黄俊杰

摘 要：文章介绍了如何使用PLC对一台旧式手动的SY-340型号玻璃切割机进行改造，采用机电一体化系统设计思想，实现玻璃切割机自动化控制。

关键词：玻璃切割机；自動化；改造

中图分类号：TM571 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）20-0098-04

Abstract： This paper introduces how to use PLC to transform an old manual SY-340 glass cutting machine and realize the automatic control of glass cutting machine by using the design idea of mechatronics system.

Keywords： glass cutting machine； automation； modification

由于生产规模以及资金不足的原因，该企业使用的是手动的SY-340型号玻璃切割机，品牌为：SY/申远，规格为450*450（mm），最小加工尺寸为30mm，最大加工尺寸为120mm。具有切割弧线小，操作简便的特点。

1 玻璃切割机基本构成与加工过程

在改造之前，本人通过研究分析，得出玻璃切割机基本构成如下：

（1）玻璃切割机主要用于切割，而且本机构主要是用于玻璃划圆的切割。

（2）在对玻璃切割时，切割机构需要行进旋转对与玻璃的切割工作。

（3）防止玻璃在切割时产生位移，影响产品质量，在对玻璃进行切割前，需要设计玻璃的压紧机构。

基于以上的分析，本次自动化设计在此基础上加以改进，使之实现以下过程：

玻璃放置——压紧玻璃——自动切割——完成切割——切割机构返回——切割机构停止——松开切割好的玻璃——取出成品。

2 方案的选择与可行性分析

基于以上的分析，制定了两个自动化改造方案，分别是继电器控制和PLC控制。并对两种方案进行可行性分析。

2.1 控制逻辑

采用硬接线逻辑是继电器控制逻辑主要特征，通过串联或并联的方法将继电器机械触点与其他元器件构成控制电路，再加上延时继电器的滞后动作组合成控制逻辑。基于继电器控制的线路，系统构成庞杂，对功能的增改操作非常不便，同时其体积大，功耗大。

2.2 工作方式

继电控制线路中当电路形成闭合回路时，各继电器吸合与不吸合的状态都将受到制约。在PLC的控制逻辑中，是对程序进行循环扫描的，由于扫描时间非常之快，每个继电器受制约的时间几乎可以忽略不计。

2.3 控制速度

由于继电器采用的是触点吸合和释放的机械动作，这样的动作形式工作频率低，同时还会伴随有机械触点的抖动。而PLC控制是由半导体逻辑电路来实现控制的，响应速度快，工作频率高，并且不会出现机械抖动问题。

2.4 限时控制

继电器控制一般都采用时间继电器进行时间控制。时间继电器容易受环境的影响，环境的湿度和温度等都会制约其定时精度。有些特殊的时间继电器结构复杂造成维护上的不便。

2.5 计数控制

继电控制不具备计数控制功能，而PLC能轻松实现。

2.6 设计与施工

继电控制工程周期长，系统的更改麻烦。而采用PLC达到相同控制要求，则可很好避免以上缺点。整个设计和施工过程可以并列进行，大大缩短开发周期，编程与现场施工互不制约。

2.7 可靠性和可维护性

使用继电控制必须要使用大量的机械触点，这样会导致庞杂的接线。因为电弧的产生，触点容易机械磨损，造成使用寿命缩短，容易造成接触不良，系统的可靠性和可维护性差。而PLC完成开关动作是通过驱动半导体电路来实现的，不存在触点磨损的问题。PLC本身带有自检和监督功能，若自身有故障产生，会显示出来，方便操作人员发现问题。同时程序的执行情况还能进行动态地监视控制，为现场调试和维护提供了方便。

2.8 价格

继电控制逻辑价格比较便宜，PLC价格比较昂贵。

综上所述，选择PLC控制具有以下优势：

（1）工作可靠，环境变化对系统稳定性影响小。

（2）开发周期短，调试方便。

（3）系统精简、功能强大，方便维护，改造容易。

（4）能耗低，体积小，重量轻。

因此，经过以上对比分析发现，为实现系统的安全性、可靠性、生产效率最优化、产品效益最大化的要求，本设计采用基于PLC的控制方案。

结合系统控制要求，本方案的PLC需满足输入15个点，输出11个点，采用晶体管输出。

再综合考虑性价比以及结构，本设计最后选择了三菱的FX1N系列PLC，FX1N系列PLC集合了众多优点，功能强大，体积小，功耗低。

3 玻璃切割机控制系统的设计

现将玻璃切割机控制系统的设计研发论述如下：

3.1 工作原理

玻璃切割机的具体结构如图1。

玻璃切割机主要由工作台，固定装置，步进电机，传动装置，限位装置（限位器8，定位器，切割装置，控制装置组成。

做切割工作的时候，只需把原料平放在工作台上，系统启动踩下脚踏开关即可，此时电磁阀YA得电，传动轴在气缸的带动下下降；按下启动按钮，步进电机运行，传动轮在主动轮通过齿带带动下转动，转动轴在传动轮带动下做旋转运动。经过一系列机械传动后，玻璃刀具便可实现对玻璃进行圆形或弧形的切割。

为避免在切割时，刀具过度下降，造成刀具碰撞工作台，损坏刀具和工作台。本设计引入定位器进行规避。为适应加工不同规格的玻璃，只需调节限位器固定螺母进行上下位置调整。

3.2 玻璃切割机的控制要求

为了适应不同切割的要求，改造的玻璃切割机应可以实现以下的要求：

（1）手动控制和自动控制可

切换。

（2）手动控制模式下，脚踏开关一直踩住不放，转动轴根据用户设定时间下降到位，时间一到，转动轴开始转动，刀具对玻璃进行切割。切割速度为预置值，脚踏开关的接通时间长短决定切割的角度，脚松开即停止切割。

（3）自动控制方式下，操作员只需踩一下脚踏开关，在设置时间内转动轴就会自动下降到位，PLC自动获取用户输入的速度和角度。时间到，刀具根据PLC程序设定的动作进行切割玻璃，完成切割后自动回到初始位置。

（4）切割角度为可调三位，从0至999度。系统时间设定值由0.5至5秒；速度为两位可调从0至99。

（5）不同的工作状态有相应的指示灯指示，在自动状态时，控制面板上的手动/自动切换开关上的指示灯点亮，只要系统启动时，启动指示灯就会点亮，进行切割工作时切割指示灯点亮。无论系统进行到那种工作状态，当按下停止按钮，系统复位并停止。

（6）切割次数由计数器进行计数。

3.3 玻璃切割机的控制系统

综合以上的控制要求，设计玻璃切割机控制系统如图2。

通过图2简明示意了各元件控制流程控制系统和各部分组成的逻辑关系。

启动信号由脚踏开关产生，PLC从急停按钮处获取急停信号，方式选择信号由手动/自动转换按钮产生。

时间值、速度值、角度值都由BCD数字开关设定。其中时间值设定用一位的，速度值设定用两位的，角度值设定用三位的。

以上信号发出后，PLC立即作出响应，经运算后。输出指示灯的控制信号，并对计数器发出计数信号。

PLC根据用户输入的速度和角度参数通过程序产生相应的速度、角度脉冲列信号，步进电机启动器接收脉冲列信号，从而控制步进电机的运动。

3.4 玻璃切割机的PLC控制

3.4.1 I/O分配

根据以上对控制系统的设计，将PLC的I/O分配如图3。

时间设定用的BCD数字开关，将其公共端接于输入的公共端子上。如图3所示。

3.4.2 程序设计分析

（1）信号采集

采用MOV指令将时间设定的信号储存于寄存器D0中。

采用DSW数字开关指令将速度设定的信号储存于寄存器D2中。PLC的DSW数字开关指令被执行时，输出点Y14至Y17将轮流导通100ms，BCD两位数字开关连接了输入点X14至X17，这些输入信号将按Y14至Y17的顺序读入和存储于D2中。执行DSW指令会占用Y16和Y17，因此Y16和Y17应悬空，不能用作其他输出点。

采用DSW数字开关指令将角度输入信号储存于寄存器D4中。与采集速度信号一样，PLC的DSW数字开关指令执行时，输出点Y10至Y13将轮流导通100ms，BCD三位数字开关连接了输入点X10至X13，这些信号将按Y10至Y13的顺序读入并存于D4中。执行DSW指令会占用Y13，因此Y13应悬空，不能用作其他输出点。

（2）数据处理

采集的数据是PLC处理的第一步，还要通过适当的算法得出符合输出量要求的值。

比如输出时间值，我们将信号存储于D0，采集的信号为数字0至9。所以输出的信号应为0.5至5秒左右，这就要求将D0的值放大5倍后存储于D10中，这样我们就可以得到时间设定值为0至45。最后用指令“OUT T0 D10”便可实现0至5秒的时间控制。

将存储于D2中的速度信号值放大一定的倍数后存储于D12中，这就把脉冲输出频率设定完成。经现场生产调试，本系统的最佳放大倍数为60倍。

存储于D4中的角度信号值，经PLC运算后其输出脉冲数应在被步进驱动器获取后，准确驱動步进电机，使玻璃刀转过的角度达到设定值的要求。

（3）信号输出

如前所述，时间值的输出采用指令“OUT T0 D10”。

指令DPLSR 是具有32位的带加减速脉冲输出功能的指令，可以用在速度和角度信息的输出。步进电机在瞬间加速或减速会发生失步现象，影响控制精度，加工角度会有误差，采用带加减速设定可以避免这种现象。

为了保证有足够时间进行连续切割，手动时设置DPLSR指令为：“DPLSR D12 K99999999 K100 Y0”，其中K99999999为设置时间，自动模式下指令为：“DPLSR D12 D16 K100 Y0”。

其中D12为频率设定值，对应输入的速度值，D16代表了总输出脉冲，代表输入的角度值，数值K100为加减速时间，代表时间设定为100ms。

3.4.3 梯形图

通过以上程序设计分析，编程的梯形图如图4，并进行了程序注释。程序分为数据采集与计算（0～63步）、手动方式（64～66、70～97步）、自动方式（67～69、98～143步）、输出处理（144～160步）四部分，参见图4中的注释。

4 结束语

本次玻璃切割机的自动化改造采用了PLC控制，证明了旧设备能添加PLC进行自动化改造的可行性。而在该机器的玻璃送料机构进行自动化设计改造方面，可以继续开展研究，将其改造成能实现自动送料、自动定位、自动切割的全自动玻璃切割机。

参考文献：

[1]张凤珊.电气控制及可编程程序控制器[M].北京：中国轻工业出版社，2003.

[2]梁耀光，余文烋.电工新技术教程[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2007.

[3]林永忠.PLC在石材切割机中的应用[J].福建电脑，2004.