基于S7-1500PLC的上下料冲压控制系统的设计与实现

段五星， 杨馥华， 严 铖

(1.惠州市技师学院 电子工程系， 广东 惠州 516003；2.惠州市技师学院 制造工程系， 广东 惠州 516003)

在炼铁、模具、汽车制造等领域中，对工件进行冲压完成塑型铸造，是一种常见的工艺流程。自动上下料冲压控制系统能有效缩短产品的生产周期，降低产品成本，提高生产质量，在企业生产中的应用越来越广泛。随着自动控制技术的发展和工业4.0的新要求，将PLC及现场总线技术应用于生产线便成为了重要的工程课题[1]，基于西门子S7-1500PLC控制器和PROFINET技术，设计运行稳定、可扩展性好的自动上下料冲压系统，能满足加工企业的迫切需求。另一方面，目前冲压控制系统的限位主要采用行程开关连接到PLC输入端，控制安全继电器或安全接触器断电进行停车[2-3]，这种方式不能快速关断驱动器的电流输出和电机的扭矩输出。因此，采用集成安全功能的伺服驱动器连接行程开关，实现伺服电动机的安全扭矩停止(Safe Torque Off，STO)，使冲压系统运行更加安全可靠。

1 物料自动上下料冲压系统的控制要求分析

某工厂的物料自动上下料冲压系统如图1所示。某物料通过传送带从左向右运行到位后停止，定位气缸伸出完成物料的定位，丝杠上的滑台复位到工作台左端初始位置，上下料气缸动作将物料送到滑台，定位气缸缩回，完成上料动作。滑台载着物料在工作台上从左向右，前进50 mm，滑台停止运行，冲压气缸动作完成第一次冲压，并缩回；滑台继续前进50 mm，滑台又停止运行，冲压气缸动作完成第二次冲压，并缩回；如此重复5次，完成对物料的5次冲压。滑台载着成品从右向左运行到工作台初始位置，上下料气缸缩回完成下料动作。至此，完成物料的上料、冲压、下料工艺。

图1 自动上下料冲压控制系统结构图

根据生产工艺需求，设计PLC通过变频器和伺服驱动器，分别对异步电机和伺服电机进行控制。其中异步电机通过高低速控制传送链输送物料，伺服电机联结联轴器控制丝杠旋转运动，滑台底部有和丝杠咬合的内螺纹孔，将丝杠的旋转曲线运动转变为滑台的左右直线运动，使滑台能够载着物料在左限位和右限位的范围内左右移动，左限位、右限位、初始位分别由对应的左限位、右限位、初始位传感器检测，检测到的信号作为PLC的数字量输入信号，上下料气缸、定位气缸、冲压气缸分别由3个电磁阀进行配合控制，电磁阀的动作由PLC的数字量输出信号进行控制，实现物料的自动上下料，相比手动上下料，节省了人力成本，提高了工作效率，提升了工作可靠性和安全性，最后HMI实现对系统的可视化监控操作。

2 控制系统硬件设计

2.1 PLC选择

PLC的选择主要包括CPU模块和I/O模块的选择，选择的原则是在满足性能的前提下，追求项目的可扩展性和较高的性价比。经过对比，选用西门子近年推出的小型高性能S7-1500系列PLC，其CPU选用标准型1511-1PN，相比于之前市场中应用广泛的S7-300或400系列PLC，优点主要表现在更快速的信息处理、更高速率的PROFINET数据通信、更高效的组态和编程以及更低的维护成本[4]，其中字运算指令的执行时间从200 ns缩短到了72 ns，将有效地提升冲压过程中滑台定位的准确性。由于S7-1500系列的标准型CPU模块自身没有集成I/O点，I/O信号输入输出需要通过扩展I/O模块[5]。本系统中输入输出型号为数字量，输出电流在0.5 A以内，个数在10个以内，考虑扩展性，选用输入模块DI 16×24VDC HF，输出模块DQ 16×24VDC/0.5 A。

2.2 变频器选型

系统中变频器主要用于控制物料传送链电动机高低速运行，准确停车，在运行的过程中要求做到较高的安全性，从现场控制要求实现远距离控制，从技术上能具有较强通讯功能。结合上述情况，选用内置动态制动单元、使用灵活、通讯稳定、组态方便、容易维护且主要用于物料输送的西门子G120系列的变频器，其型号为G120 CU240E-2 PN-fF，功率模块的功率范围为0.37～250 kW，能满足系统要求[6]。

2.3 HMI选型

HMI又叫工业人机界面或触摸屏监控器，主要实现智能化操作控制显示功能。本系统中需实现手动、自动、复位、停止、启动等按钮操作，物料、气缸的到位显示灯，电机的速度设定和显示灯参数设置等功能。综合考虑，选用西门子TP700触摸屏，可以在合适的尺寸包括颜色表现下显示最复杂的操作，特别是用在PROFINET网络上，与SIMATIC S7-1500 PLC控制器系统的无缝集成，与博途软件实现便捷组态。

2.4 电机及驱动选择

传送链选用普通的鼠笼式三相异步电动机，物料台使用伺服驱动器连接伺服电动机进行定位。由于冲压工件要求的安全性、准确性和运行可靠性，选择伺服性能优异，具有安全扭矩停止功能和自动抑制机械谐振频率的西门子SINAMICS V90伺服驱动器和SINAMICS S-1 FL6伺服电动机组成的伺服驱动系统。该系统通过PROFINET进行通讯，并可通过简单易用的SINAMICS V-ASSISTANT工具进行调试。

2.5 系统硬件接线图

图2 自动上下料冲压控制系统硬件接线图

硬件接线电路图如图2所示，传送带的三相异步电动机直接连接到G120变频器，其中R、S、T接三相电源，PE接地，U、V、W接电动机的三相输入，变频器通过PROFINET方式连接到PLC的CPU，CPU通过发送变频器控制字的方式控制传送带电动机M1的速度，通过接受状态字的方式读取电动机的转速。

控制冲压滑台左右运动的伺服驱动系统中，上方的L和N分别接电源火线和零线；下方的“+”和“-”端子分别接24 V直流电源的正负极，且“+”端子接两个并联的左限位SQ10和右限位SQ11行程开关，实现安全扭矩停止功能；U、V、W分别接伺服电动机的电源进线；X7端口通过数据总线，连接到伺服电动机的控制端子，实现对伺服电动机转速的控制和转速读取。

HMI的接线比较简单，只需要在对应的端子接入12 V电源的正负和地线即可。

2.6 PLC的I/O分配及接线

PLC的CPU的I/O主要用于连接系统的控制按钮，传感器、气缸、指示灯等。其I/O分配如表1所示，据此即可明确系统的I/O接线。

表1 PLC的I/O分配表

3 控制系统软件设计

3.1 系统组态

在博途V14软件上对PLC的CPU模块、G120变频器模块、V90伺服驱动模块、HMI模块进行PROFINET连接，并在G120变频器和V90伺服驱动模块中添加西门子标准报文111-PZD[7]，完成系统的组态，如图3所示。

图3 博途V14中系统组态

3.2 程序流程图

图4 系统程序流程图

根据系统工艺流程，设计并绘制图4所示的系统PLC程序流程图。上电开始后，可以选择手动或自动模式。当选择自动模式时，异步电动机M1带动传送带先高速(设置为额定转速)运行3 s，再低速(额定转速的60%)运行3 s，物料到达定位传感器位置，M1通过变频器直流制动方式停止；然后定位气缸伸出，完成物料的定位；紧接着，滑台恢复到初始指定位置，上料气缸伸出完成物料到滑台的上料功能；然后定位气缸缩回。之后，伺服电动机开始匀速正转带动滑台向右运行至第1定位点后停止，冲压气缸伸出，完成第1次冲压，如此循环5次，完成5次冲压后，伺服电动机反转带动滑台向左运行至初始位置，上下料气缸缩回，完成工件的下载。至此完成一个工件的冲压，后续如此循环，至按动停止按钮时，系统停止。当选择手动模式时，可以结合触摸屏HMI实现物料控制、定位气缸控制、上下料气缸控制和冲压气缸控制独立模块操作。

3.3 关键程序

根据程序流程图，在博途V14中编写对应的梯形图程序，编译，下载。其中G120变频器控制三相异步电动机对应的控制字。停止：W#16#047E；启动：W#16#047F；反转：W#16#0C7F；复位：W#16#04FE。V90伺服驱动器通过S7-1500中的FB284功能块实现对滑块的定位控制[8]，图5所示为冲压过程中伺服电动机完成定位、冲压气缸进行冲压的关键程序。程序中，通过输入对应的25、50、75、100、125(表示滑台下方丝杆位置距离原点位置，单位为mm，图中对应为第二、第三、第四点位置)共5个位置坐标，并通过计算，完成5个位置的定位。

图5 伺服定位冲压气缸冲压关键程序

4 控制系统的实现效果

在系统设计的基础上，经过系统布局、硬件接线、软件编程、调试优化，完成系统的实现。系统的硬件布局图分为气动区域、电动区域和控制柜区域三个部分。其中气动区域包括传感器检测，电磁阀控制上下料，气动冲压模块；电动区域包括传送带运送物料(通过三相异步电动机高低速运行模拟)，物料台向左完成5次滑动定位，再向右复位功能；控制柜区域包括系统启动、停止、复位，指示灯显示及HMI监控模块。经过多次重复试验，5次冲压误差都在±0.5 mm以内，气缸配合冲压动作稳定，能满足企业生产要求；当滑台运动到左限位或者右限位时，伺服驱动器通过安全扭矩停止功能，实现滑台的准确停车，保证系统安全。

5 结束语

本文以西门子S7-1500PLC为核心，控制G120变频器实现对传送带的高低速运行，通过V90伺服驱动器驱动物料滑台的准确定位和移动，并结合传感器和气缸，完成上下料及冲压动作，同时，以精简型TP700HMI，对系统实现可视化监控操作。最后的实现结果表明，系统功能完整，运行稳定，性价比高。该系统可以在企业冲压生产线上调试实现生产应用，产生经济价值，也能够进行项目培训，促进教学科研等。近些年来工业机器人在各种生产工艺中应用广泛，因此，将该冲压控制系统联结工业机器人完成更高效生产将是下一步的研究方向。

[责任编辑：魏 强]