钢管自动喷标系统设备之立柱横梁设计.doc

摘要 钢管是一种用途广泛的工业金属材料，也是国民经济发展的一个重要支柱。本文根据国内外钢管生产线上喷标系统的研究开发现状，进行了该项目的控制系统和软件系统的设计，并取得了成功。本课题的主要研究工作：第一章：综述钢管的工艺生产流程及API国标；说明国内喷标系统的开发研究现状及存在的问题并阐述了开发喷标系统的必要性；陈述课题来源和论文的主要工作和意义。第二章：提出系统的设计要求；根据系统的组成结构进行立柱横梁的设计，包括立柱横梁的组成以及设计时应注意的问题，重点论述了齿轮齿条的设计，最后给出机械结构部分的设计；第三章：论述喷标系统中立柱横梁的设计组成；介绍了伺服系统的相关技术；给出了控制系统的特点。第四章：简述了PLC编程的方式和S7400的特点；着重介绍了PLC程序的喷标流程设计以及配电原理图；简单介绍了PLC程序设计的特点。关键词：钢管；喷标；立柱横梁；齿轮齿条；伺服系统；PLCABSTRACTPipe is a widely used industrial metal materials, development of the national economy is an important pillar. According to domestic and foreign steel tube production line jet standard system of research and development of the status quo, the project control systems and software systems design, and has achieved success. The main topic of this research:Chapter 1: Summary of the pipe of the production process and the API GB; indicate the domestic jet Marking System Research and Development of the existing problems and described the development of standard systems spray the necessity of topics presented papers and the main source of work and significance.Chapter 2: The system design requirements under the system structure spraying the composition of the standard system design, including the composition and work of system design process and they should pay attention to the problem, and give some of the mechanical structure design, and a brief overview of control The system design programme.Chapter 3: The standard system in the post spray beams of the design; focuses on the design of gear and rack; introduced the Servo System technology, the control system features.Chapter 4: briefed the PLC programming methods and S7400 features; PLC program focuses on the process of spraying standard schematic design and distribution; brief account of the PLC program design features.Key words: steel pipes sprayed superscript column beams gear and rack servo system PLC目 录1 绪论11.1 钢管喷标系统的开发现状11.1.1 引言11.1.2 喷标系统的开发现状21.2 钢管喷标系统开发的必要性31.3 课题的来源41.4 论文的主要工作和意义52 喷标系统总体设计62.1 喷标系统设计要求62.2 喷标系统总体设计62.2.1 系统组成62.2.2 工作过程82.2.3 立柱横梁结构设计82.3本章小结153 立柱横梁的设计163.1立柱横梁的组成163.1.1 机架概述163.1.2 悬臂梁的设计173.1.3 横移机构的设计183.1.4 喷标机的强度校核183.2喷标伺服系统233.2.1伺服电机233.2.2伺服电机的控制244 PLC 程序设计284.1 PLC 软件及编程284.2 S7-400 编程方式284.3.1 PLC 喷标流程设计294.3.2 I/O324.4 PLC程序设计特点324.5 脉冲编码器32总结34致谢35参考文献36附录37附录137附录2561 绪论1.1 钢管喷标系统的开发现状1.1.1 引言钢管广泛地应用于机械、建筑和石化等行业，又是国防工业的重要材料，用于制造枪管、炮筒以及其他武器。钢管的生产工艺种类繁多，生产过程非常复杂，生产设备也很庞大，以163机组为例，热轧钢管生产流程如图11 所示。图1-1 机组热轧钢管生产工艺流程按照工艺流程，管坯进入车间后按照工艺要求锯成定尺长度，然后依次经过环形炉加热、三辊穿孔机穿孔、连轧机轧钢、定径机定径。加工成的钢管需要减径的再加热后送至减径机上减径。从定径或减径机轧出的成品管，送至链式冷床上冷却，冷却后锯成定尺长度的钢管（有的需要热处理)输送到斜辊式矫直机上矫直，矫直后依次经过超声波探伤，水压机试验，随后进行其他各项精整工序。精整后的成品管经过感应加热炉后进行涂油打捆入库。根据GB2102-88 规定，外径不小于36mm 的钢管应在每根钢管一端的端部有喷印、滚印、钢印或粘贴印记。印记应清晰明显，不易脱落。印记内容应包括钢的牌号、产品规格、产品标号和供方印记或注册商标。具体不同类型的管子有不同的印记内容。随着我国加入WTO，国内市场和国际市场的接轨，钢管市场同样面临一系列的问题。国内钢管进入国际市场，必须遵守国际的相关标准。比如无缝钢管要遵守国际标准API SPEC 5CT（见表一所示）。过去，大部分的钢管厂家采用人工的方式进行测量和标记。人工测定钢管的长度和重量，并把相关的内容根据国家标准，用涂料写在钢管上。有的钢管厂由工人随意手写，字迹不统一，有的用刷模的方式，字迹相对工整。这种做法沿用了很长一段时间，部分厂家目前仍在使用。很明显，这些方法存在测量精度低、劳动强度大、生产效率低、字迹不清楚等缺点。从上个世纪90 年代开始，国内一些大型的钢铁公司的产品为了参与国际竞争，耗巨资引进国外的整条流水线。这些进口的设备测量精度高、生产效率高、劳动强度低、字迹统一规范。但是进口设备成本高、要求工人素质高、维护成本也高。落后的传统方法与高成本的进口设备都难适应国内的市场需求。因此，开发研制同类产品已经迫在眉睫。表11 API SPEC 5CT 标准摘录1.1.2 喷标系统的开发现状 钢管的喷标是国际国内标准明确要求的内容。 国外早已开发出钢管的喷标设备，而且设备功能强大，能喷各种各样的字符甚至中文，设备采用了各种先进技术，尤其是喷头部分的设计。例如美国著名喷标机公司Videojet、Marsh 以及英国Willet，丹麦Magnemag 公司、Infosight 公司的spray marking system。其中丹麦Magnemag 公司的喷标机能满足冶金企业的恶劣要求，已经应用在鞍钢，酒钢等钢铁公司，但是其价格昂贵，约为250万人民币，涂料每升约800 元。 过去国内对喷标系统的研究比较少，一般依靠进口国外先进设备。直到二十世纪九十年代才开始有少数机构对钢铁行业的喷标进行研究。其中杭州钢铁公司的热轧钢坯喷标机采用七段码方式进行喷标。其原理是用水基白色涂料在压缩气体的作用下在热钢坯上喷上所需号码。图12 为该系统使用的喷头示意图。 在喷头结构示意图中，通向7 段“笔划”的涂料管彼此连通，同时供应涂料；而7 个压缩空气的喷嘴是独立控制的，只有当该段有压缩空气喷出时，涂料才会随之流出而形成喷雾并在钢坯上喷出笔划。对7 个空气喷嘴进行组合控制即可喷出所需的号码。七段码方式喷号，喷头的设计相对简单，号码的变换转化为对7个压缩空气喷嘴的控制，控制系统得到简化，具有较高的可靠性，号码调整灵活，不需要更换字模，喷标速度快等优点。但是，与点阵式不同，在七段码中，缺少笔划将使号码失去意义，因此必须保证每一笔划的可靠喷射。这既要保证喷头有良好的雾化和喷射的可靠性，也要对控制电路作出保证，必须增加工作状态检测。 同时，该喷标系统也存在如下问题：在高热环境下，涂料立即凝结在喷头上，很快堵塞喷头；涂料的雾化效果不好；不适合在曲面的钢管上进行喷标。但是我们可以从中得到一些启示：采用点阵式的喷头，以点阵式形成字体的方式比较适合钢管表面的喷标；利用白色涂料作为喷标介质；利用压缩空气作为涂料喷射的动力。图12 喷头结构示意图1.2 钢管喷标系统开发的必要性 现在国内有近百家钢管生产厂家，除了几家最大型的钢管公司具备雄厚的资金实力，能从国外引进专业的生产设备，其他企业的生产设备都很落后。有一些公司自己组织技术力量进行技术攻关也研制出了一些产品，能在一定的程度上解决问题，但产品大体上存在以下一些问题： （1）设备大都只能完成单一的任务，不能在自动生产线上和其他设备一起工作，使得生产效率依然低下，不能从根本上解决问题。 （2）产品的技术开发水平还停留在二十世纪八十年代的水平。由于这些产品大多是工厂自己组织力量开发研制的，技术水平达不到国外的最新发展动态；开发设备的精度低、可靠性差。以喷标工位的喷头为例，由于国内的精加工技术、特种材料制造技术的落后，自行设计的喷头可靠性差，直接影响生产。 （3）产品的稳定性不够。由于这些产品的主要控制部件采用了单片机控制，在钢管生产的恶劣环境中，各种干扰使得系统的故障率极高。 （4）产品缺乏扩展性。易扩展性已成为现代产品的特征，缺乏扩展性的产品将阻碍自动化的发展。 （5）满足不了企业日益增长的企业管理功能。ERP、PDM 实现程度已经成为企业现代化的重要标志。企业的质量管理已经成为现代制造企业的管理核心。每根钢管都有一系列的数据，这些数据在钢管的整个生命周期里都很重要。过去自行开发的系统只考虑到在生产中的功能，而忽略了在管理中的功能。 所有这些说明，开发研制高性能的喷标此类钢管生产的辅助设备和完善的监控系统是非常必要的。 参考国外同类设备以及比较国内现有设备，可以提出开发钢管生产线上的喷标系统应具备的特点： （1）系统强调控制和智能的全分散化，各个设备是具有自治功能的智能主体，相互之间高内聚、松耦合。某些局部协调通过PLC自治完成，而上位的监控计算机实现大范围的协调等高级控制功能。 （2）系统应该具有高稳定性、高可靠性。在结构设计上满足稳定性和可靠性的要求。 （3）完善的计算机监控功能。生产现场的恶劣环境，不适宜工人在现场长时间的操作，因此要求在上位计算机上能够监控所有现场的运行情况同时具有故障报警和自诊断功能，这样只要在控制室里就能“看到”现场的一切动作。 （4）友好的人机界面。系统软件具备图像界面，可以把不同画面，同时分别以多单元以并行方式实时显示。要求能对生产情况进行详细的管理，包括：钢管各种数据的统计、查询、钢管是否符合要求的判别、喷标内容实时动态跟踪、报表的打印、以及操作人员管理等一系列的管理工作。 （5）系统具有可扩展性。系统应具有ERP接口，企业的信息化管理已经成为企业发展必由之路，因此现在开发的系统要为以后企业的信息化管理提供方便。 （6）系统精度高和工作周期短。喷标速度快，喷标速度最高可以达到120m/min。1.3 课题的来源 国内大多数企业几年来持续不断的技术改造和创新，使技术装备始终保持在先进水平。但是由于企业产品标号效率低，管理不便，制约质量管理实施，无法满足生产自动化，有设备的厂家设备价格高昂且维护困难。 面对日益激烈的市场竞争，为适应生产的需求，国内大多数企业急需新的喷标系统。1.4 论文的主要工作和意义 钢管喷标系统的开发涉及到多学科，多专业，是集光、机、电、和计算机一体化的产品。本论文主要完成以下工作： 1、通过对钢管喷标系统开发现状的分析，对钢管喷标系统进行了总体方案设计。 2、根据总体方案设计了以可编程序控制器为核心的控制系统。 3、根据对伺服电机的研究，设计了交流伺服电机驱动的喷标系统。 4、通过对系统工作原理和PLC 的研究，进行了PLC 程序设计。 2 喷标系统总体设计2.1 喷标系统设计要求 （1）工作范围 钢管外径：48（32）246mm；钢管重量：20Kg1000Kg；钢管长度：6m15m；喷标介质：白色涂料； （2）精度要求 喷标标高：1050mm 可选；喷标字迹清晰； （3）生产效率 喷标速度：0120m/min； （4）自动化要求 选择好喷标打标内容后，无需人工干预自动完成生产；自动喷印管号；采用视窗图形作为人机交互界面；具有自动报警功能，急停功能，半自动、手动功能；喷标数据保存并可上网；提供报表统计、查询，出库单打印等功能。2.2 喷标系统总体设计2.2.1 系统组成喷标系统的结构组成如图21 所示，系统外形如图22所示。系统的主要有以下几个部分组成：图21 喷标系统的结构组成图1、 机身；2、精密滚动导轨副；3、精密齿轮齿条副；4、喷标头；5、气缸；6、滑板；7、小车；8、电、气、液总导管；9、伺服电机；10、电气控制箱；11、钢管。图22 喷标系统外形图 （1）机身部分。机身包括立柱和横梁部分，是整个设备的支撑。 （2）横移机构。横移机构由齿轮齿条传动副、滑道、滚轮、伺服电机及其控制驱动部分、原点传感器、安全极限位传感器等组成。横移机构的主要功能是带动喷头在横梁上移动。喷标设备有一绝对原点，由原点传感器决定，所有的其他位置都以原点为基准。系统工作时，由伺服系统精确定位小车到达所需位置，在喷标过程中，喷头一边沿钢管轴向运行，一边完成喷标工作。在横梁的两头有安全保护：当小车由于某些原因，到达安全极限位置时，系统马上停止所有的动作，并发出安全报警。 （3）喷头升降机构。升降机构由气缸、电磁阀、传感器、气路系统、直线滚珠导轨、手轮、手柄等组成。喷头在不进行喷标时，处于上位，而在进行喷标时，喷头下降到达工作位置。喷头的上升下降由系统控制电磁阀的动作从而控制气缸动作来完成。手轮和手柄则是用来调节喷头的下降时的位置的。由于钢管管径大小不同，而喷头工作时离钢管表面的距离有一定的范围约2030mm，超出这个范围，喷出来的字迹不能达到最佳状态。因此当换一批不同管径的钢管时，要靠手轮和手柄人工调整喷头的最低位置。 （4）防撞机构。防撞机构分为侧部防撞和底部防撞。底部防撞由四个接近开关组成，喷头的任一角碰到障碍物，气缸就立即带动喷头上升，并且小车停止运动，发出报警信号。侧部防撞是一个接近开关，当钢管碰到接近开关时，喷头马上上升，并且小车停止运动，发出报警信号。由于喷头是整个喷标设备的核心部件，而且极为昂贵，所以要专门为它设计防撞设施。 （5）喷头及其控制器。喷头及控制器部分是喷标系统最关键的部件。喷头在喷标控制器的控制下，涂料系统、气路系统、清洗系统的共同作用下，完成喷标任务。 （6）气路系统。气路系统主要为两个部件提供气源及控制：一是喷头升降控制；另一是喷头及控制器系统。 （7）控制系统。喷标控制系统主要由上位计算机、PLC、脉冲发生单元、伺服放大器等。2.2.2 工作过程 喷标系统的工作方式可以分为复位方式、手动方式与自动方式三种： （1） 复位方式 复位方式一般用在每次自动开始时，复位的目的是为系统中所有位置提供一个基准原点。复位的过程如下：在手动方式下，把小车移至原点传感器的前端，然后按复位按钮，小车将自动往原点传感器方向移动，等碰到传感器后，电机再转动一圈，伺服电机停止，复位完成。系统把这个位置记为原点值，接下来的运动中，任何距离都以这个位置为基础。 （2） 手动方式 手动方式一般用在系统调试阶段或自动方式出现故障时。手动方式能完成喷标系统的一切任务，包括：喷头前进、喷头后退、喷头上升、喷头下降、开始喷标、清洗、报警等。手动方式是不可缺少的一种工作方式。 （3） 自动方式 自动方式是系统用得最多的一种工作方式，在钢管生产线上，要靠自动方式来完成钢管的喷标任务。典型的自动工作过程如下图所示：图23 喷标系统自动工作过程图2.2.3 立柱横梁结构设计2.2.3.1齿轮齿条的设计1 齿轮传动机构的特点齿轮机构是现代机械中应用最广泛的传动机构，用于传递空间任意两轴或多轴之间的运动和动力。齿轮传动主要优点：传动效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比准确。齿轮机构主要缺点：制造及安装精度要求高，价格较贵，不宜用于两轴间距离较大的场合。2 齿条的主要特点1） 由于齿条齿廓为直线，所以齿廓上各点具有相同的压力角，且等于齿廓的倾斜角，此角称为齿形角，标准值为20。2） 与齿顶线平行的任一条直线上具有相同的齿距和模数。3） 与齿顶线平行且齿厚等于齿槽宽的直线称为分度线（中线），它是计算齿条尺寸的基准线。3 传动的基本要求在齿轮传动机构的研究、设计和生产中，一般要满足以下两个基本要求：1.传动平稳-在传动中保持瞬时传动比不变，冲击、振动及噪音尽量小。2.承载能力大-在尺寸小、重量轻的前提下，要求轮齿的强度高、耐磨性好及寿命长。4 齿轮传动的润滑具有特殊性1）轮齿形成油楔的条件差；2）啮合齿面间压力大，而且相对滑动的大小和方向变化大，齿轮常处于边界润滑和混合润滑状态；3）每次啮合都要重新建立油膜，润滑是断续的；4）载荷大，摩擦热也大，易使油温上升，加速油膜的破坏；5）齿轮的材料、热处理、加工和装配精度及齿面粗糙度等影响因素；因此，齿轮传动的合理润滑设计是十分重要的。用于开式齿轮传动的为开式工业齿轮油及润滑脂。开式齿轮油种类选择：开式齿轮油种类选择开式齿轮油种类适用范围抗氧防锈开式齿轮油工作平稳的半封闭和开式传动极压开式齿轮油重载开式传动sH500MP/mm 剂稀释开式齿轮油重载开式传动sH500MP/mm2开式齿轮油粘度选择：开式齿轮油粘度选择给油方法推荐粘度（100C）（mm2/s）环境温度（C） 浴15022016222226涂刷热193257193257386536冷22263241193257手 涂150220*22263241开式齿轮传动润滑方式：开式齿轮传动，因速度低，一般采用人工定期加润滑油或润滑脂。2.2.3.2 齿轮齿条传动副的设计要求（一）材料选择：应具备条件 ：1）齿面具有足够的硬度，以获得较高的抗点蚀，抗磨粒磨损，抗胶合和抗塑性流动的能力；2)在变载荷和冲击载荷下有足够的弯曲疲劳强度；3)具有良好的加工和热处理工艺性；4)价格较低；（二） 几何计算：模数 m=3 分度圆直径 齿顶高 齿根高 齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 (8)载荷P在B点产生的挠度与转角均为0,带入（7），（8）可知 （9）由式(9)可以知道，当截面位置二不变，时，最大，所以3) 悬臂梁挠度是二者挠度叠加而成所以由上式可知，其中：q悬臂梁均布载荷，2145.22N/m;P横移机构重量，686N；E悬臂梁横截面弹性模量，21OGPa;I悬臂梁惯性矩，2050352127 ;L悬臂部分的长度，6m;四 稳定性计算 1）轴心受压构件的稳定性验算公式： 式中 A：构件的毛截面面积， N：计算轴向压力，N ：根据结构件的最大长细比或最大的换算长细比选取的轴心受压构件稳定系数 当钢材的屈服点高于350时，可近似用构件的假想长细比，按16Mn钢选取。的计算公式是：五 结构件长细比的计算 1）结构件的长细比公式： 式中 -结构件的计算长度，mm； -结构毛截面对某轴的回转半径，mm， -结构件的许用长细比；3.2喷标伺服系统3.2.1伺服电机根据动力、速度 、环境要求、 定位精度 、经济性等要求选择交流伺服电机3.2.1.1惯量匹配 由于伺服电机的运行性能依赖于负载和电机惯量的匹配，为了满足系统灵敏性和稳定性的要求，负载惯量应限制在电机惯量的15倍之内。等效转动惯量算法如下： 式中 各种转动的转动惯量 各转动件角速度 各移动件的速度 伺服电机的角速度 电机的转动惯量因此负载转动惯量比：本系统中伺服电机通过齿轮（模数为3，齿数为20），齿条带动喷标小车作直线移动，移动质量为70，代入式（1）计算出折换到电机轴上的转动惯量为从而算出伺服电机的转动惯量为3.2.1.2电机选择 在本系统中喷印速度需达到80m/min时电机转速达到430rpm。根据工作实际要求，我们选择三菱中惯量的HC-SFS-121的伺服电机，其转动惯量为。伺服放大器选用MR-JS-200A系列。速度频率响应达到550HZ以上。非常适合用于高速定位的场合；采用高分辨率编码器131072p/rev(17bit)提高反馈精度及低速稳定性。伺服电机在接线方面跟以往电机具有互换性，采用以对编码器方式为标准。3.2.2伺服电机的控制 伺服电机的运行性能不仅依赖于所带的负载，而且跟控制方式，控制脉冲密切相关。MR-JS-200A伺服放大器提供了位置控制模式，速度模式，转矩模式，位置/速度，位置/转矩，速度/转矩等运行模式。喷标机的主要任务是定位喷标位置，达到规定的精度要求。因此我们设定位置控制模式来控制伺服电机。1）位置控制原理位置控制模式就是控制电机在横梁上实现横向定位。MR-J2S-200A系列带有绝对位置旋转编码器，可作为系统的位置反馈信号，以控制器发出的脉冲数作为基准值，而旋转编码器反馈回来的是实际值，这两者之间存在的差值即为位置误差Pe。用位置误差和位置环补偿的乘积作为速度命令输出。这种控制能够保证定位误差接近于0。位置控制一般由位置环，速度环和电流环三个环组成。2）电流环控制电流环通过输入电流I控制电枢电流，电机产生的转矩为 （3）式中：为转矩常量。由（3）可知，通过对电枢电流的控制，就可以间接控制转矩，从而控制电机速度。3）速度环控制速度环的控制框图如图3-3所示图3-3 速度环控制图框其中Tm-速度环的等效时间常数。为了消除系统的静态误差，采用了PI调节控制规律。PI控制器的传递函数为： （4）实际中为了计算简化和提高精度，控制算法采用了增量式PI算法。算法如下： （5） 式中：速度积分补偿，T为采样周期，Kv和根据系统调速精度确定后调试得到。 Kv-速度环增益，它决定速度环的响应速度。调大VG2可以提高响应速度，然而设定值过大容易导致机械系统振动，产生噪音。根据调速要求和不产生机械振动，噪声，经调试确定采样周期T为1s。 Ti-积分时间常数，其设定值太大会降低响应速度，在负载转动惯量比较大或机械系统中有振动因素的场合，如果这个值设定能过的过小，机械系统也会发生振动。根据现场调试和经验积累，参数的计算如式（6）所示。 （6）计算出Ti结果大于45.7ms-68.55ms。（4）位置环控制 由于速度调节器采用PI调节器，且位置环截至频率远小于速度环各时间常数的倒角，因此速度环的闭环传递函数可近似等效为一阶惯性环节。简化后，数字式位置控制等效传递函数为 （7） 式中，Kp为位置环增益，他决定了位置环的响应速度，增大它可以改善对位置指令的跟随性能，但是过大容易产生超调。理论上设定值可以根据式（8）设定。 （8）（5）位置控制模式中的加减速控制 当伺服电机带动负载从一点运动到另一点时，为了保证运动的平稳和准确定位，在起动和停止时要进行加减速控制。本系统的位置控制模式中，为了保证每次喷印距离的准确性，采用了伺服电机的位置斜坡功能，对位置指令加减速时间常数进行了设定，控制伺服电机的起调时间。通过此功能使同步编码器发出指令后，即使是在伺服电机处于运行时启动，同步运行也可以平稳的开始。还由于采用闭环控制，编码器随时可以检测脉冲的差值，返回到输入端，参与系统的控制，使定位准确，精度高。位置指令采用阶跃输入时的运行图如图3-4所示。图3-4 位置指令改变时运行图 因为速度环采用PI控制可以使电机在位置指令发生很大变化，位置误差变化大导致速度指令发生很大变化时，也能够在起动，停止时平稳的加减速，使系统运动平稳。伺服电机速度曲线图如图3-5所示。图3-5 速度曲线图为了保证每次喷印距离不变，不产生累积误差，系统采用了原点定位的功能，在每次开机工作时需要进行一次原点定位，保证了每批钢管的喷标位置一样。根据所设的位置控制原理，电机在碰到原点定位的传感器后，减速运行，等待PLC检测到编码器返回的零点脉冲，在转动一转第二次检测到这个脉冲后，在原点停止，定位成功。然后开始喷印循环操作。4 PLC 程序设计4.1 PLC 软件及编程PLC 软件包括系统程序和用户程序，系统程序用户不能修改，用户程序则由用户根据控制对象的要求进行编制。PLC 程序设计语言的标准由国际电工委员会（IEC）提出IEC1131-3，指定了PLC 程序设计的语法和语义。该标准定义了如下几种PLC 程序设计语言。1） 指令列表（Instruction list）2） 结构文本ST（Structured Text）3） 功能块语言FBD（Function Block Diagram）4） 梯形图LD（Ladder Diagram）5） 顺序功能图SFC（Sequential Function Chart）这几种语言中，梯形图应用的最为广泛，因为它既能表达电气工程师熟悉的继电器控制线路又能表达各种特殊功能，包括算术运算，数据传送通讯，中断，I/O，DRAM 刷新，子程序的调用，堆栈操作，表格操作等。除梯形图外还有用于超小型可编程控制器使用的布尔代数，但它只能进行逻辑运算和少数表达功能。顺序功能图是专为顺序控制而设计的，便于模块化编程并缩短了程序扫描时间，其应用也越来越多。而随着PLC 的发展，有些中、高档编程器也采用BASIC，PASCAL，C 语言等。4.2 S7-400 编程方式S7-400PLC 使用STEP7 编程。STEP7 用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需要的数据。这样，PLC 的程序组织明确，结构清晰，易于修改。通常，用户程序由组织块(OB)、功能块（FB）、功能（FC）、数据块（DB）构成。其中，OB 是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的执行。每个S7CPU 包含一套可编程的OB 块，不同的OB 块执行不同的功能。OB1 是主程序循环块，控制各个功能的循环执行，调用为了实现控制功能而编写的功能FC、功能块FB。功能块FB 实际上是用户子程序，是由一个数据结构与该功能的参数表完全相同的数据块DB 构成，该DB 是背景数据块，存放在背景数据块中，数据在FB结束后继续保持。功能FC 包含经常使用的例行程序，是无存储区的逻辑块，FC的临时变量存储在局部数据堆栈中。数据块DB 是用户定义的用于存储数据的存储区，也可以被打开或关闭。DB可以是属于某个FB 的背景数据也可以是属于通用的全局数据块，用于FB 或FC。4.3 PLC 程序设计由于整个控制软件涉及多个控制器，多种通讯协议，多个工位并行工作，因此单独靠PLC 或单独靠上位机监控程序无法协调所有设备安全顺利的工作。整个控制程序要由几个部分相互配合，统一协调。PLC 控制实现测长、打标、涂色、喷标和步进梁的工作；上位机监控程序则读取测长光电管状态和编码器数值来计算钢管长度，读取钢管重量，并将喷标和打标的字符发送到喷标控制器和打标控制器。若上位机监控程序和PLC 协调不好，就可能会引起数据与实际钢管错位，喷标信息或打标信息不能正常发送，最后导致整个系统崩溃，给用户造成重大损失。为了解决这个问题，使MWBPS 系统能够正常稳定地工作，系统软件要求上位机监控程序和PLC 之间确保同步执行，通过某种通讯协议来协调。通讯协议主要有三次等待和三次通讯。介绍一下系统的工作流程：1） 点击自动按钮，PLC 进行系统自检，PLC 与上位机监控程序先进行握手通讯，PLC 将握手信号置为1，并进入等待三。上位机开始对称重仪表、打标控制器和喷标控制器进行通讯检测。当上位机确认通讯成功以后，将握手信号清为0。2） PLC 检测到握手信号为0 后，退出等待三，开始测长、打标、涂色、喷标工作。测长、打标、涂色和喷标工位都正确完成后，将各工位完成信号置为1，并进入等待二。3） 上位机读到各工位完成信号为1 后，开始计算钢管长度，读取称重工位重量。上位机完成这些工作后，将各工位完成信号清0。PLC 读到信号为0后，退出等待二，开始移动步进梁，置位等待一。当步进梁离开原点后PLC 置位钢管（数据）移位状态。4） 在钢管（数据）移位状态内，上位机也将钢管信息移一个位。当步进梁将钢管从一个工位移到下一个工位后PLC 置位循环准备信号。上位机读到循环准备信号为1 后，将需要喷标和打标的信息分别发送过去，发送成功后复位循环准备。5） PLC 读到循环准备信号为0 后退出等待一和钢管移位状态，开始下一轮循环，进行测长、称重、打标、涂色和喷标。4.3.1 PLC 喷标流程设计 喷标工位要求喷标速度快、平稳以及精度高，因此采用伺服电机来实现喷标定位，因此采用伺服电机来实现喷标定位，达到了相应的精度。并且应用方便，调试简单，只需在伺服放大器上调节参数就可以完成各种功能。伺服系统的速度及方向由外部脉冲发生器来决定。选用西门子S7 系列的定位模块FM453 来控制伺服电机的定位。它主要有以下功能：（1） 模式控制：提供手动、自动、参考点模式、增量等模型控制。应用时需要设置相应的参数，可以通过FM453 的监控界面来设置。（2） 定位：实现了轴的精确定位，能够从简单的点到点定位到复杂的模型加工。（3） 数字输入与输出：包括4 个数字量输入和4 个数字量输出。喷标系统中采用2 个输入作为电机参考点模式下原点定位用的原点开关和原点返回开关。（4） 软件限位开关：可以在软件中设置电机的最大行程来限制电机的运动。（5） 过程中断。（6） 错误诊断：通过调用FC 函数，来实现对FM453 内部错误、外部错误和外部通道错误的诊断。（7） 数据存储：通过调用FC 函数，对FM453 进行读写请求、执行模式控制（控制和反馈信号）。前章已经提及可以通过电子齿轮比的设定来协调电机脉冲反馈当量和脉冲和指令脉冲当量。喷标系统中指令脉冲是由FM453 来发出，FM453 模块其内部也需要设置电机每转的进给量和电机每转脉冲反馈量，它的设置应该跟伺服放大器里面的设置如电子齿轮比和电机脉冲反馈量相一致，否则就会出现通过读取FM453 内部存储器存储的所谓的实际位置跟电机的实际位置相差很大，从而导致定位不准确。FM453 模块还可以设置加减速来实现对位置指令的跟随程度。喷标系统在进入自动工作状态前，一定要先进行原点定位，满足FM453 进入自动工作状态的条件，否则FM453 不能正常工作，产生错误。喷标系统的工作步骤如下：FM453 检测满足进入自动工作状态条件后，PLC 检测到钢管到位且需要喷印，气缸下降到下限位，启动电机运动，在设置位置处发喷标开始信号给喷标控制器，开始喷标，到达终点，喷头上升至触发上限位传感器后进行清洗，清洗完毕，置位喷标完成，并退出程序。同样的，若喷标工位没有钢管，则PLC直接认为喷标完成；若该钢管认为是坏管，不需要喷印，也直接认为喷标完成。图41 是PLC 自动喷标的流程图。图41 PLC自动喷标的流程图4.3.2 I/O 喷标系统的生产效率要求高，平均12秒过一根管，其中包括小车初始化、原点判断及喷印标记完成时间，要求PLC输入输出模块的响应时间要短。根据现场传感器的个数、电机，、变频器、交流伺服电机的控制点数、气路系统电磁阀控制点数以及为系统预留20%的输出点数的原则进行计算，共需I/O点数50点。其中包括有无管判断、小车原点判断、喷头控制器、喷头下降时间判断、喷头受阻判断、报警、初始状态判断、正向喷标信号、反向喷标信号、喷头清洗信号、伺服电机控制、变频器控制、电磁阀等4.4 PLC程序设计特点PLC 程序的模块化设计提高了编程效率，使程序的调试和维护简单可靠方便；通过技术储备和资源共享，缩短控制系统的设计调试周期；软件的实用性强，可以以软件结构的不变和程序的少变区适应控制功能和工艺的变化；软件具有良好的可移植性和可扩展性，积木式的程序结构通过模块结合可编制大型、通用程序，并适合多个程序员开发。4.5 脉冲编码器脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，把机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移传感器。同时也可作速度