1 前言

過(guò)去的石材切割設(shè)備多采用手動(dòng)控制或是繼電器控制，存在著故障率高、維修性差、自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)。而可編程控制器(PLC)以其運(yùn)行穩(wěn)定可靠、抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)，在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用^[1]。作者設(shè)計(jì)以PLC為控制核心的石材切割機(jī)，實(shí)現(xiàn)了石材切割過(guò)程的全自動(dòng)化控制，通過(guò)人機(jī)界面操作，完成對(duì)工作參數(shù)的修改設(shè)定、工作運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和診斷調(diào)試等工作^[2]。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本石材切割鋸是由切割刀組、石料輸送臺(tái)、定位導(dǎo)板及機(jī)架組成。切割刀組在石料輸送臺(tái)上部并置于機(jī)架上，切割刀組之間固定定位導(dǎo)板；切割刀組由電動(dòng)機(jī)、皮帶、刀輪軸、切割刀具組成，切割刀具固定在刀輪軸上^[3]。設(shè)備需要控制床身的平移以及鋸片的回轉(zhuǎn)、升降和行走。鋸片電機(jī)用于切割石料，鋸片可以在X、Z兩個(gè)方向移動(dòng)^[4]。料車(chē)在Y方向移動(dòng)，通過(guò)變頻器調(diào)整進(jìn)給速度。圖1為設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1為設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制器采用海為S16ZA220R型PLC，自身帶有一路模擬量輸入和一路模擬量輸出，模擬量輸入采集鋸片電機(jī)電流信號(hào)，模擬量輸出控制變頻器的頻率，變頻器驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電機(jī)。各個(gè)方向的限位信號(hào)作為開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)，開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)控制鋸片的升降、移動(dòng)。采用三凌公司SLJD MD204LV4文本顯示器。圖2為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制程序啟動(dòng)之前，必須先啟動(dòng)水泵和鋸片電機(jī)，當(dāng)鋸片電機(jī)完全啟動(dòng)后，鋸片電機(jī)的電流上升至空轉(zhuǎn)電流值，通過(guò)智能電子儀表WPC803輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)。這個(gè)信號(hào)作為自動(dòng)或手動(dòng)操作的允許信號(hào)。確定鋸片電機(jī)啟動(dòng)后，鋸片電機(jī)下降，進(jìn)給電機(jī)在X軸方向移動(dòng)開(kāi)始進(jìn)給。檢測(cè)鋸片電機(jī)電流，當(dāng)鋸片電機(jī)電流達(dá)到設(shè)定值后啟動(dòng)PID控制。

在控制系統(tǒng)控制下，鋸片在X方向移動(dòng)，鋸片旋轉(zhuǎn)，對(duì)石料進(jìn)行切割。當(dāng)完成一個(gè)方向的一次切割后，鋸片電機(jī)電流減少，控制系統(tǒng)自動(dòng)退出PID控制。鋸片下降，通過(guò)時(shí)間判斷鋸片電機(jī)是否下降到位，若下限行程開(kāi)關(guān)未觸發(fā)，鋸片下降設(shè)定時(shí)間停止；若下限行程開(kāi)關(guān)觸發(fā)，立即停止下降，然后鋸片開(kāi)始X軸的另一個(gè)方向移動(dòng)。當(dāng)鋸片切割到石料，鋸片電機(jī)電流增大，控制系統(tǒng)判斷后自動(dòng)啟動(dòng)PID控制，如此循環(huán)。當(dāng)達(dá)到切割深度時(shí)，鋸片升起，上限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，石料在Y方向移動(dòng)要求板材厚度，開(kāi)始新一片的切割。達(dá)到設(shè)定的切割片數(shù)后系統(tǒng)停止。本系統(tǒng)采用的PID控制，通過(guò)調(diào)整石料進(jìn)給速度，使鋸片電機(jī)電流在石料切割過(guò)程中保持恒定，保證了鋸片電機(jī)的安全運(yùn)行，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。在切割啟動(dòng)階段，鋸片以較低的速度進(jìn)給，保護(hù)了鋸片的安全。在每次下降時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部都將產(chǎn)生下降標(biāo)志，如果橫向電機(jī)故障，產(chǎn)生移動(dòng)信號(hào)但不移動(dòng)，會(huì)使電流始終在下限以下，不加標(biāo)志判斷，會(huì)出現(xiàn)連續(xù)下降。加了左右判斷標(biāo)志，杜絕了類(lèi)似故障。系統(tǒng)中加入了欠流停機(jī)功能，當(dāng)晚上無(wú)人看守時(shí)，如果出現(xiàn)變頻器故障，鋸片電機(jī)將一直處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，10分鐘后，如果電流未上升，將會(huì)故障輸出，自動(dòng)停機(jī)。圖3為控制過(guò)程的控制框圖

圖3為控制過(guò)程的控制框圖

3.3 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

        文本操作界面設(shè)計(jì)除了切割頁(yè)數(shù)，石板厚度等常用參數(shù)外，只有起動(dòng)、停止、復(fù)位按鈕，降低了用戶的學(xué)習(xí)難度。其他參數(shù)均在密碼頁(yè)面以內(nèi)，基本操作用戶無(wú)法進(jìn)入，密碼內(nèi)的部分參數(shù)需要安裝人員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，之后不再改動(dòng)，放在密碼界面也有效的避免用戶無(wú)意間更改而造成的麻煩。具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

 圖4控制器自動(dòng)切割操作界面

4 結(jié)論

        本控制器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境使用，實(shí)現(xiàn)了控制工藝參數(shù)設(shè)定，控制過(guò)程的自動(dòng)化。可以根據(jù)鋸片電機(jī)的電流實(shí)時(shí)控制切割速度，減小了對(duì)鋸片的損壞，提高了工作效率，保護(hù)鋸片電機(jī)不被高電流燒壞。PID控制也同時(shí)解決了晝夜電源電壓變化大所造成的不良后果，達(dá)到了很好的自動(dòng)切割石材的效果。