西门子CPU模块6ES7215-1BG40-0XB0
引言
剪折机是服装、鞋类等行业的商标加工类设备。剪折机用于带状商标剪切和折烫成型加工，通过切刀对商标进行冷切或者热切，经过模具对剪切完成的商标进行各种形状的折烫，可以实现对商标的切片、两边折、对折、中间折等，实现带状商标加工。自动剪折机外观如图1所示。模具和各种剪折方式如图2所示。
传统的剪折机是以仪表显示为主，采用单板机等嵌入式专用系统实现控制，商标长度通过机械调节。为了市场需求和自身发展要求，应用PLC和变频器以及触摸屏等通用电气自动化平台技术开发全自动化剪折机，是剪折机设备厂家的迫切需求。
图1 自动剪折机外观图
图2 模具和各种剪折方式
2 系统设计
2.1 系统分析
原剪折机是由电机带动凸轮机构使送料机构送料、模具来回运动和切刀上下运动，一个行程完成送料、剪切和折烫等动作，电机速度、手自动启停控制、状态检测和故障判断则由单片机控制板控制，每次加工不同长度的商标之前，需要手动调整转盘，从而设置出所需长短尺寸，用户反应该电气配置存在配件采购麻烦，控制板电气保护差、维护困难的缺点，希望能通过电气改造提高机器的性能和使用便利性。
2.2 台达自动化平台设计
根据机器的特点和用户需求，项目设计基于台达自动化体系平台。选用台达的SC系列PLC来替代控制板做为控制用，M变频器进行电机控制，3.8吋触摸屏取代面板按钮；计数器，定长送料部分则由步进电机控制。
（1）PLC部分：选用台达12SC11T主机，如图3所示。
图3 SC主机外观图
该主机是台达S系列中偏向运动控制的一款，非常适合需要高速控制定位的场合，比如伺服位置控制，数控加工等，本机配置点数比较精简，可以通过其强大的扩展功能轻易实现多点数，本项目中加16SP（DI8点，DO8点）做为I/0扩展用。
（2）变频器部分：选用台达M系列015M21A型变频器，如图4所示。
图4 台达M系列变频器
特点：
·输出频率0.1~400Hz
·可设定V/F以及矢量控制
·载波频率可达15kHz
·支持MODBUS通讯
·内含PID反馈功能
·零速力矩保持功能
M系列台达变频器家族中的迷你高功能型，应用广泛，本项目中主要利用其变频和通讯功能，通过MODBUS通讯可以很方便地实现上位机对变频器进行参数设定和读取，从而实现对机器速度的准确实时监控。
（3）人机界面：选用台达3.8吋AS3.8BSTD型触摸屏，如图5所示。
图5 台达AS触摸屏
特点：
·8灰接蓝白STN，256色
·解析度：320*240像素
·支持RS485/RS232/RS422通讯
·支持USB存储、鼠标、打印
通过台达人机可以方便地控制和监视，原按钮和计数器功能都可以通过画面实现，使控制箱面板更加简洁，提高了产品的档次，适应了市场需求。
3 控制系统设计
3.1 主驱电机
主机要求速度达到0~150切/分，送料长度控制在0.2mm精度，工作长度范围在40mm-240mm。电机减速比设计为1：10，若要求达到200切/分，则当电机转速：n=150*10=1500转/分，要求输出频率为：f=n·p/60=1500·2/60=50Hz，速度要求满足。
3.2 送料步进电机
送料长度由步进电机控制，要求控制精度为0.2mm，送料辊周长115mm，减速比1:2，设置步进驱动器细分数使每转一圈对应脉冲数为600，送料辊每转1圈电机需转2圈，则每个脉冲对应送料长度为：L=115/2*600=0.096mm<0.2mm，满足控制要求。
3.2 PLC高速脉冲输出接口
送料长度范围40mm~240mm，则要求每次发送脉冲数为416~2500。*大速度150切/分，每完成一次动作的*短时间为0.4秒，每次送料占用时间是总行程的1/2，则送料*短时间为0.2秒，由于加减速时间和找标的时间大致为0.1秒，要求脉冲发送频率*高：2500/0.1=25000脉冲/秒，SC*高可以输出频率达到200kHz，SC系列PLC高速脉冲输出接口完全满足要求。
3.4 定标实现
带状商标上有位置色标，色标间隔反应了商标的长度。定标送料就是通过光学传感器检测色标位置，每次检测到色标就停止送料，等待切刀完成剪切动作。由于步进电机的特点，当起始发送脉冲频率过高则容易出现失步堵转，需降低起始频率，通过一个加速和减速过程，即以较低的速度起动，而后逐渐加速到某一速度运行，再逐渐减速直至停止。进行合理、平滑的加减速控制是保证步进驱动系统可靠、高效、**运行的关键。
定标采用两步走的方式，先按设定长度高速走一段定长，通过D1340设置加减速时间，离色标还有1~2mm的距离时开始低速找标，色标检测到则产生一个中断信号进PLC，在中断程序中对M1334进行置位，使DDRVI的Y10立刻停止脉冲输出，电机马上停止。
3.5 PLC接口设计（表1）
表1 I/O接口定义
注：晶体管输出信号经过继电器转接后控制外部电路。
一：工位介绍
1：如下图一所示：图一当中由左到右工位依次为限位板工位，限位圈工位，端子工位，安装板工位，座销工位。其中端子工位，安装板工位，座销工位带有双头气缸，而限位板工位，限位圈工位则为单气缸。
图一：工位分布图
2：如下图二：为安装板工位，座销工位的图示
工位性能特点:
1、 双气缸单变压器结构，气缸的横向距离可调。
2、适合于焊点排布在一条直线的焊接工件，双气缸交替工作，减少了工件移动和对位时间，提高工作效率。
3、双气缸电极输出电流可根据规范调整。
主要技术参数说明：
1、两气缸（中心距离）可调距离：100mm--800mm
2、焊机功率输出：50KVA--150VA
3、两气缸直径：63mm-100mm
二：工艺规范
1：规范
不同工位控制器的选择规范，通过人机界面自动设定选择规范序列号，如下图三，不同工位根据不同的规范来调整不同的焊接工艺，规范不同焊接参数不同。
焊接参数包括：预加压时间，加压时间，电流递增时间，焊接1时间，焊接1电流，冷却1时间，焊接2时间，焊接2电流，冷却2时间，第2脉冲循环次数，焊接3时间，焊接3电流，电流递减时间，维持时间，休止时间等。
图三：参数显示设定监视自动运行画面
2：电源指示灯可以监控到五工位中哪一工位处于通电状态
3：警报指示灯：可分别指出各工位水压气压不足时提示报警
4：状态：正在焊接，放电或者等待状态（已经按下双手控制按钮处于排队等待状态）
5：班计数：可以计算工作产量
三：操作流程
1：自动运行
在监控画面（图三）进行自动运行，启动电源，判断5工位是否有启动信号，启动信号由PLC直接发给各工位的控制器，控制器接收到启动信号后，按照主机优先的权限进行给定，五台设备焊接互锁，保证同一时间只有一台工位进行焊接，如果主机端子工位有启动信号的话以主机为优先工作，否则按照其他各工位启动请求先后进行独立工作。
三相控制器按照人机界面选择的规范进行焊接，三相控制器焊接结束后提供焊接完成信号给PLC，PLC执行气缸复位等待下一次工作。
2：手动运行
如下图四为手动运行画面，只有主机也就是端子工位有手动运行功能，其他四个工位则没有手动运行的功能,在手动运行画面时只有主机方可工作,其它工作不能动作.
手动功能画面当中可以设定左右气缸向上运行的时间,调整时间保证气缸上升到位.
图四：手动运行画面
四：人机界面页面说明
1：图五为总加工量显示和清零画面
图五：总加工量图示
2：图六为安装板和座销双头工位左气缸延时上升时间设定画面
安装板和座销工位左右气缸不是工作，左边的先下降工作，工作结束之后等待右边气缸下降压紧工件后左边气缸方可上升返回，防止正在焊接的工件错位。
图六：时间设定画面
3：图七为主机也就是端子工位规范选择子画面主机左右工位规范选择不同的焊接工艺
图七：主机规范选择子画面
4：图八为安装板规范选择子画面，在自动运行画面当中点击安装板规范后画面会自动跳到此子画面进行相关规范参数的设定
图八：安装板规范选择子画面
5：图九为座销规范选择子画面，在自动运行画面当中点击座销规范后画面会自动跳到此子画面进行相关规范参数的设定
图九：座销规范选择子画面
五：控制器
此生产线所使用的控制器为数控工频电阻焊机控制器18B系列，台达DOP-A57GSTD人机界面和DVP-48EH00T2PLC，如下图十、图十一
图十：控制器机身安装图
图11：人机界面安装图
1：控制器主要特点:
·焊接过程由控制器进行闭环控制，在电网电压波动和焊接负载变化的情况下，都可保证焊接电流恒定，保证焊点质量。
· 具有恒电流、恒电压和恒相角三种控制功能。
· 可进行两个加压电磁气阀控制（带增压控制）。
· 具有4/15规范选择功能。
· 具有单点焊和连续点焊功能。
· 多窗口编程器显示，操作简单方便。
· 具有断电数据保存功能，断电十年数据不丢失。
· 具有出错自检测功能，各种异常情况以数字显示。
2：PLC&HMI和控制器信号沟通定义表
PLC提供启动信号给控制器：X20-X25
控制器提供焊接完成终了信号给PLC：X0-X4
PLC提供给捉控制器规范选择信号:Y12-Y15(主机及端子) Y16-Y17(安装板)Y20-Y21(座销)
Y22,Y23分别限位圈及限位板.
警灯信号:Y25-Y27分别显示红色黄色及绿色,红色表示总机中有气压低故障,黄色表示总机中有水压低故障,绿色则表示总机有一机正在焊接.具体信息查看(图三)人机画面.
通过PLC&HIM控制五个工位焊接互锁,保证在同一时间内只有一个工位通电焊接.减小电网波动.
六：结束语
台达PLC&HMI在焊接生产线上的成功应用为我们在焊接设备领域提供了成功的系统应用集成。
中达电通主要为中国*具成长潜力的通信及自动化市场提供设备和服务。其主要产品和服务包括视讯设备、动力系统、宽带数据和机电自动化四个方面。
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