拉萨西门子授权代理商CPU供应商

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 滚焊机；PLC；通信；状态设计法

武钢硅钢厂在生产硅钢带时，为连续生产，用滚焊机将前后两卷钢带尾焊接，生产工艺完成后，再由剪切机切割分开，以提高生产效率。该厂的滚焊机系统是70年代从日本全套引进的，经过20多年的长期运行，电气设备老化严重，动作性差，严重影响正常生产。在对其电控系统的技术改造中，用的PLC控制取代继电器逻辑控制，添加通信功能，实时显示各主体设备的状态变化及故障报警画面，组成控制、监管相结合的一体化系统。

1 生产工艺简介
焊接时，两卷钢带尾搭接，在接触面流通强电流，接触电阻及金属固有电阻产生电阻热，使焊接接点温度达到金属可熔化的适当温度，同时对其加压使之接合。
钢带焊接生产工艺如图1所示。主要由钢带搭接定位、压紧，钢带焊接，焊接复位、作业线运行三个阶段组成。简介如下。
运行中的带经钢带检测器检测到末端时，停止在下部电上→挡板下降→后行带前进至挡板位置与带搭接→导辊下降→压板下降→电下降→小车前进。
钢带检测器、电轮及其升降装置搭载在小车上，小车前进到钢带上方时，钢带检测开关由OFF→ON，使电通电开始焊接。焊接电流的传导方向为：焊接变压器→电轮1→焊接钢带→下部电→电轮2→焊接变压器。当焊接到钢带边沿时，钢带检测开关变为OFF而使焊接停止。

小车前进到“前进限点”停止→冲头下降，延时0.5S后自动上升→电、挡板、压板依次上升→剥离器上升，使钢带脱离下部电，延时2S后剥离器下降→导辊上升。
以上过程即完成一个单程焊接。为加固两带焊接，通常需来回焊接两次，即再增加一次后退焊接。当需后退焊接时，先将两钢带重合部向前移动一段（但不得偏离下部电），再按以上次序将焊机各装置重复动作一次，所不同的是小车此次为后退运行，并后退到“原位置”停止。此时启动作业线又可循环运行。

2 系统硬件配置
根据生产工艺，采用典型的两级监控方式。上位机为生产管理级，完成对下位机的监控、生产操作管理等，主要面向操作人员；下位机为基础测控级，完成生产现场的数据采集及过程控制等，面向生产过程。
上位机选用国内广泛应用的研华IPC-610工控机，配有PIII处理器、64MB内存，具有较高性价比。因现场通信距离较远，配置一块RS422/485通信卡，用双绞线将其串口与PLC通信模块（AJ71UC24）RS422端口相连，以串行通信方式完成二级间通信，实现监控焊接过程。上位机RS232口经适配器（SC-09）转换与PLC CPU模块连接，用于对PLC控制软件的编程。
钢带生产现场噪声干扰及环境污染严重。我们选作主控单元的三菱公司A2A系列PLC，采用模块式结构，性高，配置灵活，且具有良好的环境适应性和抗干扰能力；使用简单，只需相应外设或编程软件包（如MEDOC），即可完成控制程序的编写。它负责焊接工艺的电气逻辑控制，包括各焊接设备的状态检测、钢带检测；执行逻辑、算术运算；输出执行指令，完成小车前后运行、焊接启停、各电磁阀及状态过程等的控制。PLC控制系统硬件配置如图2所示。

3 系统优化及功能实现
系统设有自动/手动2种控制方式，由选择开关转换。由于钢带搭接定位时的不确定性，故以手动操作为主要控制方式。自动方式仅在手动操作将钢带搭接定位、压紧后，才自动按预定逻辑顺序运行。当系统发生紧急故障时，按急停按钮可终止当前所有设备运行；当设备出现故障或工艺参数不正常时，由PLC启动灯光及蜂鸣器报警，且仅当故障排除后，才能有效通过按钮使报警复位。焊机设备工作时，PLC控制主电控柜上的对应状态指示灯亮，上位机模拟显示现场各机电设备的动作，方便了中控室操作员对整个工艺流程的监视。
调节焊接电流和小车速度，可有效焊接不同板厚（0.28~0.9mm）钢带。小车驱动装置由变频调速器、控制电机、皮带及进给丝杆构成。工作时，变频调速器启动电机，经皮带传动进给丝杆，驱动小车前后移动，移动到前后限点即停。通过设定变频调速器输出频率的上下限及调整速度调节器，可实现小车速度在要求范围内（6~12m/min）连续调节。
焊接电流与焊缝质量直接相关。焊接电流回路主要由晶闸管、电流监视器及焊接变压器3部分组成。在焊接变压器前串联了一套交流调压装置，控制晶闸管门导通角，调节焊接电压值，即可控制焊接电流。由于晶闸管工作时电流较大（瞬间可达800A），易发热致损，为此设有循环冷却水路。对系统的气路、水路、焊接电流主回路中的电流平衡、晶闸管异常等都设有检测保护开关。各检测信号串联，作为PLC启动焊接的联锁条件，保证系统在正常条件下工作。
为提高系统的性，还作了如下优化设计：
（1）控制电机选用具有抱闸技术的进口日立电机，它动态性能好，启动平稳，转矩大，停止反应、准确，有效克服了原电机因反应滞后而产生的误动作。
（2）钢带检测由接近开关改为光电开关。由于钢带在运行中经常产生颤动而摩擦到接近开关，使其致损失灵。改用可远距离检测的光电开关后，隐患。
（3）对电、压板、挡板、导辊及剥离器等动作的检测由限位开关改为接近开关。由于接近开关的非接触性检测，有效克服了气缸因气压不稳等因素对检测开关的冲撞。
（4）为抑制电源及变频调速器对PLC控制系统的噪声干扰，采用线路滤波器、隔离变压器及分离开关单供电。线路滤波器安装时尽量靠近PLC电源，用短的双绞线连接，且将其输入、输出线的配线分开；变频调速器及其配置的滤波器尽量置于柜体底部，缩短柜内线段，滤波器的外壳接地。
（5）对检测开关、PLC的I/O信号采用的24V净化电源，提高信号线路的抗干扰能力及整套设备的电磁兼容性。
（6）采取合理的配线方式。控制线路、电源线路和信号线路分别立配线，而且相互间保持一定距离，设法避免长距离平行配线，采取垂直交叉走线方式，以及输入、输出信号线分槽布置。对速度调节、时间设定等模拟信号采用双绞屏蔽电缆传送，并将信号线屏蔽层一端接地。

4 系统软件设计
4.1 PLC软件设计
采用状态设计法编制控制程序梯形图。状态设计法就是根据具体对象的运动状态分配中间变量作标记，然后针对各个状态给予实际控制的设计方法。其关键是确定系统在工艺流程中的状态及状态转化的条件，分析系统的状态充分考虑各种情况。在本系统软件设计中，按工艺流程对焊机各运行状态（如挡板下降、导辊上升、小车前进、焊接开始等）分配中间变量；然后确定各状态的先后次序及联锁关系；明确系统所要涉及到的输入、输出量，画出PLC各输出信号与输入信号的逻辑关系；再由逻辑关系转化为梯形图。该程序分别由钢带定位、小车控制、过程监控、故障诊断等控制程序组成，采用状态设计法编制后，梯形图程序流程有序、逻辑清晰。钢带焊接过程时间虽短，但条件多，动作复杂，为此，将系统的运行和故障联锁等全部由PLC控制，以提高系统的性；在软件设计中适当添加联锁条件，使各动作间严格确保相互约束或定时关系；建立合适的状态标志位，如对焊机的“焊接完了”、“小车前后条件”、“故障停机”等建立标志位，并准确应用于各控制状态的设计中；设置识别及处理故障的能力，对系统中的冷却水、空压及变频器等异常采用延时确认方式。

4.2 上位机软件设计
上位机软件以中文bbbbbbs98作操作系统，选用Inbbtion公司的Fix6.1编程，该组态软件具有较高的稳定性和兼容性，直观的图形界面便于操作人员学习和使用。软件与PLC的通信采用三菱PLC的Multibbbb协议，波特率为19.2Kb/s，8位数据位，端口设为COM3。采用模块化结构方式编制，用以完成计算机通信硬件参数的初始化和PLC通信数据的格式定义，实现两间的通信管理：包括PLC发送数据的接收、校验和译码；对PLC内存单元数据的实时采集、处理，在屏幕上以抽象图形模拟显示现场各机电设备的运行状态，反映系统各电气信号的数据变化；根据实际控制需要，向PLC内存写入新的数据，下发命令给CPU。当焊机出现故障时，除声音报警外，还动态显示故障点，并提供故障原因及解决措施的查询画面。若需要进一步查明设备的工作状态，软件的管理部分给出了PLC程序实时运行时的梯形图，通过在线监视映象PLC I/O点的位软元件的开/断状态，来确认对应外部设备的动作是否到位、PLC输入输出点与程序内部各点是否一致，从而给操作人员了直接的故障探查手段，以确定故障点。在进入管理画面前设有口令管理，使合法操作员才可进入对PLC的监视。通过访问管理，可抛开PLC编程软件的监控，有效防止运行MEDOC对PLC可能产生的误操作。具体监控程序框图见图3。5 结束语
滚焊机采用PLC控制后，大大简化了复杂的继电器逻辑，提高了系统的性；操作简单，运行稳定，焊接效果良好，圆满地完成了用户提出的控制要求。运行近一年来，保持，经济效益和社会效益显著。

1  引言
    本文以某物流控制中的机械手控制为例，分析了PLC与步进驱动装置的控制方法，本系统涉及的主要硬件是S7-200 PLC和SH-2H057步进驱动器。
    (1) S7-200 PLC系列是西门子公司的可编程控制器,这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制要求，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200 PLC可以满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的是适用性。
    1台S7-200 PLC包括一个单的S7-200 CPU，或者带有各种各样的可选扩展模块。S7-200 CPU模块包括一个处理单元(CPU)、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、立的设备中。
    l CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制;
    l 输入和输出是系统的控制点:输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及控也过程中的其他设备;
    l 电源向CPU 及其所连接的任何设备提供电力;
    l 通讯端口允许将S7-200 CPU同编程器或其他一些设备连起来;
    l 状态信号灯显示了CPU 的工作模式(运行或停止)，本机I/O的当前状态，以及检查出来的系统错误;
    l 通过扩展模块可提供其通讯性能;
    l 通过扩展模块可增加CPU的I/O点数(CPU 221不扩展);
    l 一些CPU有内置的实时时钟，或添加实时时钟卡;
l EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序送到另一个CPU中;
    l 通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间;
    l 大I/O配置。
    (2) SH-2H057驱动器输入信号共有三路，他们是:步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机电平信号FREE.他们在驱动器内部分别通过270Ω的限流电阻接入光耦的负输入端，且电路形式相同，三路光耦的正输入端为OPTO端，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端需接外部系统的VCC端，如果VCC是+5伏，可直接接入;否则需在外部另加限流电阻，保证给驱动器内部光耦提供8-15mA的驱动电流。
    l 步进脉冲信号CP
步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度，也就是说:驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步角度，CP脉冲的频率改变则同时是步进电机的速率改变，控制CP脉冲的个数，则可以使步进电机定位。这样就可以很方便的达到步进电机调速和定位的目的。本驱动器的CP信号为低电平有效，要求CP信号的驱动电流为8-15mA，对CP脉冲宽度也有一定要求，一般不小于5μs。
    l 方向电平信号DIR
方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。此端为高电平时，电机为一个转向;次端为低电平时，电机为另一个转向。电机换向在电机停止后再进行，并且换向信号一定要在个方向的后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的个CP脉冲前发出。
    l 脱机电平信号FREE
当驱动器上电后，步进电机处于锁定状态(未施加CP脉冲时)或运行状态(施加CP脉冲)，但用户想手动调整电机而又不想关闭驱动器电源，这时可以用到此信号，此信号低电平有效，电机处于自由无力矩状态;当此信号为高电平或悬空不接时，取消脱机状态。
    l 步进电机简介  
    SH-2H057型驱动器用于驱动二相或四相混合式步进电机(亦称感应子式)，此驱动器一般驱动60号机座以下电机。电机的出线方式不同，与驱动器的连接也不同。本系统使用的电机为二相四根线电机，可以直接和驱动器相连。见图1的机械手电机驱动模块原理图。

2　系统工作工程
    本系统的机械手部分由底盘、立杆、手臂、手组成，其中底盘由一个步进电机驱动，可顺逆时针旋转;立杆由一个步进电机驱动，可上下移动;手臂由一个步进电机驱动，可前后伸缩;手由气泵控制，可抓紧和放松。在相应位置都有位置检测信号用于定位。参见图1。

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    (1) 出货过程
    从复位位置启动,根据要求到相应出货台(1，2，3号货台),此时底盘转动到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓货物,立柱上升,同时手臂回收(以免运行中与其它设备相撞),然后到相应出货台(左,或右出货台),立柱下降,手臂伸出,手打开,把货物放在相应出货台上。
    (2) 进货过程
    从复位位置启动,根据要求到相应出货台(左，或右出货台),此时底盘转动到要求位置，立柱下降,手臂伸出,定位后手抓货物,立柱上升,同时手臂回收(以免运行中与其它设备相撞),然后到相应出货台(1，2，3号货台),立柱下降,手臂伸出,手打开,把货物放在相应出货台上。

    3  系统设计思想
    步进控制电路设计思想，PLC继电器式输出模块工作速度较低，故采用高频脉冲方波发生器，给出步进脉冲，其振荡频率按步进电机速度设置，步进量的控制采用位置检测，根据位置检测信号用PLC的输出点切断进给电机，实现步进电机的停车, 其程序流程图如图2所示。

    在整个机械手运行控制过程中，采用限位开关以及面板操作开关以及系统逻辑开关作为输入点，整个系统中底盘有5个限位开关，分别作为5个位置的定位输入点，立柱有4个限位开关，分别为1个复位开关、一号位限位输入量、上限位、下限位。手臂有3个限位开关:手臂复位限位数入点、手臂前限位、手臂后限位。抓手限位开关，为抓手复位输入点。一共13个限位开关完成全部的控制输入。各限位开关分布情况见图1，
由于在整个控制过程中全部是通过控制步进电机驱动模块再驱动步进电机执行。这里对用集成脉冲输出触发步进电机驱动器原理进行说明。S7-200 PLC(CPU 226)的Q0.0和Q0.1分别对升/降步进电机、前/后步进电机发送脉冲;CPU 226的Q0.2对转盘步进电机发送脉冲。而步进电机的正/反转则分别是CPU 226的Q0.4和Q0.5分别对升/降步进电机、前/后步进电机实行控制;CPU 226 的Q0.6和Q0.7分别对转盘步进电机正反、抓手气泵开关实行控制。
    机械手PLC程序的设计编写采用了STEP 7-Micro/WIN32软件的数据表(STL)的形式。程序设计修改方便，设计完成可联机调试，没有问题再把步进电机接上。
上位机软件采用北京亚控的组态王软件，通过变量映射实现组态软件的变量与PLC的寄存器的动态连接，从而实现了上位机对PLC的监控。