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摘要：设计了一种基于西门子S7－200SMARTplc的追剪伺服控制系统，以S7－200SMARTPLC为主控制器结合台达ASD－A2伺服控制，在电子凸轮主轴送料机构、电子凸轮从轴移动追踪机构和剪切执行机构的协同运作下，实现移动追踪和同步剪切动作。采用昆仑通态TPC7062TX触摸屏实现设备监控等功能。应用结果表明，系统运行稳定，裁剪精准，为追剪控制技术的应用研究提供了参考。
关键词：PLC；追剪；伺服控制；触摸屏
追剪伺服控制技术主要应用于各种材料的定长裁切，是加工制造自动化行业中应用十分广泛的一种控制方式［1－2］。本文以西门子S7－200SMARTPLC为控制核心结合台达ASD－A2伺服控制，设计一种追剪伺服控制系统，从系统总体方案、硬件设计、参数设置与计算、软件设计以及触摸屏监控画面设计等方面进行了阐述。
1控制系统方案设计
追剪伺服控制系统以S7－200SMARTPLC为主控制器，送料轴保持匀速单向送料，送料轴旋转编码器检测上料长度与速度反馈给PLC，由伺服电机和PLC控制切割执行机构进行往复追踪和同步切割。控制系统原理图如图1所示，控制系统由机械装置和电气控制两大部分组成。机械装置由主轴送料机构、从轴移动追踪机构和剪切执行机构三部分组成。1）主轴送料机构：该部分是电子凸轮运动中的主轴。主要由传送带机构、E40S6－1000－3－N－24增量型旋转编码器、61K180RGU－CF调速电机及US6200C电机调速器组成。将传送带上行进的物料连续平稳的送入剪切执行机构内，旋转编码器安装在传送带的调速电机输出轴上，实时检测送料速度和长度。2）移动追踪机构：该部分是电子凸轮运动中的从轴。主要由台达ASD－A2－0221－M伺服电机及驱动器加上单轴模组（滑台）组成，伺服电机驱动器通过主轴旋转编码器的反馈追踪主轴的运动过程，驱动剪切执行机构在滑台上往复运动，实现移动追踪。3）剪切执行机构：剪切执行元件选用TCL12X80S气缸，气缸动作方向由4V110－M5单电控电磁换向阀控制，气缸运动位置由磁性开关检测，气缸与锯刀连接，用来将物料剪切成需要的长度，实现剪切动作。电气控制部分以S7－200SMARTPLC为主控制器，PLC控制中间继电器启动电机调速器，驱动主轴调速电机匀速送料。主轴旋转编码器信号实时传送到PLC的高速计数器，PLC计算送料速度及尺寸，规划伺服驱动器完成往复追踪，在同步区和物料送料达到同步时控制电磁阀驱动气缸带动锯刀进行切割，剪切执行机构原点位置以及极限位置由光电接近开关检测。采用昆仑通态TPC7062TX触摸屏与PLC实现I／O交互，完成设备监控等功能。
2硬件设计
2．1系统接线
PLC选用西门子S7－200SMART，CPU为ST60，标准型CPU模块，晶体管输出可满足高速脉冲输出操作，24VDC供电，4个高速计数器、3个高速脉冲输出端［3］。PLC的I／O分配表如表1所示，系统硬件接线图如图2所示。PLC与伺服驱动器的接线：伺服电机及驱动器型号为ASD－A2－0221－M，额定输入功率220W，额定输入电压220V。伺服电机编码器输出信号接到驱动器的编码器接入端（CN2），相关I／O控制信号端口（CN1）与PLC相连接，DO端D03（Pin3）、DO2（Pin5）、DO1（Pin7）分别连接PLC的I2．2、I2．1、I2．0用于采集伺服电机报警、准备就绪及启动信号。DI端DI1(Pin9)伺服启动信号ON和DI2(Pin30)紧急停止信号EMGS分别通过中间继电器KA1和KA2连接到PLC的Q1．2和Q1．3，用于控制伺服电机的启停。伺服驱动器脉冲信号PULS和方向信号SIGN分别连接到PLC的Q0．0和Q0．1。PLC与传感器的接线：旋转编码器型号E40S6－1000－3－N－24，三相脉冲采用NPN型集电极开路输出，分辨率1000。A、B、Z三相输出端与PLC的高速计数器HC0的输入端I0．0、I0．1和I0．2连接。光电式接近开关为三线制，连接PLC输入，用于检测剪切机构原点和极限位置。磁性开关为两线制，连接PLC输入，用于检测剪切气缸活塞位置。主轴调速电机的启停由中间继电器KA3控制，KA3线圈连接到Q1．4。剪切气缸运动方向由电磁换向阀YV1控制，YV1线圈连接到Q1．0。采用MCGSTPC嵌入式一体化触摸屏，型号为TPC7062TX，触摸屏与PLC连接时使用公母头连接器进行连接，公头的3号触点与母头的7号触点，8号触点与母头的8号触点连接。
2．2伺服驱动器的参数设置与调整
伺服相关参数设置情况如表2所示。将控制方式设置为脉冲＋方向方式，控制模式设置为位置控制即命令来源为外部脉冲输入。设置DI1输入功能为伺服启动，输入接点为常开；设置DI2输入功能为伺服急停，输入接点为常开，均由PLC控制。设置DO1输出功能为伺服启动、DO2输出功能为伺服准备好、DO3输出功能为伺服报警，DO1、D02、D03的输出信号均由PLC输入端口采集获得。根据表2计算电机实际转一圈所需脉冲数＝分辨率／（电子齿轮比分子（N1）／电子齿轮比分母（M））＝1280000／（1280／1）＝1000，故所选的主轴旋转编码器分辨率符合设计要求。
3软件设计
3．1参数计算
若PLC读取旋转编码器在T（s）内发送了N个脉冲，已知编码器的分辨率M为1000。主轴速度V1的计算：实验设备测得传送带轴的直径为d＝50mm，则主轴电机每旋转一周传送带实际移动位移L＝πd，则两个脉冲之间位移即脉冲当量L1＝πdM，则在T（s）时间内主轴的速度V1（mm／s）可表示为：V1＝NL1T＝NπdMT（1）从轴速度V2的计算：实验设备测得从轴电机每旋转一周实际位移为10m，即丝杆的螺纹螺距s，则从轴的脉冲当量L2＝SM。则在T（s）时间内从轴的速度V2（mm／s）可表示为：V2＝NL2T＝NSMT（2）由式（1）和（2）得出主轴与从轴速度比＝V1V2＝πdS≈1500mm10mm＝151（3）
3．2程序流程
追剪伺服控制主程序流程图如图3所示。系统程序包括主程序、主轴运行测速子程序、从轴回原点子程序、HSC0＿INIT子程序等模块。主轴运行测速子程序主要功能是启动主轴电机、读取高速计算器HC0当前值、测算主轴速度并根据式（3）计算从轴速度。从轴回原点子程序主要功能是找到从轴运行起始点，确保系统启动和每次剪切完成后从轴电机能够准确回到原点位置。使用S7－200SMART运动轴来控制伺服电机的速度和运动，使用SM0．0触点确保每次扫描时都能执行AX-IS0＿CTRL指令启用和初始化运动轴，使用AXIS0＿GOTO指令将电机移动到指定位置。HSC0＿INIT子程序主要功能是初始化和启动HC0计数。PLC上电后，主程序首先调用主轴运行测速子程序和从轴回原点子程序，然后通过中间继电器线圈Q1．2得电启动伺服电机。设置剪切长度，通过比例关系测算同步区长度和伺服返回用长度（实际剪切长度－同步区长度＝返回用长度）。满足运行条件即剪切机构处于初始状态，调用HSC0＿INIT子程序，HC0选择模式9。PLC读取HC0当前值存在VD600中，当HC0当前值对应的位移量等于从轴返回用长度时，启动从轴移动。当HC0当前值对应的位移量等于实际剪切长度时，剪切电磁阀线圈Q1．0得电，驱动剪切气缸下降，进行切割。切割完后气缸复位，HC0当前值归零，从轴返回到原点位置后停止，准备下一次追剪动作。
4触摸屏组态画面设计
采用MCGSE组态环境实现追剪伺服系统的监控，设置控制参数进行系统实时监控，与PLC实现I／O交互。对系统中的剪切长度、同步区长度、返回用长度以及旋转编码器脉冲数、剪切机构位置等信息进行采集，实时监控主轴电机、从轴电机、剪切机构的当前状态。同时具有历史和实时数据曲线、数据报表以及报警画面等功能。
5结束语
追剪运动控制在管材型材的定长裁剪中应用广泛，具有很好的应用前景。本文设计的追剪伺服控制系统已在自主研发的模拟追剪控制实验平台上进行了验证，该控制系统裁切精准，运行可靠，在切割时裁切设备与型材切割位置相对静止，无相对滑动。实验设备已应用在高职机电类专业运动控制模块的创新训练中，效果良好。
作者：王琰 单位：南京科技职业学院电气与控制工程学院