冷弯机械键盘办公技巧教程(基于PLC和PLD和变频器的门框自动成型生产线控制系统)

该系统通过对PLC、触摸屏和变频器的巧妙应用，达到了用数控与伺服控制器才能实现的精确位置控制和快速速度响应，使控制系统的成本大幅度的降低，可操作性、可维护性得到很大的提高。由于PLC和触摸屏程序的完美设计，使系统能应对多种复杂情况，另一方面，傻瓜式的菜单操作界面，使对操作工的要求降到最低，从而降低了用户的使用成本。

关键词: “可编程控制器PLC”、“变频器”、“触摸屏POD” “自动生产线”

The system through to ingenious application of the PLC ,Touch Screen and the Inverter， reached by numerical control and servo controller can realize the precise position control and rapid response to the speed, so the control system of the cost can be greatly reduced, operability, maintainability is enhanced greatly. Because perfect the design of the PLC and touch screen program, that would enable to deal with all kinds of complex situations, on the other hand, goofy type menu operation interface, make operator requirements to a minimum, thereby reducing the use cost of users.
Key words: “Programmable Logic Controller”、 “Inverters”、 “Programmable Operation Display” 、“Automatic Production Line”

一．前言

钢制防火门由一扇钢制门和一个钢制门框组成,而门框由上、下、左、右四根型材焊接而成，每根型材上都按要求冲一定数量的安装孔（用于与固定在墙体的构件联接用），左、右两根型材上还需冲锁孔或一定数量的铰链孔。

一般说来在工厂门框的制作过程是这样的：

1.钢板校平(为了节约材料,一般都使用卷板而不使用平板),

2.定长剪切,

3.折弯成型(由于形状复杂,尺寸要求高,一般使用数控折弯机),

4.在型材上按要求冲安装孔,

5在型材上按要求开铰链孔或锁孔,

6.在已开孔的上、下、左、右四根型材两头开45度焊接用坡口，

7.将四根型材焊接成门框。

上述制作过程加工环节多，生产效率低，尺寸精度差；对工人的技术要求比较高，制作成本居高不下，加工过程存在一定安全隐患。

在目前劳动力资源紧缺，劳动报酬上涨较快的情况下，用自动控制的设备来提高生产效率、提高产品质量和降低安全生产事故并减少用人，节约成本，已成为一种趋势。

为此研制了门框自动成型机，门框自动成型机将自动完成门框制作过程的前六道工序，工人只需做技术含量比较低的门框焊接一道工序。

二．技术要求:

1..门框自动成型机应把门框型材的制作从钢板校平、定长剪切、冷弯成型、开铰链孔或锁孔、冲安装孔、开45度焊接用坡口等6道工序一次自动完成,

2.钢板校平和型材成型的进给速度可调,最大速度为20米/分。

3.门框型材的定尺为800到3000毫米可调, 定尺偏差不超过1毫米。

4.门框型材可任意选择打铰链孔或锁孔(数量从0到5任意可选, 孔距偏差不超过0.5毫米)及安装孔(数量从0到8任意可选, 孔距偏差不超过1毫米)。.

5.在系统遭遇意外停机或停电时,除非人工复位,否则再次开机时继续完成上一个未完成的过程。

6.工作时间一周六天，每天8-16小时，环境温度10-50摄氏度。

7.整个自动控制系统应工作可靠、便于操作、易于维护，在满足性能要求的前提下价格尽量低廉。

8.考虑到门框自动成型机的用户是立足于国内外，应设计中文和英文两个操作界面供用户选择。

三.控制方案选择与论证

门框自动成型机由钢板校平机, 型材成型机,切45度角机三部分组成。钢板校平机进给驱动电机为3KW,型材成型机进给驱动电机为7.5KW。由于钢板校平机与其它二部分相距较远而不便于集中控制与操作,并且因编码器与控制系统的连线长度不能太长，因此控制系统分成两部分，一个控制钢板校平机，另一个控制型材成型机和切45度角机。它的工作过程是这样的：

卷钢板进入钢板校平机将通过多对校平辊校正成平板并完成开铰链孔或锁孔,然后再进入型材成型机经多对模具一步步挤压下成型,变成符合设计要求的型材，再冲安装孔, 按设定的长度切断, 切45度角机则在门框型材两头按要求切45度焊接用坡口。

冲孔的冲模和定长剪切的切刀由液压驱动,切割机切45度角由切割机完成。

对于这套设备，控制系统的核心是位置控制准确和速度可调。

控制系统由显示和设定单元、检测和控制单元、传动执行单元组成，在确定最终控制方案前我们设想了以下几个方案:

1．显示和设定单元及检测和控制单元有显示并带输入键盘的的单轴数控装置，传动执行单元为伺服控制器 伺服电机

2．显示和设定单元为工业控制计算机，检测和控制单元为PLC（可编程序控制器），传动执行单元为伺服控制器 伺服电机

3．显示和设定单元为POD（触摸屏），检测和控制单元为PLC（可编程序控制器），传动执行单元为伺服控制器 伺服电机。

4．显示和设定单元为POD（触摸屏），检测和控制单元为PLC（可编程序控制器），传动执行单元为直流调速控制器 直流电机.

5．显示和设定单元为POD（触摸屏），检测和控制单元为PLC（可编程序控制器），传动执行单元为变频器 三相交流异步电机。

分析:数控装置控制精度高，但价格比较贵，对环境要求高，无法在恶劣严酷的环境下工作，

工业控制计算机虽然功能强大，但价格比较贵，而用POD（触摸屏）性价比会更高；

直流调速控制器 直流电机虽然转矩特性比较硬，但价格比较贵，直流电机可靠性比交流电机差，而且维护工作量大；

伺服控制器 伺服电机转矩特性比较硬，控制精度高响应快，但价格比较贵，维护不便，

相比之下POD（触摸屏）、PLC（可编程序控制器）和变频器及三相交流异步电机性价比高，可靠性高、并能适应在恶劣严酷的环境，维护工作量小，因此用方案5是最佳选择。

四．硬件配置

1．PLC选型

a.对于钢板校平机为了实时监测和控制钢板移动的速度和移过的距离，PLC必须有一路高速计数输入(同时占用3个输入点)和模拟量输出，“自动运行”、“停止” 占用2个输入点，控制冲铰链孔模具和冲锁孔模具占用4个输入点和4个输出点，校平变频器状况要占用2个输入点，校平变频器使能控制及油泵电机运行要占用3个输出点，因此PLC必须具有1路或1路以上的高速计数输入通道，具有12个的输入点和6个输出点，1路模拟量输出.

台达EH系列PLC具有较高的性能价格比,它采用CPU ASIC（高速运算处理晶片）双处理器，分工运算处理技术，基本指令速度可达0.24微秒，有四组计数频率可达200Khz的高速计数器，可带8个扩展模块，带RS485通信口,功能强，能满足要求， 决定采用的是台达EH系列PLC的DVP20EH00R2 DVP04DA-H2，其输入点为12点，输出点为8点，有四路模拟量输出。输入和输出点的地址分配见下表。

表1钢板校平机PLC地址分配表

PLC输入和输出点的地址分配表

输入

输出

地址

说明

地址

说明

(主机)

Y0

校平电机正转信号

X0

编码器A相输入

Y1

校平电机反转信号

X1

编码器B相输入

Y2

冲铰链孔模具下

X2

编码器计数复位输入

Y3

冲铰链孔模具复位

X3

自动运行

Y4

冲锁孔模具下

X4

停止

Y5

冲锁孔模具复位

X5

冲铰链孔模具下限位

Y6

油泵电机运行

X6

冲铰链孔模具上限位

Y7

X7

冲锁孔模具下限位

（模拟量输出单元）

X10

冲锁孔模具上限位

1通道

校平变频器速度指令

X11

油泵电机运行信号

X12

校平变频运行信号

X13

校平变频报警输入

b.对于型材成型机为了实时监测和控制门框型材移动的速度和移过的距离，PLC必须有一路高速计数输入(同时占用3个输入点)和模拟量输出，“自动运行”、“停止” 占用2个输入点，控制冲安装孔模具和切断模具占用4个输入点和4个输出点，油泵电机、出料辊道电机和成型变频器状况要占用5个输入点，成型变频器使能控制及油泵电机、出料辊道电机要占用4个输出点，控制切型材两侧45度切割器需2个输入点和8个输出点因此PLC必须具有1路或1路以上的高速计数输入通道，具有18个的输入点和16个输出点，1路模拟量输出，决定采用的是台达EH系列PLC的DVP32EH00R2 DVP04DA-H2，其输入点输出点各为16点，有四路模拟量输出, 带RS485通信口。输入和输出点的地址分配见下表2。

表2 型材成型机PLC地址分配表

PLC输入和输出点的地址分配表

输入

输出

地址

说明

地址

说明

(主机)

(主机)

X0

编码器A相输入

Y0

成型电机正转信号

X1

编码器B相输入

Y1

成型电机反转信号

X2

编码器计数复位输入

Y2

冲安装孔模具下

X3

自动运行

Y3

冲安装孔模具复位

X4

停止

Y4

切断模具下

X5

冲安装孔模具下限位

Y5

切断模具复位

X6

冲安装孔模具上限位

Y6

油泵电机运行

X7

切断模具下限位

Y7

出料辊道电机

X10

切断模具上限位

Y10

前切割机运行

X11

油泵电机运行信号

Y11

后切割机运行

X12

成型变频运行信号

Y12

前切割机处型材压紧

X13

出料辊道电机运行信号

Y13

后切割机处型材压紧

X14

成型变频报警输入

Y14

前切割机切下

X15

型材前侧切45度位置

Y15

前切割机返回

X16

型材后侧切45度位置

Y16

后切割机切下

X17

Y17

后切割机返回

（模拟量输出单元）

1通道

成型变频器速度指令

2．变频器选型

台达VE系列变频器具有功能强，控制精度高（频率设定分辨率对于模拟指令为最大输出频率之1/4096 (12 bit)，起动转距大（0.5Hz 时可达150%以上），过载能力大（150% for 60 seconds; 200% for 2 seconds，），最大过电流可达 300%，保护功能完善，对环境适应能力强，可靠性较高，能符合要求，考虑变频器长期在恶劣严酷的环境下运行，其功率应留有一定的余量，决定钢板校平机进给驱动采用台达VFD037V43A-2，型材成型机进给驱动采用台达VFD110V43B-2，其输入电压为三相380V，输出功率分别为3.7千瓦和11千瓦。

两台变频器均配了大功率的制动电阻。

3．POD（触摸屏）选型

钢板校平机和型材成型机均采用台达的DOP-V07S201，屏幕尺寸为7吋,其解晰度为480×234，4M内存,65536色真彩,有较好的性能价格比.

4. 编码器选型

钢板校平机和型材成型机均选用欧姆龙的E6B2-CWZ6C,线数为2000。

控制系统原理图见 图1

五．系统实现的功能

两个触摸屏的第一个画面是语言选择，如选择“中文”，则下面进入的画面全部是中文的；如选择“ENGLISH”，则下面进入的画面全部是英文的。触摸屏的第二个画面上可以开启冲压油泵、选择进入“设定数据”、“自动”或“手动”画面，按“返回”键返回第一画面。

对于钢板校平机，在“手动”画面可按标着名称的按键，使校平辊正转或反转（反转一般是退料），测试冲铰链孔模具和冲锁孔模具工作是否正常。在“设定数据”画面，设定钢板校平的速度、单次校平长度，冲铰链孔或冲锁孔或不冲孔，冲孔的数量和孔距。在“自动”画面，可以监测钢板校平的速度，已校平总长度，本次已校平长度，冲孔的类型和动作状况。

对于型材成型机，在“手动”画面可按标着名称的按键，使成型模具转或反转（反转一般是退料），测试冲安装孔模具和切断模具工作是否正常，开启出料辊道，测试切45度角机工作是否正常。在“设定数据”画面，设定型材成型的速度、单次成型长度，冲安装孔的数量和孔距、预定加工型材数量。在“自动”画面，可以监测型材成型的速度，已成型总长度，本次已成型长度，冲孔的类型和动作状况，已完成型材数量。

钢板校平机和型材成型机的PLC通过RS485实行数据共享,在一方的触摸屏上可以控制另一台的运行。当两者之一发生故障时，另一台只能手动运行。

钢板校平机的进给速度稍大于型材成型机的进给速度，但它会根据已校平钢板和成型型材的长度差值大小来调整速度，使两者之间的长度差值保持在一个合适的范围内。

系统工作过程：当在钢板校平机上按要求放入卷钢板后，按“自动运行”键，钢板校平机运行，将卷板整平和按设定的规格和孔距和数量冲孔。完成校平和打孔的钢板经两米空档后按要求放入型材成型机，启动型材成型机，进入型材成型机的钢板被一道道模具逐渐挤压成预定的形状，随后按设定的孔距和数量冲安装孔及设定的长度切断，被切断的型材进入出料辊道向前移动，当型材进入后侧切45度角机位置时，出料辊道停止，两气缸动作，将型材压紧，后切割机运行切下，完成后自动返回，气缸返回，将型材松开，出料辊道运行，当型材进入前侧切45度角机位置时，出料辊道停止，气缸动作，将型材压紧，前切割机运行切下，完成后自动返回。当已加工完成型材预定数量后，设备停机。

钢板校平机工作流程:

校平机开,快速,高速计数开始→冲1－N孔→到定长校平机停, 计数复位

型材成型机工作流程:

型材成型机开,快速,高速计数开始→冲1－N孔→到定长,切断, 计数复位→两侧切45度角

六．程序说明

程序的重点是位置控制，在这里，既要让进给速度尽可能快，又要确保位置控制精度，这是有难度的，为此，我经过计算和反复测试，在程序中设置了4个减速点，当距离控制目标小于等于第一减速点数值时，PLC发出指令，将进给速度降至最大速度的50%，距离控制目标小于等于第二减速点数值时进给速度再降50%，到第三减速点时进给速度再降至制动速度，到第四减速点时变频器制动停车。在程序中编制了纠偏程序，可进行自动修正偏差，在触摸屏上有可输入补偿值修正偏差。这样既保证了位置控制精度，又兼顾进给速度。`

由于编码器比较灵敏，在冲孔时，位置会有变化，为此在程序中确定冲孔时或切断必须在钢板或型材完全停止才能进行，而在冲孔时或切断时编码器不计数。

程序的另一个难点是冲孔时的数量和规格（在一定范围内）可任意选择，这样一来，每个PLC都要面对十多种选择，因为涉及到高速计数中断，使程序量增加。但如程序太长的话，可能PLC的扫描时间增加，减慢PLC的处理速度，从而影响位置控制精度。我们精心设计了PLC和触摸屏的程序，使其尽可能精炼，既满足了用户的要求，也保证了位置控制精度。

七、结语:

1.通过对位置控制、调速方法的研究，筛选了性价比高的控制系统，满足了用户的各项要求，同时使控制系统的成本大幅度的降低，可操作性、可维护性得到很大的提高。

2.通过对控制对象的分析计算，精心编制PLC程序、触摸屏程序，巧妙设置变频器参数，使系统能够达很精确的位置控制、宽泛的调速范围、较快的响应速度。由于PLC和触摸屏程序的完美设计，使系统能应对多种复杂情况，另一方面，傻瓜式的菜单操作界面，使对操作工的要求降到最低，从而降低了用户的使用成本。

3.在触摸屏上设计中文和英文两个操作界面，实现傻瓜式的菜单操作,可应对多种数量、多种规格的加工任务；可面对国内外的用户。

门框自动成型机的应用（其中有一台已在炎热的中东国家运行近两年）使门框生产的效率大幅度提高，生产成本明显降低，产品质量得到长足的提高，降低了工人的劳动强度，杜绝了安全生产事故,节约了宝贵的人力资源，产生了良好的经济效益和社会效益，受到了广泛的好评。

参考文献

1. 钟福金 吴晓梅 可编程序控制器. 南京:东南大学出版社 2002年8月

2. 顾绳谷 电机与拖动基础. 北京:机械工业出版社 2003年6月

3. DVD-PLC应用技术手册(程序篇) 上海:中达电通 2005年3月