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摘要：設計了一種基于西門子S7－200SMARTplc的追剪伺服控制系統，以S7－200SMARTPLC為主控制器結合臺達ASD－A2伺服控制，在電子凸輪主軸送料機構、電子凸輪從軸移動追蹤機構和剪切執行機構的協同運作下，實現移動追蹤和同步剪切動作。采用昆侖通態TPC7062TX觸摸屏實現設備監控等功能。應用結果表明，系統運行穩定，裁剪精準，為追剪控制技術的應用研究提供了參考。
關鍵詞：PLC；追剪；伺服控制；觸摸屏
追剪伺服控制技術主要應用于各種材料的定長裁切，是加工制造自動化行業中應用十分廣泛的一種控制方式［1－2］。本文以西門子S7－200SMARTPLC為控制核心結合臺達ASD－A2伺服控制，設計一種追剪伺服控制系統，從系統總體方案、硬件設計、參數設置與計算、軟件設計以及觸摸屏監控畫面設計等方面進行了闡述。
1控制系統方案設計
追剪伺服控制系統以S7－200SMARTPLC為主控制器，送料軸保持勻速單向送料，送料軸旋轉編碼器檢測上料長度與速度反饋給PLC，由伺服電機和PLC控制切割執行機構進行往復追蹤和同步切割?？刂葡到y原理圖如圖1所示，控制系統由機械裝置和電氣控制兩大部分組成。機械裝置由主軸送料機構、從軸移動追蹤機構和剪切執行機構三部分組成。1）主軸送料機構：該部分是電子凸輪運動中的主軸。主要由傳送帶機構、E40S6－1000－3－N－24增量型旋轉編碼器、61K180RGU－CF調速電機及US6200C電機調速器組成。將傳送帶上行進的物料連續平穩的送入剪切執行機構內，旋轉編碼器安裝在傳送帶的調速電機輸出軸上，實時檢測送料速度和長度。2）移動追蹤機構：該部分是電子凸輪運動中的從軸。主要由臺達ASD－A2－0221－M伺服電機及驅動器加上單軸模組（滑臺）組成，伺服電機驅動器通過主軸旋轉編碼器的反饋追蹤主軸的運動過程，驅動剪切執行機構在滑臺上往復運動，實現移動追蹤。3）剪切執行機構：剪切執行元件選用TCL12X80S氣缸，氣缸動作方向由4V110－M5單電控電磁換向閥控制，氣缸運動位置由磁性開關檢測，氣缸與鋸刀連接，用來將物料剪切成需要的長度，實現剪切動作。電氣控制部分以S7－200SMARTPLC為主控制器，PLC控制中間繼電器啟動電機調速器，驅動主軸調速電機勻速送料。主軸旋轉編碼器信號實時傳送到PLC的高速計數器，PLC計算送料速度及尺寸，規劃伺服驅動器完成往復追蹤，在同步區和物料送料達到同步時控制電磁閥驅動氣缸帶動鋸刀進行切割，剪切執行機構原點位置以及極限位置由光電接近開關檢測。采用昆侖通態TPC7062TX觸摸屏與PLC實現I／O交互，完成設備監控等功能。
2硬件設計
2．1系統接線
PLC選用西門子S7－200SMART，CPU為ST60，標準型CPU模塊，晶體管輸出可滿足高速脈沖輸出操作，24VDC供電，4個高速計數器、3個高速脈沖輸出端［3］。PLC的I／O分配表如表1所示，系統硬件接線圖如圖2所示。PLC與伺服驅動器的接線：伺服電機及驅動器型號為ASD－A2－0221－M，額定輸入功率220W，額定輸入電壓220V。伺服電機編碼器輸出信號接到驅動器的編碼器接入端（CN2），相關I／O控制信號端口（CN1）與PLC相連接，DO端D03（Pin3）、DO2（Pin5）、DO1（Pin7）分別連接PLC的I2．2、I2．1、I2．0用于采集伺服電機報警、準備就緒及啟動信號。DI端DI1(Pin9)伺服啟動信號ON和DI2(Pin30)緊急停止信號EMGS分別通過中間繼電器KA1和KA2連接到PLC的Q1．2和Q1．3，用于控制伺服電機的啟停。伺服驅動器脈沖信號PULS和方向信號SIGN分別連接到PLC的Q0．0和Q0．1。PLC與傳感器的接線：旋轉編碼器型號E40S6－1000－3－N－24，三相脈沖采用NPN型集電極開路輸出，分辨率1000。A、B、Z三相輸出端與PLC的高速計數器HC0的輸入端I0．0、I0．1和I0．2連接。光電式接近開關為三線制，連接PLC輸入，用于檢測剪切機構原點和極限位置。磁性開關為兩線制，連接PLC輸入，用于檢測剪切氣缸活塞位置。主軸調速電機的啟停由中間繼電器KA3控制，KA3線圈連接到Q1．4。剪切氣缸運動方向由電磁換向閥YV1控制，YV1線圈連接到Q1．0。采用MCGSTPC嵌入式一體化觸摸屏，型號為TPC7062TX，觸摸屏與PLC連接時使用公母頭連接器進行連接，公頭的3號觸點與母頭的7號觸點，8號觸點與母頭的8號觸點連接。
2．2伺服驅動器的參數設置與調整
伺服相關參數設置情況如表2所示。將控制方式設置為脈沖＋方向方式，控制模式設置為位置控制即命令來源為外部脈沖輸入。設置DI1輸入功能為伺服啟動，輸入接點為常開；設置DI2輸入功能為伺服急停，輸入接點為常開，均由PLC控制。設置DO1輸出功能為伺服啟動、DO2輸出功能為伺服準備好、DO3輸出功能為伺服報警，DO1、D02、D03的輸出信號均由PLC輸入端口采集獲得。根據表2計算電機實際轉一圈所需脈沖數＝分辨率／（電子齒輪比分子（N1）／電子齒輪比分母（M））＝1280000／（1280／1）＝1000，故所選的主軸旋轉編碼器分辨率符合設計要求。
3軟件設計
3．1參數計算
若PLC讀取旋轉編碼器在T（s）內發送了N個脈沖，已知編碼器的分辨率M為1000。主軸速度V1的計算：實驗設備測得傳送帶軸的直徑為d＝50mm，則主軸電機每旋轉一周傳送帶實際移動位移L＝πd，則兩個脈沖之間位移即脈沖當量L1＝πdM，則在T（s）時間內主軸的速度V1（mm／s）可表示為：V1＝NL1T＝NπdMT（1）從軸速度V2的計算：實驗設備測得從軸電機每旋轉一周實際位移為10m，即絲桿的螺紋螺距s，則從軸的脈沖當量L2＝SM。則在T（s）時間內從軸的速度V2（mm／s）可表示為：V2＝NL2T＝NSMT（2）由式（1）和（2）得出主軸與從軸速度比＝V1V2＝πdS≈1500mm10mm＝151（3）
3．2程序流程
追剪伺服控制主程序流程圖如圖3所示。系統程序包括主程序、主軸運行測速子程序、從軸回原點子程序、HSC0＿INIT子程序等模塊。主軸運行測速子程序主要功能是啟動主軸電機、讀取高速計算器HC0當前值、測算主軸速度并根據式（3）計算從軸速度。從軸回原點子程序主要功能是找到從軸運行起始點，確保系統啟動和每次剪切完成后從軸電機能夠準確回到原點位置。使用S7－200SMART運動軸來控制伺服電機的速度和運動，使用SM0．0觸點確保每次掃描時都能執行AX-IS0＿CTRL指令啟用和初始化運動軸，使用AXIS0＿GOTO指令將電機移動到指定位置。HSC0＿INIT子程序主要功能是初始化和啟動HC0計數。PLC上電后，主程序首先調用主軸運行測速子程序和從軸回原點子程序，然后通過中間繼電器線圈Q1．2得電啟動伺服電機。設置剪切長度，通過比例關系測算同步區長度和伺服返回用長度（實際剪切長度－同步區長度＝返回用長度）。滿足運行條件即剪切機構處于初始狀態，調用HSC0＿INIT子程序，HC0選擇模式9。PLC讀取HC0當前值存在VD600中，當HC0當前值對應的位移量等于從軸返回用長度時，啟動從軸移動。當HC0當前值對應的位移量等于實際剪切長度時，剪切電磁閥線圈Q1．0得電，驅動剪切氣缸下降，進行切割。切割完后氣缸復位，HC0當前值歸零，從軸返回到原點位置后停止，準備下一次追剪動作。
4觸摸屏組態畫面設計
采用MCGSE組態環境實現追剪伺服系統的監控，設置控制參數進行系統實時監控，與PLC實現I／O交互。對系統中的剪切長度、同步區長度、返回用長度以及旋轉編碼器脈沖數、剪切機構位置等信息進行采集，實時監控主軸電機、從軸電機、剪切機構的當前狀態。同時具有歷史和實時數據曲線、數據報表以及報警畫面等功能。
5結束語
追剪運動控制在管材型材的定長裁剪中應用廣泛，具有很好的應用前景。本文設計的追剪伺服控制系統已在自主研發的模擬追剪控制實驗平臺上進行了驗證，該控制系統裁切精準，運行可靠，在切割時裁切設備與型材切割位置相對靜止，無相對滑動。實驗設備已應用在高職機電類專業運動控制模塊的創新訓練中，效果良好。
作者：王琰 單位：南京科技職業學院電氣與控制工程學院