和利时LM系列PLC在液压板料折弯机中的应用
日期：2009-7-23 23:45:00 来源：中国自动化网
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和利时LM系列PLC在液压板料折弯机中的应用
李银川
（北京和利时自动化驱动技术有限公司 ，北京，100176）
摘要 本文介绍了LM系列PLC在液压板料折弯机中应用。通过标准MODBUS协议进行上、下位机通讯，实现了一体化控制。利用高速PTO脉冲输出方式，驱动挡料和角度调整两个伺服电机工作，达到了精确定位和角度调整，保证了设备控制要求及运行效果。
关键词：折弯机；伺服控制；PLC控制系统；触摸屏
中图分类号：TP29 文献标识码：B
文章编号：
基于伺服电机直接驱动的折弯机数控技术是九十年代发展起来的高新技术,属于先进制造技术前沿。它的研究和开发工作对于提高国产设备综合性能指标和打破国外在这一技术上的垄断位置有重要意义。随着PLC和触摸屏技术的发展，在折弯机中的应用都得到了很快的发展，为折弯机控制系统提供了新思路、新方法，也为生产效率的提高、为人类上产和生活水平的提高有着重要意义。PLC和触摸屏均采用开放性的编程方式，为折弯机的灵活性和创新性的控制方法提供了基础。
液压板料折弯机设备外形见图1，其结构主要由机架、脚踏开关、折弯角度定位机构、水平挡料定位机构、下压折弯机构和电气控制系统等组成。
折弯角度定位机构由伺服电机和链条传动机构组成，可根据设定的折弯角度微调或自动进行高度调整，保证了高度定位的精度。水平挡料机构由伺服电机和丝杠传动机构组成，进行折弯工件的宽度定位，可微调定位也可自动定位，连续折弯中可进行多工步自动选择，依次实现对多个位置的定位折弯。下压折弯有液压机构执行，配合脚踏开关可进行点动、单次和连续三种工况。
折弯机工作过程可分为点动、单次和连续三种工作方式。
点动：选择点动操作档位，踩下脚踏慢进，下压折弯机构自动下压，碰下行程开关停止下压；下压过程松脚踏慢进，停在当前运行位置；下压过程踩下脚踏回程，下压折弯机构自动回程，碰上行程停止回程；回程过程松开脚踏回程，停在当前回程位置。
单次：设定保压时间，卸压时间，水平挡料进、退距离，调整好水平挡料位置；选择单次操作档位，下压折弯机构不在上行程开关位，首先自动回上行程开关位；踩下脚踏慢进，下压折弯机构自动下压；碰下行程开关时，水平挡料机构后退设定距离，同时自动进行保压；保压时间到自动进行卸压，卸压时间到下压折弯机构自动回程，同时水平挡料机构自动前进设定距离；碰上行程开关，单次折弯动作结束。
连续（工步）：
（1）设定保压时间，卸压时间，水平挡料进退距离，调整好水平挡料位置；
（2）设定工步数以及每个工步的挡料位置、折弯张数；
（3）选择连续操作档位，下压折弯机构不在上行程开关位首先自动回上行程开关位；踩下脚踏慢进，下压折弯机构自动下压；碰下行程开关时，水平挡料机构后退设定距离，同时自动进行保压；保压时间到自动进行卸压，卸压时间到下压折弯机构自动回程，同时水平挡料机构自动前进设定距离；碰上行程开关，一次折弯动作结束，进行下一次折弯。
（4）当前工步折弯次数完成，碰上行程开关，水平挡料位置自动进行调整，进入下一工步折弯动作。
（5）所有工步动作完成，碰上行程开关，连续折弯动作结束。
图3 工步工作流程图
液压板料折弯机控制系统由控制部分、驱动部分和监控部分组成。系统结构如图4所示。
PLC工作方式又扫描方式和中断方式，所谓扫描方式是周而复始的执行一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期，其扫描的工作过程如下：
（1）读输入：将物理输入点上的状态复制到输入过程映像寄存器中。
（2）执行逻辑控制程序：执行程序指令并将数据存储在变量存储区中。
（3）处理通讯请求：即执行通讯任务。
（4）执行CPU自诊断：检测固件、程序存储器和扩展模块是否工作正常。
（5）写输出：在输出过程映像寄存器中存储的数据被复制到物理输出点。
中断方式是指当中断事件发生时则立即执行一次相应的中断服务程序，不受扫描周期的影响，响应速度快，从而进一步提高了PLC控制的可靠性。中断事件不发生时，不扫描中断服务程序，这样可以节约扫描时间，减少扫描周期。
（1）PLC逻辑判断和控制能力强，抗干扰能力强，可靠性好。PLC从硬件上采用隔离、滤波措施有效地抑制和消除了干扰。
（2）扩展性和柔性好，且可移植性好，在不改变硬件的情况下，只改变软件的程序就可以实现不同的功能。
（3）编程语言丰富，可以采用不同语言编写程序，? LM系列PLC支持6种编程语言，包括：梯形图（LD）、指令表（IL）、结构化文本（ST）、功能块图（FBD）、顺序功能图（SFC）和连续功能图（SFC）。给编写程序带来很大方便。
监控系统要实现功能主要是：（1）控制参数的设置；（2） 状态和数据显示；（3） 液压板料折弯机控制。本系统采用主、从站方式，通过MODBUS标准协议实现该监控系统的通讯功能，其中主站选用和利时触摸屏。考虑到控制系统的安全性和抗干扰性要求，结合PLC的特点，该系统控制部分采用PLC控制。从站选用LM系列PLC。其结构图如图4所示。
图4 控制系统结构图
本系统采用 LM系列专用高速运动控制模块LM3106A控制。LM3106A是专为实现高速运动控制而设计的模块，主要用于实现步进或伺服电机的定位控制。
LM3106A本体集成14通道24VDC输入， 10通道晶体管输出，其输出有2个公共端， 输出通道采用5-24VDC驱动电源供电，具有两路高速输出，可做PWM(100KHz)或PTO(50KHz)使用，另外，还可以通过RS-232通讯口与和利时触摸屏进行通讯。
表1为控制系统的I/O配置。
表1 系统I/O分配表
液压板料折弯机驱动部件主要包括挡料伺服电机、角度伺服电机和竖直液压气动装置。
伺服电机及驱动器均采用和利时公司的产品，其中“蜂鸟（Hummer）”系列低压无刷伺服电机驱动器是北京和利时电机公司最新推出的适合低压直流供电的、小体积、高性能全数字伺服驱动器。硬件上采用32位高速RISC专用控制芯片,高效功率变换技术，以及创新编码器反馈技术；软件上采用最先进的电机控制策略，完全以软件方式实现了电流环、速度环、位置环的闭环伺服控制；驱动器嵌入了高级运动控制功能，通过通讯接口即可完成如多段点到点、直线插补、圆弧插补等功能。挡料和折弯角度分别采用伺服电机进行定位，达到了精确定位和角度调整，保证了设备控制要求及运行效果。
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和利时LM系列PLC在液压板料折弯机中的应用
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（北京和利时自动化驱动技术有限公司 ，北京，100176）
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摘要 本文介绍了LM系列PLC在液压板料折弯机中应用。通过标准MODBUS协议进行上、下位机通讯，实现了一体化控制。利用高速PTO脉冲输出方式，驱动挡料和角度调整两个伺服电机工作，达到了精确定位和角度调整，保证了设备控制要求及运行效果。
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关键词：折弯机；伺服控制；PLC控制系统；触摸屏
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中图分类号：TP29 文献标识码：B
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文章编号：
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1 引言
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基于伺服电机直接驱动的折弯机数控技术是九十年代发展起来的高新技术,属于先进制造技术前沿。它的研究和开发工作对于提高国产设备综合性能指标和打破国外在这一技术上的垄断位置有重要意义。随着PLC和触摸屏技术的发展，在折弯机中的应用都得到了很快的发展，为折弯机控制系统提供了新思路、新方法，也为生产效率的提高、为人类上产和生活水平的提高有着重要意义。PLC和触摸屏均采用开放性的编程方式，为折弯机的灵活性和创新性的控制方法提供了基础。
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2 液压板料折弯机介绍
2．1 液压板料折弯机设备结构
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液压板料折弯机设备外形见图1，其结构主要由机架、脚踏开关、折弯角度定位机构、水平挡料定位机构、下压折弯机构和电气控制系统等组成。
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折弯角度定位机构由伺服电机和链条传动机构组成，可根据设定的折弯角度微调或自动进行高度调整，保证了高度定位的精度。水平挡料机构由伺服电机和丝杠传动机构组成，进行折弯工件的宽度定位，可微调定位也可自动定位，连续折弯中可进行多工步自动选择，依次实现对多个位置的定位折弯。下压折弯有液压机构执行，配合脚踏开关可进行点动、单次和连续三种工况。
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2.2 液压板料折弯机工作过程
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折弯机工作过程可分为点动、单次和连续三种工作方式。
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点动：选择点动操作档位，踩下脚踏慢进，下压折弯机构自动下压，碰下行程开关停止下压；下压过程松脚踏慢进，停在当前运行位置；下压过程踩下脚踏回程，下压折弯机构自动回程，碰上行程停止回程；回程过程松开脚踏回程，停在当前回程位置。
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单次：设定保压时间，卸压时间，水平挡料进、退距离，调整好水平挡料位置；选择单次操作档位，下压折弯机构不在上行程开关位，首先自动回上行程开关位；踩下脚踏慢进，下压折弯机构自动下压；碰下行程开关时，水平挡料机构后退设定距离，同时自动进行保压；保压时间到自动进行卸压，卸压时间到下压折弯机构自动回程，同时水平挡料机构自动前进设定距离；碰上行程开关，单次折弯动作结束。
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连续（工步）：
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（1）设定保压时间，卸压时间，水平挡料进退距离，调整好水平挡料位置；
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（2）设定工步数以及每个工步的挡料位置、折弯张数；
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（3）选择连续操作档位，下压折弯机构不在上行程开关位首先自动回上行程开关位；踩下脚踏慢进，下压折弯机构自动下压；碰下行程开关时，水平挡料机构后退设定距离，同时自动进行保压；保压时间到自动进行卸压，卸压时间到下压折弯机构自动回程，同时水平挡料机构自动前进设定距离；碰上行程开关，一次折弯动作结束，进行下一次折弯。
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（4）当前工步折弯次数完成，碰上行程开关，水平挡料位置自动进行调整，进入下一工步折弯动作。
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图3 工步工作流程图
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3监控系统设计
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液压板料折弯机控制系统由控制部分、驱动部分和监控部分组成。系统结构如图4所示。
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3．1 PLC介绍
3.1.1 PLC工作原理
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PLC工作方式又扫描方式和中断方式，所谓扫描方式是周而复始的执行一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期，其扫描的工作过程如下：
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（1）读输入：将物理输入点上的状态复制到输入过程映像寄存器中。
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（2）执行逻辑控制程序：执行程序指令并将数据存储在变量存储区中。
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（3）处理通讯请求：即执行通讯任务。
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（4）执行CPU自诊断：检测固件、程序存储器和扩展模块是否工作正常。
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（5）写输出：在输出过程映像寄存器中存储的数据被复制到物理输出点。
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中断方式是指当中断事件发生时则立即执行一次相应的中断服务程序，不受扫描周期的影响，响应速度快，从而进一步提高了PLC控制的可靠性。中断事件不发生时，不扫描中断服务程序，这样可以节约扫描时间，减少扫描周期。
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3.1.2 PLC特点
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（1）PLC逻辑判断和控制能力强，抗干扰能力强，可靠性好。PLC从硬件上采用隔离、滤波措施有效地抑制和消除了干扰。
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（2）扩展性和柔性好，且可移植性好，在不改变硬件的情况下，只改变软件的程序就可以实现不同的功能。
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（3）编程语言丰富，可以采用不同语言编写程序，? LM系列PLC支持6种编程语言，包括：梯形图（LD）、指令表（IL）、结构化文本（ST）、功能块图（FBD）、顺序功能图（SFC）和连续功能图（SFC）。给编写程序带来很大方便。
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3．2 监控系统方案
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监控系统要实现功能主要是：（1）控制参数的设置；（2） 状态和数据显示；（3） 液压板料折弯机控制。本系统采用主、从站方式，通过MODBUS标准协议实现该监控系统的通讯功能，其中主站选用和利时触摸屏。考虑到控制系统的安全性和抗干扰性要求，结合PLC的特点，该系统控制部分采用PLC控制。从站选用LM系列PLC。其结构图如图4所示。
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图4 控制系统结构图
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3.3 控制系统硬件
3.3.1 PLC选型
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本系统采用 LM系列专用高速运动控制模块LM3106A控制。LM3106A是专为实现高速运动控制而设计的模块，主要用于实现步进或伺服电机的定位控制。
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LM3106A本体集成14通道24VDC输入， 10通道晶体管输出，其输出有2个公共端， 输出通道采用5-24VDC驱动电源供电，具有两路高速输出，可做PWM(100KHz)或PTO(50KHz)使用，另外，还可以通过RS-232通讯口与和利时触摸屏进行通讯。
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表1为控制系统的I/O配置。
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表1 系统I/O分配表
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WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 信号类型 WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网 |
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 设备名称 WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网 |
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网 PLC地址 WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网 |
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户) 信号类型 WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户) |
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户 设备名称 WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网 |
WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网 PLC地址 WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网 |
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 ——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户 WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网 WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户) 开关量输入信号（DI） WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 |
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网 上行程开关 WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户) |
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户 %IX0.4 WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网 |
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户 WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网 开关量输出信号（DO） P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户 |
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 快进 WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 |
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WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户) 连续选择按钮 WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户) |
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WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 慢进 WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户) |
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——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户 点动选择按钮 WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网 |
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WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网 回程 WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 |
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plcjs.技.术_网 下行程开关 W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网 |
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WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户) 角度步进脉冲 WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网 |
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P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户 单次选择按钮 WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网 |
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W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网 角度步进方向 plcjs.技.术_网 |
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WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户) 慢进脚踏 WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网 |
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W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网 挡料步进方向 plcjs.技.术_网 |
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WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户) 回程脚踏 WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户) |
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plcjs.技.术_网 挡料步进脉冲 WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网 |
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3.3.2 驱动电机选型
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液压板料折弯机驱动部件主要包括挡料伺服电机、角度伺服电机和竖直液压气动装置。
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伺服电机及驱动器均采用和利时公司的产品，其中“蜂鸟（Hummer）”系列低压无刷伺服电机驱动器是北京和利时电机公司最新推出的适合低压直流供电的、小体积、高性能全数字伺服驱动器。硬件上采用32位高速RISC专用控制芯片,高效功率变换技术，以及创新编码器反馈技术；软件上采用最先进的电机控制策略，完全以软件方式实现了电流环、速度环、位置环的闭环伺服控制；驱动器嵌入了高级运动控制功能，通过通讯接口即可完成如多段点到点、直线插补、圆弧插补等功能。挡料和折弯角度分别采用伺服电机进行定位，达到了精确定位和角度调整，保证了设备控制要求及运行效果。
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