西門子S7-200PLC在三輥機鋼材成型設備改造中的應用

　　摘要：利用S7-200控制系統對原有手動控制的三輥機設備進行自動化改造，使其加工成型的材料具有良好的一致性，提高工作效率。
　　
　　一、背景：
　　
　　某自動扶梯廠在做自動扶梯的扶手時，有一道工序加工比較復雜，就是在扶梯起始及到樓層時扶手的弧度處理，由于扶手使用的是一公分厚的平板鋼材，對其的弧度處理用的是三輥機沖壓實現。加工的工藝圖如圖1所示，輥2、輥3是主動輪，由電機帶動減速齒輪箱可實現低速正反轉，輥1是從動輪，初始位置在離輥2、輥3一段距離的正上方，加工時先將工件放在輥2、輥3上面，點動控制輥1下降至正好壓住工件時控制電機正轉，沖壓的量靠工人的經驗通過點動控制下壓油缸動作實現，正轉固定的距離然后手動控制反轉，重復沖壓并不斷下壓，根據操作者的目測結果決定加工的進程。手動操作的結果導致的每次壓的材料的弧度多不一樣，或大或小不符合要求的必須根據模板糾正，一公分厚的鋼材是通過人工敲打直至符合要求。而且加工的弧度要求經常要變，不同的扶梯的弧度不同，導致工人干活及累且工作效率低。基于這樣的情況，廠家提出設備改造，要求控制設備具有自動控制的功能，根據要求可設定加工的參數，加工后的材料的一致性要好，減少工人反復修正的處理，提高生產效率。　　　　
　　二、改造方案
　　
　　根據以上的問題，我們提出用S7-200PLC加觸摸屏TP170來實現對三輥機的自動就控制，具體的改動有以下：
　　
　　1．繼電器接觸器控制改為S7-200PLC加觸摸屏TP170便于實現自動控制、參數設置。
　　
　　2．馬達加裝變頻器實現調速并且加裝轉速編碼器，便于對轉速的監控。
　　
　　3．輥1的連動鋼塊加裝位移傳感器，便于對輥1的下降距離的監控
　　
　　4．油路加裝調速閥，與主控閥并聯，可以在加工下壓時實現輥1的低速下降
　　
　　5．電氣主控回路考慮調試時不過多影響生產，保留原有的控制電路，通過電控柜面板開關切換工作方式。
　　
　　三、主要的電氣硬件設備
　　
　　1．S7-226DC/DC/DC1臺
　　
　　2．EM235模塊1個
　　
　　3．TP170觸摸屏一臺
　　
　　4．EM235模入/模出模塊一塊
　　
　　5．施耐德28系列4KW變頻器一臺
　　
　　6．50mm/0~10V位移傳感器及變送器
　　
　　7．的固態繼電器3個　　　　
　　四、控制系統簡介
　　
　　控制系統的框架如圖3所示。TP170A可以將每種加工工件的加工參數輸入到S7-226PLC中，將工件的型號、弧長以及該弧的半徑、鋼材厚度錄入其中，工人加工只需要選擇工件的型號即可。另外系統也可通過觸摸屏對系統實現點動調試功能，保證各部分硬件*。利用屏交互性較好的優點在觸摸屏系統做了許多相關的相關報警提示信息。由于所有工件的弧所對應的角度θ及圓R的半徑是已知的，系統根據此特點通過CPU-226內部三角函數命令計算出弓高H=R-Rcos（θ/2），也就是輥1碰到工件后再下降的位移量,CPU226利用EM235監測位移傳感器的反饋電壓，控制電磁液壓閥，進而控制輥1的下降的位移量，由于輥1的下降速度很慢，所以位移控制的精度較高。考慮TP170已用去PORT0，PORT1用于程序下載調試比較合適，而用通訊方式控制變頻器增加程序的編寫且快速性可靠性降低，所以電機的轉速控制由EM235輸出模擬電壓送到變頻器的AI1、COM來實現。變頻器的正反方向運行由PLC的DC輸出直接控制。電機的轉速編碼器主要用來測量弧度對應鋼材的長度，在鋼材上工人提前畫好標記弧度起點A、終點B的位置如圖2，在工件隨意放一位置后，輥1下壓到正好接觸鋼材時停止下降，電機正轉，在A點到達輥3的中心點時人工通過輸入按鈕給PLC一個信號，利用S7-200內置的高速計數器開始對轉速編碼器的輸出計數，因為電機的轉速通過齒輪箱減速后動力傳遞給輥2、輥3，輥2、輥3轉速正比與電機的轉速，輥2、輥3的周長固定且已知，弧長已通過TP170告訴PLC，PLC經過對轉速編碼器、齒輪箱的換算成實際的脈沖數，所以通過輥2、輥3轉動的圈數（對應轉速編碼器的脈沖個數）可以知道目前弧AB所在的位置。進而可以控制起壓點，結束點。程序把起壓點放在輥1中心點對準AB中點時刻，把壓的行程H分成多段完成，每壓下一部分，電機正反轉一周，輥1壓一遍弧AB。　　
　　程序的控制流程如圖4。主要利用S7-200的順序控制指令來實現，順序控制指令的優點很明顯，控制方便結構清晰。　　　　
　　五、問題
　　
　　1.根據圖紙計算出來的加工尺寸必須考慮材料的厚度，圖紙上給出的是材料中心的尺寸，實際加工必須考慮厚度，不然會有偏差。
　　
　　2.編碼器輸出的脈沖信號用屏蔽線連接，但是在變頻器工作時還是受到干擾，脈沖邊沿質量變差，導致誤計數，在接線末端加裝小電容濾波得到改善。
　　
　　3.齒輪箱的慣性問題是在工作過程中必須要考慮的，PLC認為停止條件滿足到變頻器停止輸出齒輪箱真正停止有一小段時間，在調試中我們反復觀測出一個提前量給PLC解決這個問題。
　　
　　六、結束
　　
　　S7-200與TP170在編程調試過程中充分體現了它的靈活性和可靠性。系統調試結束后實際運行的效果良好，一致性滿足生產的要求，盡管單次加工的時間比手動時增加，但加工的產品幾乎不需要敲打調整，總的生產效率大大提高。