统收到停车命令后，根据胶带长度及速度，系统作适当延时，当皮带上的物料全部卸完后，系统进入电动运行状态，软起动器按停车曲线平缓停车。故障停车：当系统发生故障，如主机过流、过载、缺相故障或胶带机发生距偏、纵撕、打滑、速、拉绳等紧急停车时，软起动器立即从系统中切除，同时在交流电磁过程结束后，投入能耗制动停车，当控制系统到电机速度小于30%的额定速度时，电磁抱阐制动投入，胶带停止运行。

运行方式：系统可以选择“本机”/“”/“现场”等各种控制方式。

起动/制动装置的投切，后备电池的管理都由PLC完成。

2) 依据应完成功能，设计的V80系列PLC程序包括以下各程序段。

现场采样段：该段程序采样现场各状态量，包括急停，电源上电，拉绳开关，速接点，打滑接点，纵撕接点，闸机过载开关，控制方式，上下级胶带连锁等信号，并且使相应的状态位置位，驱动相应灯光指示。

控制命令采样段：系统具有3种控制方式，/柜控/现场。柜控方式下，采样控制柜上按钮命令。现场控制方式下，采样现场操作箱按钮命令。在方式下，采用上位计算机命令，该命令可以是接点形式，也可以通过串行通信接受上位计算机命令。

命令执行段：检查各状态位，如故障状态置位，则禁止起动，转入故障处理程序。接到起动信号后，如果连锁信号位未置位，则为错误的起动操作，也视为故障，转入故障处理程序。如果故障，PLC输出驱动闸电机松阐，同时，驱动电铃10s警示，等待松到位后，灯光指示，并驱动软起动器起动，起动结束，运行灯指示，给下级胶带发出连锁信号，同时，再响铃10s。正常停车时，收到停车信号时后，程序延时一段时间，当胶带上的物料卸完后，驱动软起动器停止，并投入软制动器(3#胶带)，当速度降到30%的额定转速时，驱动阐机抱阐。

故障处理段：当故障状态位置位时，V80系列PLC驱动相应的状态指示灯，并立即给软起动器发出停车指令，同时，驱动阐电机抱阐，软制动器(3#胶带)施加大制动电流，并声光报警。程序设有故障存储区，可保存近10次故障状态，可供维修人员方便的检查和排除故障。当故障发生时，故障状态以堆栈操作的方式压入故障存储区，同时，删去早一次故障状态。故障产生后，程序予以保持，此时，各项操作均失效，复位后，方可另行操作。除了外部故障以外，程序还设置了内部故障保护，如正常运行期间，下级胶带突然停止，也视为故障，执行故障处理程序。程序预先设定起动时间，实际起动时间过设定值，也视为故障，执行故障处理程序。如电源突然中断，也视为故障，执行故障处理程序，并且投入后备电池制动。PLC程序流程图如图4所示。

5 应用效果

本系统应用在国家水泥骨干企业—耀县水泥厂皮带廊改造项目中，该条传送线长达4km以上，负责全厂用料从矿山到联合储库的输送任务。

本系统应用以来，实践证明，效果理想，起动时压降由原先的130V减少到30V，大的减轻了操作人员的劳动强度，避免了操作失误引起的故障，性明显提高，运行效率明显提高，运行成本明显下降。