基于微型折弯机的自动控制系统设计

林光启，侯俊哲，陈 浩，何铭林，黄凌森

（华南理工大学广州学院，广东 广州510800）

0 前言

随着信息技术的不断发展和产业升级的日益增长，控制一体化已成为一种趋势，其重要性越来越明显。产业升级推动市场的进一步发展，工业控制中从手动到自动的演变是其中一个体现。PLC是目前相当成熟的技术，在系统稳定性、可移植性、安全性等方面都比较可靠[1]。在现基础上，基于PLC对微型折弯机的自动控制系统进行设计具有良好的可行性，顺应了现在的市场发展趋势，有着开阔的市场价值。

1 基于PLC的自动控制系统设计

1.1 系统工作流程图

通过以PLC为控制中心来实现折弯机的自动控制系统功能，需要将控制和检测信号通过按钮和传感器输入到PLC，再通过PLC内部程序的运算和判断，从PLC输出信号到变频器，从而调节电机的转向和转速，最终实现PLC控制系统对于折弯机工作的控制。折弯机的启动、复位和急停，都可以通过控制盒上的按钮来进行操作，输出则可以通过接触器、电磁阀等执行机构完成。基于微型折弯机的自动控制系统流程图如图1所示。

图1 系统工作流程图

1.2 I/O分配

PLC的I/O地址分配涉及到对PLC输入和输出的情况，表1是对相关元器件符号、功能、输入和输出的阐述。

表1 PLC的I/O分配说明

1.3 可编程控制器（PLC）

在本次设计中，采用了PLC作为系统的控制单元，因为PLC具有许多优势特点。其中具有较强的逻辑判断和控制能力，在硬件方面有隔离和滤波的功能，能有效地消除干扰。还具有扩展容易，通信功能强大，方便移植等特点[2-6]。因此，使用PLC作为控制系统，可以提高系统的可靠性和稳定性。由于所需要的I/O并不是很多，就直接采用了实验室现有的型号为FX2S-20MR/MT的PLC.FX2S-20MR/MT的PLC具有的I/O口众多，属于中型的PLC，其功能完善，足以满足系统的使用要求。

1.4 接近开关

根据系统定位精度的需要，采用M12接近开关LJ12A3-4-Z/BX.其接线方式是三线NPN接法，在电流为直流12 V下工作。工作时能快速发出检测信号，灵敏地检测物体[7]。

接近开关的安装有两处，一处是安装在折弯机的顶端，另一处是安装在凸模具的夹具上，如图2所示。夹具的位置可以上下调节，在调试过程中方便调节接近开关的最佳位置。这两处的接近开关在凸模具的运动过程中起到定位的作用，能准确地为系统设置上下限位，保障系统的正常运行和仪器的安全。

图2 接触开关安装图

1.5 系统的I/O接线图和控制电路图

在系统的控制对象和PLC型号确定之后，根据控制系统需要实现的功能对线路进行设计。线路设计包括系统布线、电路连接和元器件组合三个方面。PLC是整个控制系统的核心，每个输入输出点都对应着相应的功能，它将输入型元器件的信号经过有序处理之后输出给执行元器件。其I/O接线图如图3所示。

图3 I/O接线图

局部的控制电路图分为三个部分，分别是变频器部分、接触器部分和继电器部分。变频器部是主要的控制部分，也是PLC对电机控制的中介。该变频器具有220 V输入三相输出的功能，外接三相电机[8-10]。表面设有多个端口，有正转和反转的端口、高中低速端口等。PLC上相应的I/O与变频器上的端口连接，通过输出相应信号来控制电机的转向和转速，从而控制折弯机的工作。系统的控制电路图如图4所示。

图4 控制电路图

1.6 自动控制系统程序设计

PLC控制系统的性能完善稳定，控制性高，根据不同的加工工艺要求，相应地修改程序即可实现。微型折弯机控制系统没有特殊的加工工艺，因此只需要针对每个按钮在PLC内部设计相应的程序，令其完成相应的操作即可。在本文中，介绍的是用梯形图的形式对系统进行编程。控制系统的部分梯形图如图5所示。

图5 基于微型折弯机的自动控制系统部分梯形图

1.7 安全部分

除了要实现相应功能之外，也需要考虑系统的安全性问题。其中，设计“互锁”功能，以确保电机的正转和反转信号不在同一时间接通。另外，在系统中还设置了“开关互锁”，目的是为了避免Y0和Y1同时接通，以确保系统的安全。除此，还有热继电器。当三项电动机长期过载工作，电路温度过高时，热继电器就会开始工作，其常闭触点将会断开，常开触点随之闭合。因为常闭触点与接触器线圈相连，所以当过载接触器线圈断开时，电动机就会停止工作，避免事故的发生。

使用M8000作为监控常开触点，定义辅助继电器M101、M102、M103分别为变频器、电机和传感器的出错报警触点。当变频器、电机和传感器运行出错时，系统会及时反馈报警。

2 改造前后的比较

改造前的微型折弯机三维图如图6所示，在操作的过程中，需要使用配置的摇杆旋转主轴，由于摇杆的重量比较重，给一部分使用者带来了麻烦。并且，操作过程中需要两个人同时进行，其中一个负责旋转主轴，而另一个要负责板料的送给。完成一个工序需要花费大量的人力以及时间，工作的效率明显不高。

图6 改造前折弯机三维图

改造后的微型折弯机三维图如图7所示，硬件部分新增了三项电机、同步带轮·轮、接触开关、控制盒和控制电箱。三项电机负责传动，这是折弯机运作的关键部分，也是改造的重要方面之一，正因为新增了电机，从而替代了人工的操作。当电机带动模具运动时，接触开关在起到定位的作用，限制了模具运动的范围，从而保障工作的运行和保护仪器。在外部设有控制盒，上面具有启动、复位和急停按钮，控制系统的运行和停止。最后是控制电箱，内部主要由空气开关、接触器、继电器、变频器和外部接线端子构成。

图7 改造后折弯机三维图

采用了PLC控制系统之后，只需操控外部设置的开关按钮即可控制折弯机工作，简化了繁琐的人力操作，大大增强了折弯机的便利性和实用性。

3 结束语

该微型折弯机的自动控制系统设计，实现了折弯机系统的自动化，电机驱动和接近开关确保模块运动的范围，不但操作轻便、工作效率高，而且实用性强、安全有保障。这个研究只是大时代一个缩影，在未来的机械加工产业中，半自动化和自动化将会逐渐代替传统加工。在进入一个新的工业革命之前，要做好相关的准备，在下次机遇来临之时即可扬帆，乘风破浪，大力发展我国工业，提高市场经济。