宁波职业技术学院成人与继续教育学院维修电工技师设计(论文)(2013届)注意：本论文若在网络上转载不得对下面作者姓名进行更改，否则由此引起的版权及由专利权引起的法律纠纷由转载者承担全部责任，内容仅供读者参考!论文题目PLC及两轴控制器在替代美国海宝数控火焰切割系统的可行性实践所在单位 宁波远成设备制造有限公司 姓 名 郭 成 志 指导教师 赵建国 职称或等级 高级技师 完成日期 2013 年 8 月 1 PLC及两轴控制器在替代美国海宝数控火焰切割系统的可行性实践郭 成 志（宁波远成设备制造有限公司）2013年8月摘 要长期以来，国内数控火焰切割领域美国海宝EDGE控制系统在加工制造行业一直处于霸主地位，在市场中也占有很大的份额。究其原因，主要是因为EDGE数控火焰切割系统其控制软件基于windowsxp系统，操作方便，另一方面其不凡的稳定性也成为火焰切割行业的佼佼者。但是，这套系统价格昂贵高达7万元一套！我厂现在有一台采用EDGE控制系统的火焰切割机，由于使用年月较长，EDGE控制系统性能也飞速下降，而且由于，原设电磁阀马达等控制元件，使用的是PCB线路板，由于线路板工艺比较差，期间多次出现鼠线氧化断路故障，严重影响了生产效率！为此，既经济又可靠的更新该台设备成为当下首要任务！本设计采用香港固高GT200运动控制器，结合PLC和方菱控制软件，能够出色的满足数控火焰切割工艺，由于PLC的运用提高了控制的可靠性，图形与文件管理与美国EDGE系统不相上下，控制精度由于采用伺服定位系统控制精度可达每毫米1000个脉冲，切割速度可达25米/分钟！关键词：数控火焰切割；PLC；两轴控制器；伺服器；伺服电动机；脉冲；I/0接口目 录1引言12总体设计13硬件设计33.1 固高两轴控制器系统33.1.1 GT200控制器基本功能33.1.2 I/O接口内部结构43.1.3 I/O接口电路组成63.2 可编程控制器73.2.1 输入输出73.2.2 输入输出保护电路103.3 伺服驱动器及电机103.3.1 伺服器与PLC接口103.3.2 割炬升降电机电路113.4 电源供电123.4.1 强电部分123.4.2 弱电部分124软件设计134.1 上电预散热144.2. 扫描报警输入144.3. 伺服器使能和输入传输144.4 排气程序155制作和调试165.1 制作注意事项165.1.1 控制变压器165.1.2控制端子板165.1.3 PLC165.2 调试方法175.2.1 检查布线175.2.2 设置参数175.2.3 运行176结论18参考文献20附录1 电原理总图21附录2 梯形图程序26附录3 指令表27附录4 系统实物图28附录5 课题设计作品说明书30宁波市维修电工国家职业技能鉴定所维修电工技师课题设计(论文) - 11 -1引言随着自动化控制技术的迅速发展，可编程控制器在工业控制领域因其高可靠性、编程灵活性而获得广范应用，目前在数控领域也已获得普遍应用；而对于基于windows系统的两轴控制卡由于其人性的化的人机界面操作，也已逐渐在诸多数控设备应用！本设计将两轴控制器和PLC技术结合，将其应用于数控火焰切割系统作为下料生产，经验证，设备操作简单，有火焰切割基础的稍作培训即可操作，切割误差仅有3mm，完全满足下料生产要求；切割速度可达25米/分钟，性能可与美国海宝数控系统相媲美，可以完美替代目前市场上的美国EDGE数控火焰切割系统！2总体设计数控火焰切割机，是应下料工人手工切割或半自动切割这种低效生产而设计的，但是其切割工艺是完全遵循传统人工或半自动原始工艺，只不过各氧气阀门和乙炔阀门以自动电磁阀替代手动阀门，以精密的机械运动代替人工手动运行割炬，所以对设备的基本控制是：在无安全或故障报警的情况下，开切割氧总阀门和低预热阀门启动高压打火3S钟，为了加强预热割炬升降电机下降一个距离，预热完成后为了防止穿孔时飞溅堵孔，电机上升一段距离，然后开穿孔氧，飞溅完毕电机下降一段距离并启动伺服电机，按照预定程序切割完毕后，排气、割炬上升，关闭切割氧总阀，关闭低预热。为使设备具有人性化的操作界面，切割系统采用固高GT系列两轴控制器，控制卡见下图。该系列控制器以IBMPC及兼容机为主机，并且可以基于windows系统操作，除此之外，该控制卡可提供两种不同的控制方式，即脉冲+方向和正脉冲+负脉冲，本设计中采用的是脉冲+方向。下图是控制器外形。图2-1 GT200控制卡和端子板外形供气电磁阀主要用来控制包括预热氧，丙烷燃气，穿孔氧在内的气体特定顺序供给，以实现火焰切割工艺。同时还要适时调整切割割炬的高低，可以用电机控制其升降，但由于对控制精度要求不高故采用一般的单相交流电动机即可，并且通过继电器控制其正反转，由于此类电器件也是根据控制卡实时控制，所以可以采用运算指令不是十分丰富的FX1S30MR可编程控制器，而且采用PLC后其输入电路正好可以与控制卡的端子板匹配，这样，线路复杂程度降低而可靠性加强。X轴位移采用pannasonic（松下）MSMD042伺服电机，并采用配套的MADDT2210伺服驱动器；Y轴位移采用松下MSMD082伺服电机（功率比X轴的伺服电机功率要大），并采用配套的MCDDT3520驱动器。X轴伺服电机和Y轴电机都为松下A4系列伺服驱动器，其采用五线制增量式编码器，精度为2500p/r(分辨率10000)，供电要求范围宽，AC200-AC240V.总体设计结构如图2-2 PLC 气体阀门图2-2 数控火焰切割机框图3硬件设计经过框图可以看出，硬件主要包括IBM兼容机、运动控制卡及I/O端子板、可编程控制器PLC、伺服驱动器、伺服电机、电磁阀，当然还包括图中未明确示意给出的升降电机。3.1 固高两轴控制器系统固高两轴控制器是整台数控火焰切割机的控制核心，它与PLC相互协调共同指挥各执行器件的运作。3.1.1 GT200控制器基本功能GT200控制器分为控制卡和I/0端子板，控制卡在方菱设计软件时已装入工控机，无需另行安装，仅考虑I/O端子板功能即可。输入输出功能见表3-1表3-1输 出1EXO-0点火开关2EXO-1高压预热3EXO-2低压预热默认4EXO-3低压切割氧（一级）5EXO-4中压切割氧（二级）6EXO-5上升继电器7EXO-6下降继电器8EXO-7切割氧总阀9EXO-8等离子低速输出10EXO-9排气口11EXO-10高压切割氧（三级）默认输 入1EXI-2横向（右）限位无源、常闭2EXI-3横向（左）限位无源、常闭3EXI-4纵向（前）限位无源、常闭4EXI-5纵向（后）限位无源、常闭5EXI-9报警信号常闭信号传输功能分配见表3-2（CN6与CN5相同，用于Y轴信号）伺服信号CN59DIR+正方向输出7+5V步进用5V电源10GND数字地11PULSE-负脉冲输出22DIR-负方向输出23PULSE+正脉冲输出3.1.2 I/O接口内部结构为实现端子板与其他电器器件的匹配连接必须要弄清端子板的I/O内部端子结构。 1） 输入接口电路见图3-1图3-1 输入接口电路对于此类基本电子线路1可以很容易的设计出接线，由图可见端子板的内部是一个含源的隔离光耦电路，抗干扰能力比较强，输入信号可以是触点开关，也可以是有源器件但器件必须符合TTL电平。2） 输出接口电路见图3-2图3-2 输出接口电路通过图可以看出输出接口电路是一个无源光耦，工作时需加外部电源，输出低电平有效。按手册数据查询其输出承受负载电流Imax=300mA。为提高控制卡抗干扰能力，控制卡的DC24V电源单独供给，不得移作他用，所以伺服驱动器虽然控制电压也是DC24V，但不能与控制卡电源共用。3.1.3 I/O接口电路组成根据输入接口内部电路结构，对于整台设备中的X轴限位Y轴限位可直接接入I/O端子板对应的接线端子，特别注意的是EXI-9（报警信号输入），是两个伺服器故障报警经过PLC或运算后通过输出接点接入的。电路见图3-3 图3-3 输入接口电路端子板输出的主要功能是电磁阀的流程控制，又根据输出接口电路内部结构可知此输出光耦其输出承受负载电流Imax=300mA，实际工作的电磁阀工作电流为250mA，所以如果以I/O端子板直接驱动电磁阀因为没有足够裕量是不可取的，而PLC其输入是可以与端子板输出接口电路直连的（有关PLC I/0接口电路参阅下一节）PLC输出端子如果是继电器输出类型的，其触点容量可达到2A.电路见图3-4图3-3 输入接口电路对于脉冲控制接口，无论是松下A4伺服器还是端子板都支持单端输入和差分输入，但是基于差分输入具有抗干扰能力强、有效抑制EMI、时序定位准确等优点，所以在此设备中采用的是差分输入方式。电路如图3-4 图3-4 控制脉冲端子板输出伺服器输出接口电路3.2 可编程控制器在本系统中可编程控制在硬件上主要起提高整机系统稳定性和与端子板伺服器实现I/O口匹配连接，在软件上则由对整机报警处理，安全输出等程序以保证设备的安全运行。使用PLC后其控制线路的复杂程度相比于当前行业中正在使用的设备大大简化。3.2.1 输入输出根据系统的控制要求及信号传递可将PLC的I/O分配如表3-1表3-1 I/O端的分配输入输出元件输入端编号说明元件输出端编号说明EXO0X000点火伺服X5-29Y0伺服器使能EXO1X001低预热CNC/IX19Y1报警EXO2X003高预热YA3Y2点火EXO3X004两级穿孔YA1YA2Y3低预热及燃气EXO5X012电机升YA4Y4切割氧EXO6X013电机降YA5Y5高预热EXO9X005排气YA6Y6两级穿孔EXO10X002切割YA7Y7排气S1X006手动点火KA1Y12电机升S2