基于PLC高速全自動包裝機的控制系統(tǒng)設計(程序及圖紙)

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基于PLC高速全自動包裝機的控制系統(tǒng)設計 題 目：基于PLC高速全自動包裝機的控制系統(tǒng)設計 指導教師： 職稱： 學生姓名： 學號： 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 院 （系）： 機電工程學院 答辯日期： 2015年6月23日 摘要 衛(wèi)生卷紙是人們生活中的必須品，隨著人們對紙質品用量的增加，對衛(wèi)生紙的需求也越來越大，且對衛(wèi)生紙的安全性，方便性要求也越來越高。為使包裝出的物品整齊、美觀并具有良好的包裝質量，研制高速、高效、高質、經(jīng)濟的新型包裝機是市場的迫切需求。本設計以高速全自動卷紙包裝機控制系統(tǒng)作背景，同時結合理論和實踐，細致地記述了：光電感應技術、PLC技術、通信技術于一體的先進控制技術在這款包裝機控制系統(tǒng)中的應用。 本設計主要內容如下：1.記述了可編程控制器PLC的現(xiàn)況和它在包裝機械上應用的可行性與前景。2.基于對卷紙包裝機生產(chǎn)工藝流程的認識，計算其輸入輸出I/O點，然后對PLC選型，硬件組態(tài)的設計。3.包裝紙包裝過程中的同步控制問題。4.利用Siemens公司的編程軟件Step7、和通信功能設計了包裝過程梯形圖、PLC通信網(wǎng)絡及STR語句，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與控制輸出設備的高速、高效、安全地運行。 經(jīng)過我們的努力，卷紙包裝機控制系統(tǒng)的設計已經(jīng)完成。并且經(jīng)過了嚴格的測試，在實驗室的模擬運行中，取得了良好的控制效果。使該機無論從功能上還是效率上都獲得了質的提高，較好地實現(xiàn)了控制要求。 關鍵詞：PLC 包裝機 同步控制 Step7 I Abstract A roll of toilet paper is peoples life must, with the increasing of the amount of paper products, the demand of toilet paper is also more and more big and the safety of toilet paper, convenience are increasingly high requirements. In order to make the goods neat, beautiful and have good packaging quality, the new packaging machine with high efficiency, high efficiency, high quality and economy is the urgent need of the market.The design of high-speed automatic roll paper packaging machine control system as the background, combined with theory and practice, carefully Chronicles photoelectric sensor technology, PLC technology and communications technology in one of the advanced control technology in this packaging machine control system application. The main contents of this design are as follows: 1. the present situation of the programmable controller PLC and its feasibility and prospect in the application of packaging machinery. 2. based on the recognition of the production process flow of the paper packaging machine, calculate the input and output I/O points, and then select the PLC, hardware configuration design. 3. Synchronization control in the process of packaging paper packaging. 4. Use Siemens STEP7 programming software, and the communication function design the packaging process ladder diagram, PLC communication network and STR statement, used to implement data acquisition and control output device of high speed, high efficiency and safe operation. After our efforts, the design of the control system of the paper packaging machine has been completed.. And after a rigorous test, in the laboratory simulation, achieved good control results. The machine was to improve the quality of both the function and efficiency, achieve better control of the request. Keywords： PLC Packing machine Synchronous control Step7 目錄 1 緒論 1 1.1 可編程控制技術的現(xiàn)狀 1 1.2 可編程控制技術的發(fā)展趨勢 1 1.3 PLC與其它工業(yè)控制系統(tǒng)的比較 3 1.3.1 PLC與繼電器控制系統(tǒng)的比較 3 1.3.2 PLC與單片機控制系統(tǒng)比較 4 1.3.3 PLC與計算機控制系統(tǒng)的比較 4 1.3.4 PLC與集散型控制系統(tǒng)的比較 5 1.4 卷紙包裝機產(chǎn)生的背景及意義 5 1.5 PLC在包裝機械上應用的可能性和前景 5 1.6 本設計研究的主要內容 6 1.7 設計的安排 6 2 卷紙包裝機控制系統(tǒng)的總體設計 8 2.1 卷紙包裝機生產(chǎn)工藝論述 8 2.2 控制方案的設計 9 2.3 系統(tǒng)的運行模式 10 3 控制系統(tǒng)硬件總體設計 11 3.1 總體結構關系 11 3.2 控制系統(tǒng)主要器件的選擇 11 4 電器線路和元件模塊的設計 13 4.1 供電線路 13 4.2 主要控制功能模塊的設計 13 4.2.1 裝料工位1 13 4.2.2 夾鉗抓緊、旋轉與窩邊工位2 15 4.3 卸料工位3分析 16 4.4 放卷、分切部分的張力控制 16 5 同步控制系統(tǒng)分析 18 5.1 送料過程中的同步控制 18 5.2 信號的獲取 18 5.3 同步控制電路原理的分析 19 6 系統(tǒng)的軟件設計 21 6.1 概述 21 6.1.1 可編程序控制器實現(xiàn)控制的要點 21 6.1.2 可編程序控制器實現(xiàn)控制的過程 22 6.1.3 可編程控制器實現(xiàn)控制的方式 22 6.2 PLC程序的總體結構 22 6.3 PLC軟件的選擇 23 6.4 Step7軟件的介紹 23 6.5 模塊化編程 23 6.6 程序的仿真調試 30 結論 31 致謝 32 參考文獻 33 附錄 35 I 1 緒論 1.1 可編程控制技術的現(xiàn)狀 可編程控制器（Programmable Logical Controller）簡稱PC或PLC，是60年代末發(fā)明的工業(yè)控制器件，是美國數(shù)字公司（DEC）為美國通用公司（GM）研制開發(fā)并成功應用于汽車生產(chǎn)線上，可編程控制器自此誕生[1]。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，PLC軟硬件水平與規(guī)模也發(fā)生了質與量的變化，其控制技術也朝著智能化方向不斷發(fā)展，同時推動了先進制造技術的相應發(fā)展?，F(xiàn)代PLC已經(jīng)成為真正的工業(yè)控制設備。最初，PLC主要是用在生產(chǎn)線控制和大型機械的控制上。但不久，西德的西門子（SIEMENS）公司、BBC公司就開始研制PLC，當時主要是用于軋鋼機、升降設備等大型設備上。70年代初，日本的OMRON也推出了他們的PLC。三菱、日立、富土、東芝、橫河、日電等公司也先后加入了PLC制造者的行列。70年代中期，美國和西德首先出現(xiàn)了微電腦化的小型PLC。由于PLC是為工業(yè)控制所生產(chǎn)的通用性很強，適合于大批量生產(chǎn)的裝置，所以成本迅速下降；加上其是專為工業(yè)控制所設計，所以具有極好的抗干擾性能；并且他的使用和維護都極為方便，實現(xiàn)了低水平的操作、高性能的控制，所以在機械制造業(yè)深受歡迎。小型PLC開始步入諸如塑料注塑機、包裝機械、橡膠機械、紡織機械等輕工機械的控制領域，其成本的低廉和性能的優(yōu)良對直接使用微機作為控制單元的做法構成了強有力的挑戰(zhàn)，更有全面取代傳統(tǒng)繼電器控制屏的趨勢。據(jù)國外資料介紹：1982年美國PLC用戶中，有48%來自自動程序操作部門（如汽車、拖拉機工業(yè)、機械工業(yè)等）、13%來自石油化工業(yè)、9%來自食品飲料業(yè)、7%來自冶金工業(yè)、其余部分來自造紙、采礦、污水處理等部門。近年來，隨著我國對外開放，日、美、西德等國生產(chǎn)的PLC已通過多種途徑進入了我國，引起了各方面的重視并得到應用。如寶鋼工程應用了數(shù)百臺PLC，首鋼、武鋼、開灤煤礦也分別應用了美國和西德的PLC。 1.2 可編程控制技術的發(fā)展趨勢 隨著計算機科學的發(fā)展和工業(yè)自動化愈來愈高的需求，可編程控制技術得到了飛速的發(fā)展，其技術和產(chǎn)品日趨完善[2]。僅僅將PLC理解為開關量控制的時代已經(jīng)過去，PLC不僅以其良好的性能滿足了工業(yè)生產(chǎn)的廣泛需要，而且將通信技術和信息處理技術融為一體，其功能也日趨完善。今后，PLC將主要朝著以下兩個方向發(fā)展：一個是向超小型專用化和低價格方向發(fā)展；另一個是向高速多功能和分布式自動化網(wǎng)絡方向發(fā)展。總的趨勢如下： （1）可編程控制技術的標準化 在工業(yè)自動化產(chǎn)品繁花似錦的今天，各生產(chǎn)廠商既互相競爭又互相合作。一種自動化產(chǎn)品的競爭力除表現(xiàn)在其技術上的個性外，更重要的還在于其滿足國際標準化的程度和水平。標準化一方面保證了產(chǎn)品的出廠質量，另一方面也保證了各個廠家產(chǎn)品的互相兼容。出廠檢驗時各可編程控制產(chǎn)品的廠家都有相應的技術標準作依據(jù)。按照這些標準，各種型號的PLC產(chǎn)品對工業(yè)應用環(huán)境、抗干擾性等條目都給出了明確的規(guī)定。但是，這些標準目前只能是統(tǒng)一區(qū)域性的產(chǎn)品，而不能實現(xiàn)全球的統(tǒng)一性。為了使各廠家的產(chǎn)品有一個共同的參考平面，制定了國際標準。 （2）CPU處理速度進一步加快 目前PLC的CPU與微型計算機的CPU相比，還處在比較落后的地步，最高的也僅僅處在80486一級。將來會全部使用64位RISC芯片，實現(xiàn)多CPU并行處理或分時處理或分任務處理，實現(xiàn)各種模塊智能化，且部分系統(tǒng)程序用門陣列電路固化。這樣PLC執(zhí)行指令的速度將達到納秒級。 （3）可編程控制技術的智能化 提高一個系統(tǒng)的智能程度不僅提高系統(tǒng)的品質，在某種意義上也提高了系統(tǒng)的可靠性。 （4）系統(tǒng)的開放性和兼容性 開放性和兼容性是不可分割的而且是相輔相成的概念。一方面是某一產(chǎn)品和第三家同類產(chǎn)品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系統(tǒng)尤其是軟件上的開發(fā)平臺對使用者有多大的開放程度。當今可編程控制產(chǎn)品種類繁多，加上自動化項目越來越大，致使常常在一個工程項目中出現(xiàn)不同廠家的產(chǎn)品做主從站的現(xiàn)象，這就要求每一廠家的產(chǎn)品族中，都要考慮到和其他廠家產(chǎn)品的兼容性問題；另一方面，可編程控制器與工業(yè)控制機等其他裝置的通信難易也體現(xiàn)了開放性的特點。除此之外，同一廠家產(chǎn)品族中的各系列產(chǎn)品兼容性也代表了可編程控制產(chǎn)品的水平。 （5）通用性和專業(yè)化的結合 可編程控制產(chǎn)品是通用的。但是工業(yè)的每一領域都有其自己的特點。怎樣才能使一個系統(tǒng)既具有通用性又具備專業(yè)化呢?硬件系統(tǒng)的模塊化便是解決這一矛盾的鑰匙。這樣，適合于某個行業(yè)或某些特殊問題的專用模塊就可以很容易地集成到通用系統(tǒng)中去。常用的專用模塊包括：定位模塊、溫度測量模塊、高速采樣模塊、網(wǎng)絡接口模塊等。 （6）可靠性進一步提高 隨著PLC進入過程控制的領域，對PLC可靠性的要求進一步提高。硬件冗余的容錯技術將進一步得到應用，不僅會有CPU單元冗余、通信單元冗余、電源單元冗余、1/0單元冗余、而且整個系統(tǒng)都會實現(xiàn)冗余。但從根本上來講，系統(tǒng)的可靠性取決于系統(tǒng)各單元的可靠程度。要保證整個系統(tǒng)的可靠運行，首先要求系統(tǒng)各單元的質量要得到保證。MTBF(平均無故障時間)是衡量產(chǎn)品質量的重要指標?？v觀各著名廠商，其PLC產(chǎn)品都有不同程度的冗余功能，而且發(fā)展越來越完善。 （7）控制系統(tǒng)分散化 根據(jù)分散控制、集中管理的原則，PLC控制系統(tǒng)的1/0模塊將直接安裝在控制現(xiàn)場，通過通信電纜或光纖與主CPU進行數(shù)據(jù)通信。這樣使控制更有效，系統(tǒng)更可靠。 （8）控制與管理功能一體化 為了滿足現(xiàn)代化大生產(chǎn)的控制與管理的需要，PLC將廣泛采用計算機信息處理技術、網(wǎng)絡通信技術和圖形顯示技術，使PLC系統(tǒng)的生產(chǎn)控制功能和信息管理功能融為一體。綜上所述，我們不難得出下面幾個結論：①工控機、計算機集散控制系統(tǒng)及PLC正在走著一條相互融合的道路。②智能分布式控制是可編程控制系統(tǒng)基于現(xiàn)場總線的新型控制思想。③系統(tǒng)的智能性將越來越重要，因此系統(tǒng)的分析運算能力將越來越強。④基于標準化的開放性和兼容性是衡量系統(tǒng)質量的重要判據(jù)。⑤通用性、高度專業(yè)化的融合是可編程控制系統(tǒng)的新特征[3]。 1.3 PLC與其它工業(yè)控制系統(tǒng)的比較 在現(xiàn)代工業(yè)設備及自動化項目中，我們會遇到大量的開關量、脈沖量及模擬量等控制裝置。如電機的啟動與停止，電磁閥的開閉，工件的位置、速度、加速度的測定，產(chǎn)品的計數(shù)以及溫度、壓力、流量等物理量的設定和控制等等。傳統(tǒng)的工業(yè)自動控制主要是由繼電器或分離的電子線路來實現(xiàn)的。這種控制方式雖然造價便宜，但卻存在許多致命的弱點：只適用于簡單的邏輯控制，僅適用某種控制項目，缺乏通用性，一旦要實現(xiàn)改動或者優(yōu)化，只能通過硬件的重新組合來實現(xiàn)。目前，工業(yè)界比較有代表性的控制方式主要有以下幾個類別：繼電器控制系統(tǒng)，單片機控制系統(tǒng)，微型計算機系統(tǒng)，集散型控制系統(tǒng)[4]。 1.3.1 PLC與繼電器控制系統(tǒng)的比較 繼電器控制是采用硬接線邏輯，利用繼電器觸點的串、并聯(lián)及時間繼電器的延遲動作來組成控制邏輯，其缺點是一個系統(tǒng)一旦確定就很難輕易再改動。如果要在現(xiàn)場做一些更改和擴展更是難以實行。而PLC是利用其內部的存儲器以數(shù)據(jù)形式將控制邏輯存儲起來的，所以只要改變PLC內存儲器的內容，也就可以實現(xiàn)更改控制邏輯的目的。對于PLC來講，只要用PLC配備的編程器在現(xiàn)場就可以完成更改。至于PLC對外部的聯(lián)系，只有I/O點，只要輸入輸出對象不變，就無須對硬接線作任何改動。 繼電器控制邏輯是依靠觸點的機械動作來實現(xiàn)的。工作頻率很低。一次動作一般為數(shù)十毫秒。對于復雜的控制，使用的繼電器越多，反應就越慢。而PLC是以微型計算機為基礎的控制裝置，其運行速度為每個指令步數(shù)十微秒(對于高速PLC則是5微秒以下)。并且內部有嚴格的同步，所以不會出現(xiàn)抖動的問題。 對于限時控制，繼電器是利用時間繼電器的延時動作來實現(xiàn)的。由于時間繼電器是利用空氣阻力，半導體延時電路來實現(xiàn)延時的，所以其定時精度低，調整不方便。且環(huán)境溫度變化等因素都會對定時精度有直接的影響。而PLC則是由晶體振蕩器所產(chǎn)生的脈沖經(jīng)多次分頻后得到的時基脈沖進行計數(shù)來定時的，定時范圍一般為0.1秒，也有0.01秒的，精度一般高于10毫秒，只要根據(jù)需要由編程器送入時間常數(shù)即可實現(xiàn)定時時間的設定或更改。由于PLC的定時是對時基脈沖進行計數(shù)來實現(xiàn)的，所以如果是對外脈沖進行計數(shù)，就成為計數(shù)器?，F(xiàn)代的PLC一般都具有定時器和計數(shù)器功能。 從可靠性和可維護性方面來看，繼電器控制邏輯由于使用了大量的機械觸點，連接線也多，觸點開閉時產(chǎn)生的電弧會使觸點損壞，動作時的機械振動還可能使接線松動，所以可靠性和可維護性都較差。而PLC則采用了無觸點的電子電路來替代繼電器觸點，確切地說是用存貯器內的數(shù)據(jù)來代替觸點，因此不存在上述缺點。而且體積小、功耗小、壽命長、可靠性高、還具有監(jiān)控功能和自檢功能，使程序的運行過程成為透明。 PLC一般還具有步進控制指令，可以進行步進控制，而繼電器邏輯就比較困難。繼電器邏輯只能對開關量進行控制。而PLC除了具有開關量控制功能外，有些功能較全的 PLC還具有A/D, D/A轉換裝置，可以用來對模擬量進行控制。但是目前在成本方面PLC還比繼電器貴，一般進口產(chǎn)品每個I/O點為人民幣80元左右；國產(chǎn)一般點I/O為60元左右。 1.3.2 PLC與單片機控制系統(tǒng)比較 雖然單片機的配置較微機系統(tǒng)簡單，成本也較易接受，但它仍然不是為工業(yè)控制而設計的。同樣存在著編程難、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍較差，成本高等缺點。盡管其有較強的數(shù)據(jù)處理能力，但工業(yè)控制都為開關量控制，所以其長處仍得不到發(fā)揮。單片機與PLC的比較：在很大程度上，單片機是專為工業(yè)控制而設計的。因此，它具有較好的環(huán)境適應性。事實上，現(xiàn)代PLC的核心就是單片微處理器。用單片機作控制部件在成本方面具有優(yōu)勢。但是不可否認，從單片機到工業(yè)控制裝置之間畢竟有一個硬件開發(fā)和軟件開發(fā)的過程。雖然PLC也有必不可少的軟件開發(fā)過程，但兩者所用的語言差別很大，單片機主要使用匯編語言開發(fā)軟件。而PLC用專用的指令系統(tǒng)來編程的。前者復雜而易出錯，開發(fā)周期長。后者簡便易學，現(xiàn)場就可以開發(fā)調試。 單片機控制系統(tǒng)僅適用于較簡單的自動化項目。硬件上主要受CPU、內存容量及I/O接口的限制；軟件上主要受限于與CPU類型有關的編程語言。一般說來單片機或單片機系統(tǒng)的應用只是為某個特定的產(chǎn)品服務的。其通用性、兼容性和擴展性都相當差。 1.3.3 PLC與計算機控制系統(tǒng)的比較 PLC是專為工業(yè)控制所設計的。而微型計算機是為科學計算、數(shù)據(jù)處理等而設計的，盡管兩者在技術上都采用了計算機技術，但由于使用對象和環(huán)境的不同，PLC較之微機系統(tǒng)具有面向工業(yè)控制、抗干擾能力強、適應工程現(xiàn)場的溫度、濕度環(huán)境、輸入、輸出一般采用“光電”隔離技術，并配備有可承受較大負載的繼電器或可控硅(也有用晶體管)輸出部件，一般可以直接驅動小型電機等負載。此外，使用面向工業(yè)控制的專用語言而使編程及修改方便。并有較完善的監(jiān)控功能。而微機系統(tǒng)則不具備上述特點，一般對運行環(huán)境要求苛刻，使用高級語言編程，要求使用者有相當水平的計算機硬件和軟件知識。此外，微機系統(tǒng)的外設配備較多，有些對工業(yè)控制并非必須。因此PLC顯然較微機系統(tǒng)更適合于工業(yè)控制。 1.3.4 PLC與集散型控制系統(tǒng)的比較 PLC是由繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的[5]。而集散控制系統(tǒng)DCS（Distribution Control System）是由回路儀表控制系統(tǒng)發(fā)展起來的分布式控制系統(tǒng)，它在模擬量處理，回路調節(jié)等方面有一定的優(yōu)勢。PLC隨著微電子技術、計算機技術和通信技術的發(fā)展，無論在功能上、速度上、智能化模塊以及聯(lián)網(wǎng)通信上，都有很大的提高。并開始與小型計算機聯(lián)成網(wǎng)絡，構成了以PLC為重要部件的分布式控制系統(tǒng)。隨著網(wǎng)絡通信功能的不斷增強，PLC與PLC及計算機的互聯(lián)，可以形成大規(guī)模的控制系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)高速公路上（Data Highway）掛接在線通用計算機，實現(xiàn)在線組態(tài)、編程和下裝，進行在線監(jiān)控整個生產(chǎn)過程，這樣就己經(jīng)具備了集散控制系統(tǒng)的形態(tài)，加上PLC價格和可靠性優(yōu)勢，使之可與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)相互競爭。 由于以上的原因，可以預見隨著PLC成本的下降和機器要求的提高，將很快在大部分場合取代繼電器控制屏。無論是與傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制邏輯相比，還是與現(xiàn)代的微型計算機系統(tǒng)乃至專用于控制的單片機相比，在工業(yè)控制方面PLC都具有明顯的優(yōu)越性。尤其是對生產(chǎn)流水線、動作復雜的單機，比起前述幾種控制手段來具有壽命長、可靠性高、對環(huán)境無特殊要求、開發(fā)費用低、周期短、無需專門的計算機軟、硬件知識就可在短期內掌握，功能擴展方便，成本可為一般用戶所接受等優(yōu)點，是現(xiàn)代機電一體化產(chǎn)品控制裝置的理想選擇。 1.4 卷紙包裝機產(chǎn)生的背景及意義 衛(wèi)生卷紙是人們生活中的必須品，隨著人們對紙質品用量的增加，對衛(wèi)生紙 的需求也越來越大，且對衛(wèi)生紙的安全性，方便性要求也越來越高。為使包裝出 的物品整齊、美觀并具有良好的包裝質量，研制高速、高效、高質、經(jīng)濟的新型 包裝機是市場的迫切需求。目前，該類包裝機多半為進口產(chǎn)品，價格昂貴。為此， 我選擇了關于卷紙包裝機控制系統(tǒng)設計的課題。 1.5 PLC在包裝機械上應用的可能性和前景 包裝機械的最大特點是動作復雜、頻繁，且有較多的執(zhí)行元件。在這種場合使用繼電器控制邏輯必然需要大量的中間繼電器，而這些中間繼電器在用PLC控制的情況下，就可以對其內部的輔助繼電器進行編程后來取代。從物理介質方面來講，前者是要用具體的電氣元件來組合，而后者只是PLC的內部寄存器，在PLC編程容量許可的范圍內，可以不花費額外的費用來實現(xiàn)復雜的控制邏輯。一般的PLC都有上百點內部輔助繼電器甚至更多，且還有多種專用的內部電器，足可以應付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是對PLC進行編程。事實上PLC用于這種場合是最能顯現(xiàn)出其經(jīng)濟性。當然我們不僅忽視了PLC的另一個優(yōu)點，那就是其運行速度及可靠性和壽命遠遠高于繼電器控制方式，從上述意義上來講，PLC最適合于需要大量中間繼電器的場合。且PLC與其他工業(yè)控制系統(tǒng)比較具有許多優(yōu)點： （1)更改控制邏輯只需修改軟件，無需對硬件作改動； （2)程序可以復制，批量生產(chǎn)很容易； （3)電氣硬件設計大大簡化； （4)由于PLC除有繼電器功能外，尚有多種其它功能，可以實現(xiàn)繼電器無法實現(xiàn)的控制功能，實現(xiàn)某種程度上的智能化，并有可能使機構簡化； （5)可靠性高； （6)成本相對于繼電控制而言稍高，但繼電器控制隨著所用中間繼電器數(shù)量的增加，成本急驟上升，而PLC控制幾乎保持不變，這一點對于復雜的控制來講具有無可比擬的優(yōu)越性； （7)具有擴展單元或擴展模塊，當需要較多1/0時可以方便地擴展。 因此，國外在注塑機、各種包裝機上已經(jīng)大量地采用了PLC來取代傳統(tǒng)的繼電器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。 我國包裝機械目前控制部件大多還沿用繼電器方式。如果能用PLC來取代的話，則可以簡化機械結構，機械和電氣設計都可以得到簡化[6]。更重要的是可以使原來無法實現(xiàn)的某些功能得以實現(xiàn)，使機器在某種程度上實現(xiàn)智能化。通過對各種控制系統(tǒng)的分析比較，我們決定采用PLC控制系統(tǒng)。 1.6 本設計研究的主要內容 （1）對可編程控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢作一簡單的介紹，明確背景知識與選型根據(jù)；分析PLC在包裝機械上應用的可能性與前景。 （2）卷紙包裝機各動作控制工藝的研究。了解卷紙包裝機的工作過程及工藝要求?？偨Y各機構的動作順序，將其用流程圖的形式表示出來，為實現(xiàn)高速全自動運動控制做準備。 （3）可編程控制器部分的設計，包括控制方案的選取與設計、I/0接口信號的確定、模塊的選擇，控制程序的設計與調試。 1.7 設計的安排 本設計共分六章。設計的第一章主要介紹了可編程控制器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢及其在包裝機械上應用的可能性及前景，分析了PLC控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)的區(qū)別，介紹了本課題的研究內容。第二章分析了卷紙包裝機工藝流程和包裝各動作的時序及包裝機速度的影響因素及提高方法，設計了包裝機控制系統(tǒng)的控制方案、運行方式及硬件的選擇。第三章主要對硬件進行總體設計。第四章主要是對控制系統(tǒng)的供電線路及包裝機各工位元件的設計。第五章主要是對包裝過程的同步控制系統(tǒng)進行分析。第六章根據(jù)PLC原理用SIEMENS的STEP7設計了某些功能塊的梯形圖，并用S7-PLCSIM simulator模擬其運行結果。 33 2 卷紙包裝機控制系統(tǒng)的總體設計 第一章介紹了可編程控制技術的一些概要情況，下面就具體結合卷紙包裝機電控系統(tǒng)的實際來看一下它的應用。這里需要說明的是，正如前面所提到的那樣，可編程控制技術并非單純是指PLC本身，而是包括其在內的一系列自動化控制產(chǎn)品和技術的應用。本系統(tǒng)在電氣控制部分設計時，充分考慮到用戶的功能需求和與本系統(tǒng)機械部分的配合需求，在具體實現(xiàn)的過程中，又以系統(tǒng)的可靠性與易用性為準則，盡量把本系統(tǒng)設計成為一個功能齊全、可靠性高且易于使用的包裝機設備。在設計控制系統(tǒng)之前，首先得了解其生產(chǎn)工藝。 2.1 卷紙包裝機生產(chǎn)工藝論述 卷紙包裝機主體作用是把來源卷紙庫的卷紙按照每分鐘60個的頻率包裝為滿足要求的衛(wèi)生卷筒紙。如圖2.1-1所示是簡易的工藝流程圖。包裝紙按照卷筒的形式安裝在原料架上方，一旦上位機釋放命令，放卷電機開始動作，放卷開始。放卷到規(guī)定長度（長度依靠色標來確定）時，通過色標信號向切紙機構發(fā)出指令。切紙機構用的是交流變頻調速電機，帶動一個凸輪旋轉，進而帶動切斷刀上下進行運動，在凸輪上放置一個位置傳感器，當凸輪轉到某一固定位置時，切刀開始向上運動，二刀分離，當出現(xiàn)色標信號時，刀又開始向下進行運動。切刀向上和向下的工作頻率可借助變頻調速電機進行調整，操作簡單方便。已經(jīng)完成切割的紙片經(jīng)過整理后放到紙片庫中，等待推紙空心臺送紙片。同時卷紙庫的卷紙通過整理等待托盤推桿送卷紙球。包裝過程依靠包裝工藝盤及其輔助機構來實現(xiàn)。包裝工藝盤一共有八個V形槽和三個加工工位，當包裝紙與待包裝的卷筒紙放到槽中之后，由工藝盤載著其開始轉動，依次送到每個加工工位。工藝盤的轉動是借助交流電機通過皮帶傳動帶動的，每個加工工位的動作是借助順序邏輯控制電磁閥帶動執(zhí)行機構動作的。工件先是從1號工位裝入，然后在2號工位由夾鉗機構完成前進，抓緊，旋轉以及窩邊的動作，同時依次向托盤與推紙空心臺發(fā)出送紙球和送紙片信號，最終在3號工位處，已經(jīng)包裝好的產(chǎn)品由于重力作用自由落入到成品庫中。 原包裝紙 防卷 切紙 紙片空心臺 紙片庫 工位3 工位2 工位1 V型槽 紙片整理 托紙盤 卷紙庫 圖2.1-1 卷紙包裝工藝流程圖 圖2.1-2包裝過程各工位時序圖 因為它是一個突出的順序控制，最簡便的方法是運用移位寄存器來運轉。移位寄存器假設是一個8位的，一個V形槽與一個移位寄存器吻合，移位一次要120ms，2號工位給出上料指令時，紙片被推動于推紙空心臺，紙球被托盤牽引并且用一樣的速度向前推進當?shù)谝还の磺『霉に嚤PV形槽相吻合時，工藝盤不動，拖延時間在這個時間是150ms，守候紙片被放紙空心臺壓到時，到位行程開關，關閉，托盤到位行程開關，被托盤壓到時，托盤不動，實現(xiàn)了送料目的，等到延時結束，齊頭并進。存紙空心臺與托盤向后運動，并且插紙板向前移動頂起紙球和工藝盤運動到2號工位的位置時，工藝盤不動，延時250ms指令，在這段時間內，當工藝盤不運作后插紙板也跟著停止運作，并且給出送料不過因為慣性會出現(xiàn)包裝紙繞著紙球以一個很小的角度旋轉，目的是讓紙球被包裝紙全部包起來，接著又向后運動，軸向移動的是夾鉗機構，限位開關被接觸到時，軸向移動就暫停，但是三個夾桿一起徑向移動，握撈包裝紙的兩頭，抓緊限位開關被打開時，經(jīng)過90度變化后夾鉗機構軸接著向前運動，完成窩邊后，這個機構就向后運動。與3號工位位置吻合時，產(chǎn)品自動掉下，包裝過程完成，過程反復進行，等到給出暫停指令。如圖2.1-2所示，包裝一個衛(wèi)生卷紙只需880ms，由于掃描周期的存在，所以一分鐘只能生產(chǎn)出60個產(chǎn)品。 2.2 控制方案的設計 根據(jù)卷紙包裝生產(chǎn)工藝，卷紙包裝機的控制系統(tǒng)主要包括放卷過程的控制，送料過程控制，同步控制，由于控制項目多，被控工序還都聚集在一塊，所以選用集中控制系統(tǒng)這方案。集中控制系統(tǒng)如圖2.2-1所示，可編程控制器特定I/0和每個被控制工序相通，所以被控對象中的狀態(tài)，數(shù)據(jù)的轉換不用另外開通信號線。PLC是一個控制設備，它在單獨的控制系統(tǒng)的缺點是有局限性，攻破不了有難度的計算，實時圖形，歷史記錄，顯示漢字。打印報表等功能在PLC中無法實現(xiàn)。針對這些缺陷，上位機的輔助是我們的理想選擇。上位機的功能是對數(shù)據(jù)的存貯、處理和輸出，用圖形或表格形式給現(xiàn)場用動態(tài)模擬圖來表達、預判限值或報警信號，根據(jù)實時需要打印報表。 控制器 A B C 控制對象 控制對象 控制對象 圖2.2-1集中控制系統(tǒng) 2.3 系統(tǒng)的運行模式 運行模式有四種分別是手動、單步、周期和自動。 （1）手動：每道工序都單獨運作，按開關按鈕即可控制。 （2）單步：按開始開關，運作一個工序，到位就停止。又按開始鍵，就是下一道工序的運作。 （3）周期：從第一道工序位置算起，按開始開關，程序自動實現(xiàn)一個來回的操作后返回到啟始位置停止。 （4）自動：按開始開關，程序自動實現(xiàn)一個來回的操作后返回到啟始位置又接著從第一步開始運行，自動調節(jié)。在自動模式時，如果按下復位開關，系統(tǒng)還是運行到第一步啟齒的地方才暫停；如果按停止開關，運行就馬上停止，這時候如果再按開始，系統(tǒng)就從這位置運行至啟始處停止。從卷紙包裝機的實際出發(fā)，自動運行和手動運行是我們最佳選擇[7]。和運行模式的設計對比，停止運動的模式也要策劃。正常停運，暫時停運和緊急停運是可編程控制器的三項停運方法?？紤]控制系統(tǒng)需要，因為包裝機運行模式是循環(huán)模式，當在操作完成或檢測到停止運行信號或機器出現(xiàn)問題或突發(fā)事情時才停止，所以該系統(tǒng)應用硬件切斷電源，讓系統(tǒng)馬上停車。 3 控制系統(tǒng)硬件總體設計 3.1 總體結構關系 由于PLC管理按鍵、行程開關與其它開關量信號的導入，和把信號送去控制接觸器、繼電器、變頻器等電氣元件，這樣就控制每個電機的運作，指示燈的顯示也得到了控制工控機的作用是參數(shù)的修改和設置、全自動控制、在線監(jiān)督、輸送信號。工控機由串行口和PLC相接，通信交換，因此工控機是用發(fā)出信號來控制PLC的運作來完成全自動控制[8]。 3.2 控制系統(tǒng)主要器件的選擇 工控機、PLC、變頻器是卷紙包裝機控制系統(tǒng)的主要零件。 工控機：本系統(tǒng)上位機選用研華IPC-610工控機，ISA總線插槽4個分布在內部底板上、由于有2個PCI總線插槽與一個CPU插槽，所以可以更簡捷的拓展系統(tǒng)，運用WINDOWSNT操作系統(tǒng)，打印機外接一個，目的是報表的打印。達到報表數(shù)據(jù)完善性。如下是PLC的選擇和它的模塊配置一定要對控制對象與控制目的計算與研討在工作開始前。這樣才可以明確系統(tǒng)的機型，規(guī)模，與配值。據(jù)了解，這個包裝機的控制操作系統(tǒng)應具備配置以下不相似的特點的I/0點。 首先選擇80個開關量導入；然后再選擇50個開關量導出；再對任意挑個類似量導入；最后任意挑個類似量導出；由控制任務得，該設計挑中了S7-300軟件，它的特點是適合中等控制系統(tǒng)的需要，而且被非常廣泛的應用。它的模塊化、沒有排風扇結構功能、但是很用以完成分布，用戶學習操作起來簡單等優(yōu)勢讓S7-300能達到各式由小規(guī)模到中等性能需求控制任務的簡捷且實惠的方式。 根據(jù)I/0點數(shù)的確定要按照實際點數(shù)再加20Yo-30%的備用量及其特性，配置了如下的模塊： （1）2個模擬量輸入模塊SM331為16路的模數(shù)轉換通道； （2）4個模擬量輸出模塊SM332為16路的模數(shù)轉換通道； （3）4個數(shù)字量輸入模塊SM321為輸入通道； （4）3個數(shù)字量輸出模塊SM322關量輸出通道； （5）中央處理單元CPU315-2DP； （6）通訊處理器CP343-5； （7）接口模塊IM360和IM361。 在該系統(tǒng)中，主要功能是收集外部開關信號（按鈕、行程開關、繼電器節(jié)點）的輸入，預測現(xiàn)在的系統(tǒng)的狀態(tài)和輸出信號來控制接觸器、繼電器等器件，用來達到控制任務的目的。另外，還有一個艱巨任務就是收集工控機的控制命令，達到全自動包裝循環(huán)的效果。本項目中配置的S7-3OOPLC模板的型號和數(shù)量如圖3.2-1所示。 IM 321 SM 322 IM 322 SM 322 IM 321 SM 321 IM 361 CPU模塊 處理部件 通信部件 PS 307 CP 3436 IM 331 IM 331 SM 332 IM 332 SM 332 IM 360 圖3.2-1系統(tǒng)結構和配置圖 變頻器的選擇 由于張力與精度控制聯(lián)系密切，且負載小的特性，所以選用的變頻器是西門子MICROMASTER 440矢量型變頻器。這個系列的變頻器控制和動態(tài)感應度都很好。另外，因為他的內部配備各種相關量數(shù)組構成，增加控制的自由度，讓這款變頻器更多運用在高運動性能的控制領域。完善了各種各樣控制工程的需求。尤其是近期時期，這種工程型變頻器的系統(tǒng)被大部分應用在機電氣造紙生產(chǎn)行業(yè)中。MICROMASTER 440系列變頻器作用穩(wěn)定，可以適合各類環(huán)境的應用需求[9，10]。 在卷紙包裝機控制的系統(tǒng)里大部分傳感器用開關量分配給PLC，用它給執(zhí)行決定的根據(jù)，例如： （1）上位機開始命令 （2）色標信號 （3）貨物配送命令 （4）紙片上路徑按鈕 （5）紙球上路徑按鈕 （6）工藝盤標準位置1,2,3工位的路徑按鈕 （7）送料機、皮帶、推紙機的停止和開始命令 （8）皮帶、電磁閥等的電源信號等 4 電器線路和元件模塊的設計 用三相異步電動機提供動力，通過專門的變頻器電源提供，轉速用變頻調速來完成。配備數(shù)臺小型電機依次輔助驅動提供動力源，切紙機構，送料機構，插紙板，拿放操作手等[11]。針對這款包裝機的工序流程，大體包括原包裝紙給料動作中的張力控制，送料步驟中的同步控制，包裝動作的控制等。工藝盤的轉動的動力源由三相異步電機用皮帶傳動提供的，電磁發(fā)給各道工序帶來外加的動力轉向從而帶動機械結構移動來完成的。 4.1 供電線路 如圖4.1-1所示，三相電源通過滑線導入電氣柜中，通過一個露天開關（QS1）后連接電機主回路與系統(tǒng)的次回路。其控制部分配備了1.2KW的變壓器（TC2）將380V的電壓變?yōu)?20V，還要分5條回路輸出，依次向工控機、PLC, PLC輸入回路、PLC輸出回路與繼電器回路輸送電源。以便達到故障分散的目的，而且益于調試與檢測。在QS1前導出的一路電源的目的是給空調器與照明燈提供電源，由于它們都是屬于附屬設備，和控制無關，因此可以從QS1之前引出，為了在檢修時也不干涉它的正常運作[12]。 圖4.1-1供電線路 4.2 主要控制功能模塊的設計 4.2.1 裝料工位1 要滿足高速包裝的要求，紙片與紙球需要迅速移動送到1工位，所以一定要考慮電機的速度響應性。步進電機從靜止加速到工作轉速(一般為每分鐘幾百轉)需要的時間大約為200-400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能比較強，以松下MSMA 400W交流伺服電機作為對照，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒就可實現(xiàn)，可用于要求快速啟停的控制場合。因此我們選用交流伺服電機作為裝料機構的執(zhí)行電機。在該工位上，推紙空心臺推動已經(jīng)切好的包裝紙片，托盤推桿推動紙球的同時按照相同的速度前進，當壓到紙片到位行程開關時，推紙空心板停止，當壓到托盤到位行程開關時，托盤停止。卷紙與包裝紙已進入這一工位，電機帶動工藝盤繼續(xù)不停轉動，與此同時插紙板向前作運動，托盤推桿以及推紙空心臺退到原來位置。包裝紙推紙空心臺與卷紙托盤推桿要自動在工藝盤與地面之間不停往返進而完成送料動作，控制線路圖如圖4.2.1-1所示。 圖4.2.1-1裝料工位控制線路圖 為了能夠在正式工作開始前合理調整推紙空心臺與卷紙托盤推桿的位置，本線路設置的有操作選擇控制，由按鈕SB2以及中間繼電器KA構成。如果要調整他們的方位，就不能按下選擇按鈕SB2，這樣一來KA無法得電其常開觸點斷開，電動機正反轉控制電路只能完成點動控制。推板位置調準后，按下SB2使KA得電，其常開觸點閉合，電動機的正反轉控制電路才可以實現(xiàn)連續(xù)的動作。在工藝盤的底部位置裝有四個行程開關SQa，SQb，SQc，SQp，包裝機底部裝有兩個行程開關SQd,，SQg(推板處在裝料位)，一旦KT2延時到，即在1工位裝料動作完成，KT2常開觸點閉合，KMd,，KMr得電并且互鎖，兩電機進行反轉，推紙空心臺與托盤推桿同時開始下降，分別壓動SQd,，SQg時，便停止下降。當工藝盤轉到V3或V7槽時，壓動行程開關SQa,，KT1得電，當延時到，其常開觸點閉合，放紙空心臺與托盤推桿一起往上升起，重復以上操作，SQp為到工位1時的行程開關，延時150毫秒之后，工藝盤開始轉動，同時放紙空心臺與托盤推桿開始下降。SQa為到工位2時的行程開關，當?shù)竭_此處時，釋放進料信號，放紙空心臺與托盤推桿開始上升。 KMF得電自鎖，推紙空心臺上升 當壓動SQb KMF失電，上升停止 先按SBF KM得電自鎖，托盤推桿上升 當壓動SQc KM失電，上升停止 4.2.2 夾鉗抓緊、旋轉與窩邊工位2 如圖4.2-1所示，當運行到V2和V6槽的時候，先是由這一位的行程開關釋放信號，夾鉗機構軸向電機開始動作，此時打開氣缸的電磁閥，讓兩邊的夾鉗機構能夠沿軸進行運動，到達限位開關時，軸向運動便停止，夾鉗機構徑向運動電磁閥打開，三個夾桿一起沿著導軌作徑向運動，當?shù)竭_抓緊開關時，抓緊動作正式結束。持續(xù)延時50ms，在這個時間段中，主電機帶動這一機構軸旋轉90度，此時延時正式結束，軸向電機繼續(xù)進行動作，完成窩邊工序。接著徑向電機反轉，同時松開夾緊裝置，軸向電機進行反轉，讓夾鉗機構退回到原來位置。 圖4.2-1 第二工位控制線路原理圖 按下SB1， KA得電，KMr2得電，M2正轉，軸向電機開始前進，前進到位夾緊結束松開SB1，KA斷電，mKMr1通電，M1反轉（放松），放松到位。如此自動循環(huán)。 KMr2斷電，M2停轉 壓動SQb KMf1通電，M1正轉， KOC動作 KMr2再得電，軸向電機M2繼續(xù)前進，前 加緊，加緊到位 進到位，壓動SQk，KMr2斷電，M2停止 壓動SQa KMf1斷電，M1停轉，加緊結束 M1停，放松結束 KMf2通電，M2反轉，軸 M2停轉，后退結束 向電機后退，后退到位 壓動SQd KMr1得電，M1反轉，再繼續(xù)放松，放松到位， 壓動SQc，KMr1斷電，M1停止 4.3 卸料工位3分析 運行置工位三時，卷紙己經(jīng)通過支撐平臺，所以出于重力作用，自然的下落到產(chǎn)品庫里。 4.4 放卷、分切部分的張力控制 卷紙包裝機有一套傳動系統(tǒng)，包括放卷，切斷，每個部分由一臺電動機帶動。從放卷到切斷，包裝紙是連續(xù)的，當機器起動時，由上位機發(fā)出命令，主速節(jié)點的電機開始轉動，同時通知其它各節(jié)點開始協(xié)調動作，以保證各段包裝紙的線速度一致，從而使張力趨于穩(wěn)定，停機時同樣如此。在升降速過程中，主速節(jié)點必須發(fā)送升降速標志給其它各節(jié)點，使他們在控制各自張力時作出相應的補償，這個過程要求響應快。當某一段張力出現(xiàn)允許范圍內的抖動時，系統(tǒng)也應該作出上述反應。由主速節(jié)點測量到的包裝紙線速度必須實時傳到放卷節(jié)點，當某一軸上的包裝紙即將放完時，該部分的另一軸應該提前轉動起來，并且線速度和主速節(jié)點傳過來的速度值保持一致，這樣才能實現(xiàn)無速度差轉接，以減少廢料。機器運行過程中，一旦某個部分出現(xiàn)故障，其測控節(jié)點應將信息立即傳往上位機，上位機發(fā)出急停命令使下位機各節(jié)點同時對各自電機進行直流制動。 在分切的過程中，由于放卷輥上包裝紙的直徑越放越小，放卷機系統(tǒng)的轉動慣量的變化范圍很大，采用一般的控制方法難以取得滿意的控制效果。而采取基于PLC的自適應控制方法則可消除系統(tǒng)轉動慣量變化的影響，達到優(yōu)良的控制效果。 5 同步控制系統(tǒng)分析 卷紙機設備的同步控制系統(tǒng)框，機械動力在提供給產(chǎn)品供送系統(tǒng)的同時還提供給差速器，把差速器的輸出提供給包裝材料的供送（無同步控制的設備是直接把機械動力傳輸?shù)桨b材料的供送系統(tǒng)）[13]。把產(chǎn)品供送與包裝材料供送的信號反饋到同步控制電路，對比兩者是不是同步進行的。如果是同步進行，伺服電機停止不進行動作，差速器把輸入的速度輸出來給包裝材料供送系統(tǒng)[14]。不然當包裝材料供送比產(chǎn)品的供送慢時，伺服電機正轉，差速器在正常輸出的速度基礎上疊加一個正補償，增加包裝材料的供送速率，直到兩者在同步范圍之內；當包裝材料供送速度比產(chǎn)品的供送速度快時，伺服電機進行反轉，使包裝材料的供送速度減慢，這樣二者速度一樣[15]。 5.1 送料過程中的同步控制 在高速全自動包裝機運作的一系列動作中，產(chǎn)品的供送及包裝材料的供送全部是連續(xù)實行的，并且它們分別收到外在因素的影響，舉例來說：生產(chǎn)中速度的調換、包裝材料的張力變化以及拉伸率不均勻等等，所以這兩個系統(tǒng)相互之間有一個需要隨時調整速度的同步控制問題[16]。 5.2 信號的獲取 當包裝材料需要按照固定長度裁斷時，比如單個衛(wèi)生卷紙的包裝，包裝材料以卷筒的形式放置在原料架上，且每隔一段固定長度都會印有一個色標。在衛(wèi)生卷紙供送的同時，包裝材料還要執(zhí)行一個切斷程序，這就大大加大了同步供送的復雜性[17]。如圖5.2-1所示：包裝材料每供送到要求長度時，光電傳感器識別到色標信號，把色標信號作為同步信號送給比較器，同時把信號輸送給切紙機構，由于切紙機構和包裝材料在水平方向上是同步的（關于切紙機構和包裝材料的同步控制在此不進行一一論述），所以他并不對送料速度產(chǎn)生影響。產(chǎn)品供送系統(tǒng)的信號依靠接近開關取出。如 包裝材料 色標 光電傳感器 差速器 伺服電機 比較器 機械動力 產(chǎn)品供送系統(tǒng) 產(chǎn)品供送信號的獲取 圖5.2-1 同步控制方法 圖5.2-1所示，在產(chǎn)品的供送系統(tǒng)驅動軸上放置一個半圓形金屬片1，在側面放置一個接近開關J的小型探頭，如圖所示的瞬間，快要接近開關時無法感應到金屬片1，我們假設輸出狀態(tài)是1，當產(chǎn)品供送軸3開始作旋轉動作時，半圓金屬片擋住了接近開關，此時接近開關的輸出狀態(tài)J是0，所以產(chǎn)品的供送軸每作旋轉動作一圈，靠近開關的1與0輸出狀態(tài)大概分別占一半的時間。假設光電傳感器S檢測到有色標信號時的輸出狀態(tài)是1，而無色標信號時輸出是0，此時只需判斷每次光電傳感器檢測到色標時靠近開關的輸出狀態(tài)，就可以得到產(chǎn)品供送系統(tǒng)比包裝材料供送系統(tǒng)是滯后還是超前。在圖5.2-1所示時刻，此時光電傳感器S輸出是1時，接近開關J的輸出也是1，因此能夠認為產(chǎn)品供送滯后，當J為0時，也就是半圓金屬片遮當住了接近開關時，S是1，則產(chǎn)品供送是超前的。我們可以根據(jù)這樣的判斷來控制伺服電機對產(chǎn)品供送系統(tǒng)的速度進行補償。一旦兩個系統(tǒng)正好同步，在圖5.2-1的同步范圍內，要求伺服電機既不正轉也不反轉，處于停止狀態(tài)。具體作法是讓控制電路在超前和滯后的轉換時，由跳變信號觸發(fā)，給出一段延時時間，在這段時間內獲得色標信號S表示同步，控制伺服電機不進行動作。這段延時時間的長短是可供隨時調節(jié)的，因此達到同步精度可調的目的。在這段延時結束后，