長春工業大學本科畢業設計論文 I 摘 要 可編程控制器 (PLC)作為控制系統的核心裝置，功能強大、性能穩定可靠。在現代工業自動化生產中得到了廣泛的應用。取得了理想的控制效果。 本論文以長春 佳鳴機械制造有限公司與我們合作開發的高速全自動卷紙包裝機控制系統為背景，理論與實踐相結合，詳細闡述了集 PLC 技術，變頻器技術，光電感應技術，通信技術于一體的先進控制技術在該包裝機控制系統中的應用。論文主要內容如下 :1.概述了可編程控制器 PLC 的現狀及其在包裝機械上應用的可能性和前景。 2.通過對卷紙包裝機生產工藝流程的了解，統計其輸入輸出1/O點，然后進行 PLC 選型，硬件組態的設計。 3.詳細分析了包裝紙放卷過程中的受力 (尤其是張力 )情況，并建立了數學模型，利用自適應控制原理實現了送料過程中的張力控制。 4.在卷紙包裝機中，卷紙和包裝紙要求能同時到達工位 1，這就產生了送料過程中的同步控制問題，在同步控制中，我們在卷紙供送系統的驅動軸上安裝一個半圓形金屬片，在側面裝上接近開關探頭，通過判斷每次光電傳感器檢測到色標時接近開關的輸出狀態，就能知道包裝紙供送系統是滯后還是超前于卷紙供送系統，從而使伺服電機正、反轉或不動，實現了送料過程中的同步控制。 5.卷 紙的包裝是一個典型的順序控制，因此我們利用一個移位寄存器，使工藝盤的每一個 V 形槽對應一個二進制位，通過移位寄存器的移動，實現了包裝過程的程序控制。 6.利用 Siemens 公司的編程軟件 Step7、監控組態軟件WinCC及其通信功能設計了包裝過程梯形圖、 STL語句及 PLC通信網絡，以完成數據的采集并控制輸出設備安全、高速、高效地運行，實現了該包裝過程的監視功能。 經過我們的努力，卷紙包裝機控制系統的設計已經完成。并且經過了嚴格的 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，基本達到了九十年代末期國際先進水平，較好地實現了廠方提出的控制要求。 關鍵詞 :包裝機 ； PLC； 張力控制 ； 自適應控制 ； 同步控制 ； WinCC； Step7 長春工業大學本科畢業設計論文 II ABSTRACT This thesis mainly discussed the design of control system of roll packing. As the kermel device control system, PLC is widely used in modern industrial production and do well in this field. This thesis takes the control system of the high-speed full-automatic roll packingmachine that was developed by ChangChunTaming Machine Manufacturing LimitedCompany along with us as a background. We apply the advanced control technique in the packing machine control system such as the technique of PLC, the inverter technique, light electricity technique and so on. By using these techniques, we realized tension control, Synchronous control in transmitting process and packing process program control. To complete the data of collecting and control the output equmeats to work safely, high speed and efficiently, we designed the PLC correspondence network by using the WinCC, a supervise control and configuration software of the company of Siemens, and its communication function, to realize the surveillance function of the packing process. The machine got the exaltation of the quality whether the function or the efficiency, basically came to the international advanced level in the late of 90s, realized well the control request that the company put forward. This control system is well running in the lab. Key words: Packing machine； PLC； tension control； self-adaptive Control； Synchronous control； WinCC； Step7 長春工業大學本科畢業設計論文 III 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT . II 第一章 緒 論 . 1 1.1可編程控制技術的現狀 . 1 1.2可編程控制技術的發展趨勢 . 1 1.3 PLC與其它工業控制系統的比較 . 3 1.3.1 PLC與繼電器控制系統的比較 . 4 1.3.2 PLC與單片機控制系統比較 . 5 1.3.3 PLC與計算機控制系統的比較 . 5 1.3.4 PLC與集散型控制系統的比較 . 6 1.4卷紙包裝機產生的背景及意義 . 6 1.5 PLC在包裝機械上應用的可能性和前景 . 6 1.6項目研究的主要內容 . 7 1.7論文的安排 . 8 長春工業大學本科畢業設計論文 1 第一章 緒 論 1.1可編程控制技術的現狀 可編程控制器 (Programmable Logical Controller)簡稱 PC或 PLC，是 60年代 末發明的工業控制器 件，是美國數字公司 (DEC)為美國通用公司 (GM)研制開發并成功應用于汽車生產線上，可編程控制器自此誕生。隨著計算機技術的飛速發展， PLC軟硬件水平與規模也發生了質與量的變化，其控制技術也朝著智能化方向不斷發展，同時推動了先進制造技術的相應發展。現代 PLC 已經成為真正的工業控制設備。最初， PLC主要是用在生產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了微電腦化的小型 PLC。由于 PLC是為工業控制所生產的通用性很強，適合于大批量生產的裝置，所以成本迅速下降 ；加上其是專為工業控制所設計，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，實現了低水平的操作、高性能的控制，所以在機械制造業深受歡迎。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，更有 全面取代傳統繼電器控制屏的趨勢。據國外資料介紹 :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、機械工業等 )、 13%來自石油化工業、 9%來自食品飲料業、 7%來自冶金工業、其余部分來自造紙、采礦、污水處理等部門 11。近年來，隨著我國對外開放，日、美、西德等國生產的 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展趨勢 隨著計算機科學的發展和工業自動化 愈來愈高的需求，可編程控制技術得到了飛速的發展，其技術和產品日趨完善。僅僅將 PLC 理解為開關量控制的時代已經過去， PLC不僅以其良好的性能滿足了工業生產的廣泛需要，而且將通信技術 長春工業大學本科畢業設計論文 2 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 方向發展 :一個是向超小型專用化和低價格方向發展 ；另一個是向高速多功能和 分布式自動化網絡方向發展。總的趨勢如下。 l一 t61: 1.可編程控制技術的標準化 在工業自動化產品繁花似錦的今天，各生產廠商既互相競爭又互相合作。一 種自動化產品的競爭力除表現 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品的出廠質量，另一方面也保證了 各個廠家產品的互相兼容。出廠檢驗時各可編程控制產品的廠家都有相應的技術 標準作依據。按照這些標準，各種型號的 PLC 產品對工業應用環境、抗干擾性等條目都給出了明確的規定。但是，這些標準目前只能是統一區域性的產品，而不能實現全球的統一性。為了使各廠家的產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，實現多 CPU并行處理或分時處理或分任務處理，實現各種模塊智能化，且部分系統程序用門陣列電路固化。這樣 PLC執行指令的速度將達到納秒級。 3.可編程控制技術的智能化 提高一個系統的智能程度不僅提高系統的品質，在某種意義上也提高了系統的可靠性。 4.系統的開放性和兼容性 開放性和兼容性是不可分割的而且是相輔相成的概念。一方面是某一產品和第三家同類產品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系統尤其是軟件上的開發平臺對使用者有多大的開 放程度。當今可編程控制產品種類繁多，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不同廠家的產品做主從站的現象，這就要求每一廠家的產品族中，都要考慮到和其他廠家產品的兼容性問題 ；另一方面，可編程控制器與工業控制機等其他裝置的通信難易也體現了開放性的特點。除此之外，同一廠家產品族中的各系列產品兼容性也代表了可編程控制產品的水平。 5.通用性和專業化的結合 可編程控制產品是通用的。但是工業的每一領域都有其自己的特點。怎樣才能使一個系統既具有通用性又具備專業化呢 ?硬件系統的模塊化便是解決這一矛盾的鑰匙。 這樣，適合于某個行業或某些特殊問題的專用模塊就可以很容易地集長春工業大學本科畢業設計論文 3 成到通用系統中去。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、而且整個系統都會實現冗余。但從根本上來講，系統的可靠性取決于系統各單元的可靠程度。要保證整個系統的可靠運行，首先要求系統各單元的質量要得到保證。 MTBF(平均無故障時間 )是衡量產品質量的重要指標。縱觀各著名廠商，其 PLC 產品都有不同程度的冗余功能，而且發展越來越完善。 7.控制系統分散化 根據分散控制、集中管理的原則， PLC 控制系統的 1/0 模塊將直接安裝在控制現場，通過通信電纜或光纖與主 CPU 進行數據通信。這樣使控制更有效，系統更可靠。 8.控制與管理功能一體化 為了滿足現代化大生產的控制與管理的需要， PLC將廣泛采用計算機信息處理技術、網絡通信技術和圖形顯示技術，使 PLC 系統的生產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基于現場總線的新型控制思想。 3.系統的智能性將越來越重要，因此系統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質量的重要判據。 5.通用性、高度專業化的融合是可編程控制系統的新特征。 1.3 PLC與其它工業控制系統的比較 在現代工業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，產品的計數以及溫度、壓力、流量等物理量的設定和控制等等。傳統的工業自動控制主要是由繼電器或分離的電子線路來實現的。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，一旦要實現改動或者優化，只能通過硬件的重新組合來實現。目前，工業界比較有代表性的控制方式主要有以下幾個類別 :繼電器控制系長春工業大學本科畢業設計論文 4 統，單片機控制系統，微型計算機系統，集散型控制系統。 1.3.1 PLC與繼電器控制系統的比較 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，其缺點是一個系統一旦確定就很難輕易再改動。如果要在現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據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配備的編程器在現場就可以完成更改。至于 PLC 對外部的聯系，只有 1/0 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的。工作頻率很低。一次動作一般為數十毫秒。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延時的，所以其定時精度低，調整不方便。且環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生的脈沖經多次分頻后得到的時基脈沖進行計數來定時的，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，只要根據需要由編程器送入時間常數即可實現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來實現的，所以如果是對外脈沖進行計數，就成為計數器?，F代的 PLC一般都具有定時器和計數器功能。 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據來代替觸點，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，一般進口產品每個 110 點為人民長春工業大學本科畢業設計論文 5 幣 80元左右 ；國產一般點 1/O為 60元左右。 1.3.2 PLC與單片機控制系統比較 雖然單片機的配置較微機系統簡單，成本也較易接受，但它仍然不 是為工業控制而設計的。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。盡管其有較強的數據處理能力，但工業控制都為開關量控制，所以其長處仍得不到發揮。單片機與 PLC的比較 :在很大程度上，單片機是專為工業控制而設計的。因此，它具有較好的環境適應性。事實上，現代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勢。但是不可否認，從單片機到工業控制裝置之間畢竟有一個硬件開發和軟件開發的過程。雖然 PLC 也有必不可少的軟件開發過程，但兩者所用的語言差別很大，單片機主要使用匯編 語言開發軟件。而 PLC 用專用的指令系統來編程的。前者復雜而易出錯，開發周期長。后者簡便易學，現場就可以開發調試。 單片機控制系統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 1/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的應用只是為某個特定的產品服務的。其通用性、兼容性和擴展性都相當差。 1.3.3 PLC與計算機控制系統的比較 PLC是專為工業控制所設計的。而微型計算機是為科學計算、數據處理等而 設計的，盡管兩者在技術上都采用了計算機技術，但 由于使用對象和環境的不同， PLC較之微機系統具有面向工業控制、抗干擾能力強、適應工程現場的溫度、濕 度環境、輸入、輸出一一般采用“光一電”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，使用面向工業控制的專用語言而使編程及修改方便。并有較完善的監控功能。而微機系統則不具備上述特點，一般對運行環境要求苛刻，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，微機系統的外設配備較多，有些對工業控制并非必須。因此 PLC 顯然較微機系 統更適合于工業控制。 長春工業大學本科畢業設計論文 6 1.3.4 PLC與集散型控制系統的比較 PLC 是由繼電器邏輯控制系統發展而來的。而集散控制系統 DCS (DistributionControl System)是由回路儀表控制系統發展起來的分布式控制系統，它在模擬量處理，回路調節等方面有一定的優勢。 PLC隨著微電子技術、計算機技術和通信技術的發展，無論在功能上、速度上、智能化模塊以及聯網通信上，都有很大的提高。并開始與小型計算機聯成網絡，構成了以 PLC 為重要部件的分布式控制系統。隨著網絡通信功能的不斷增強， PLC與 PLC及計算機 的互聯，可以形成大規模的控制系統，在數據高速公路上 (Data Highway)掛接在線通用計算機，實現在線組態、編程和下裝，進行在線監控整個生產過程，這樣就己經具備了集散控制系統的形態，加上 PLC 價格和可靠性優勢，使之可與傳統的集散控制系統相互競爭。 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。無論是與傳統的繼電器、接觸器控制邏輯相比，還是與現代的微型計算機系統乃至專用于控制的單片機相比，在工業控制方面 PLC 都具有明顯的優越性。尤其是對生產流水線、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、對環境無特殊要求、開發費用低、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點，是現代機電一體化產品控制裝置的理想選擇。 1.4卷紙包裝機產生的背景及意義 衛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，對衛生紙 的需求也越來越大，且對衛生紙的安全性，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品，價格昂貴。為此， 我們與長春 佳鳴機械制造有限公司合作，共同開發了“卷紙包裝機控制系統” 。 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復雜的控制長春工業大學本科畢業設計論文 7 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出其經濟性。當然我們不僅忽視了 PLC的另一個優點，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 與其他工業控制系統比較具有許多優點 : 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，可以實現繼電器無法實現的控制功能，實現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、各種包裝機上已經大量地采用了 PLC 來取代傳統的繼電器控制屏，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。更重要的是可以使原來無法實現的某些功能得以實現，使機器在某種程度上實現智能化。通過對各種控制系統的分析比較，我們決定采用 PLC控制系統。 1.6項目研究的主要內容 1.對可編程控制系統的現狀與發展趨勢作一簡單的介紹，明確背景知識與選型根據 ；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。 4.工控機軟件的設計，包括監界面設計、動態現場狀態顯示。 長春工業大學本科畢業設計論文 8 1.7論文的安排 全文共分五章。論文的第一章主要介紹了可編程控制器的現狀及發展趨勢及其在包裝機械上應用的可能性及前景，分析了 PLC 控制系統與其他控制系統的區別，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的控制方案、運行方式及硬件的選擇和組 態，并詳細介紹了組態的各模塊。第三章主要對控制系統的供電線路及包裝各工位的電氣圖進行設計，并根據放卷分切部分的受力分析，建立模型，然后依據自適應控制原理設計和實現了張力控制，同時也實現了送料過程中的同步控制并繪出了電路圖。第四章根據 PLC 原理用SIEMENS 的 STEP7 設計了某些功能塊的梯形圖和 STL 程序，并用 S7-PLCSIM simulator模擬其運行結果。為了實現監控，利用 SIEMENS的工控組態軟件設計了包裝過程的監視界面。長春工業大學本科畢業設計論文 9 第二章 PLC構成的包裝機控制系統的總體設計 第二章卷紙包裝機控制系統的 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 品和技術的應用。本系統在電氣控制部分設計時，充分考慮到用戶的功能需求和 與本系統機械部分的配合需求，在具體實現的過程中，又以系統的可靠性與易用 性為準則，盡量把本系統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。在設計控制系統之前，首先得了解其生產工藝。 2.1卷紙包 裝機生產工藝概述 卷紙包裝機主要功能是將來自卷紙庫的卷紙以每分鐘 60個的速率包裝成合 格的衛生卷筒紙。簡單的工藝流程如圖 2-1所示。 包裝紙以卷筒的形式放在原料架上，當上位機發出命令時，放卷電機動作， 開始放卷。放卷到一定長度 (長度由色標來檢測 )時，通過色標信號向切紙機構 發出指令。切紙機構采用交流變頻調速電機，帶動一個凸輪旋轉，以帶動切斷刀 上下運動，在凸輪上安裝一個位置傳感器，當凸輪轉到某一位置時，切刀向上運 動，二刀分離，當有色標信號時，刀又向下運動。切刀上、下的工作頻率可由變 頻 調速電機來調整，操作簡便。切好的紙片經整理后放入紙片庫中，等待推紙空 心臺送紙片。同時卷紙庫的卷紙經過整理等待托盤推桿送卷紙球。 包裝過程通過包裝工藝盤及其輔助機構來實現。包裝工藝盤共有八個 v 形槽， 三個加工工位，當包裝紙和待包裝的卷筒紙放入槽中后，由工藝盤載著其轉動， 依次送入各加工工位。工藝盤的轉動是由交流電機通過皮帶傳動帶動的，各加工 工位的動作是通過順序邏輯控制電磁閥進而帶動執行機構動作的。工件從 1號工 位裝入 ；在 2號工位由夾鉗機構完成前進，抓緊，旋轉，窩邊的動作，同時分別 向托盤和推紙空心臺 發出送紙球和送紙片信號 ；在 3號工位，包裝好的產品由于 重力作用落入成品庫 長春工業大學本科畢業設計論文 10 由于這是一個典型的順序控制，利用移位寄存器操作最為方便。設定一個 8位移位寄存器，每位移位寄存器相應于一個 V形槽，每 120ms移位一次，控制 相應的操作。當到 2號工位時發出上料信號，推紙空心臺推動紙片 (其總的上升 時間大于 490ms小于 640ms)，托盤推動紙球 (其總的上升時間略小于 640)同 時以相同的速度前進，當工藝盤 V形槽到達第一工位時，工藝盤停止，在此延時 150ms，待放紙空心臺壓到紙片到位行程開關，停止，托盤壓到托盤到位 行程開關， 托盤停止，完成了上料操作，當延時到，托盤和放紙空心臺后退，同時，插紙板 前進，托住紙球與工藝盤一同運動。當到達 2號工位時，工藝盤停止，延時 250ms， 同時發出上料信號，在此時段內，插紙板在工藝盤停止后也相繼停止，但由于慣 性，會使包裝紙帶著紙球旋轉一個較小的角度，使包裝紙能完全包住紙球，然后 再后退，同時夾鉗機構軸向運動，碰到限位開關時，軸向運動停止，而三個夾桿 同時徑向運動，抓緊包裝紙的兩端，當碰到抓緊限位開關時，夾鉗機構軸旋轉 90 度后繼續向前移動，進行窩邊。窩邊到位，該機構就后退。到達 3號工位時，成 品落下，完成一次包裝，這樣如此循環，直到發出停止信號。從圖 2-2的時序圖 分析，包裝一個衛生卷紙只需 880ms，可為什么在 1分鐘內卻只能包 60 個啦，這 里還有個 PLC掃描周期的問題，本包裝程序中 PLC掃描周期為 120 ms. 2.3可編程控制系統控制方案的設計 利用 PLC可以構成多種控制系統 :單機控制系統，集中控制系統，分散型控 制系統和遠程 1/0控制系統 lv。由于卷紙包裝機控制對象較多，有放卷分切中的 張力控制，包裝過程控制，送料過程中的同步控制，且被控對象比較集中，因此 我們采取 集中控制系統方案。集中控制系統如圖 2-3所示，每個被控制對象與可 編程控制器指定 I/0相連接，因此各被控對象之間的數據、狀態的變換不需要另 外設置專門的信號線路。該控制系統多用于控制對象所處的地理位置比較接近， 且相互之間的動作有一定聯系的場合。單主機控制方式，對主機要求較高，危險 相對集中。遠程 I/0控制系統的控制結構比較獨特，類似于集中控制系統，又具 長春工業大學本科畢業設計論文 11 有分散型控制系統的特點，經常用于控制規模中等，控制對象比較分散、工程費用較低的場合 圖 2-3集中控制系統 Fig 2-3 Concentration control system PLC作為一種控制設備，用它單獨構成一個控制系統是有局限性的，主要是 無法進行復雜運算，無法顯示各種實時圖形和保存大量歷史數據，也不能顯示漢 字和打印漢字報表，沒有良好的界面。這些不足，我們選用上位機來彌補。上位 機完成監測數據的存貯、處理與輸出，以圖形或表格形式對現場進行動態模擬顯 示、分析限值或報警信息，驅動打印機實時打印各種圖表。 為提高 PLC及系統的抗干擾能力，在硬件配置與安裝上，交流電源使用雙層 隔離，輸入信號光電隔離，遠離強電布線，模擬量信號和脈沖信號采用屏蔽線傳 遞，采用放射性一點接地等措施，消除或減弱共模和瞬變干擾。在軟件設計和編 程上，加上一些抗干擾模塊。 2.4系統的運行方式 運行方式分為手動、單步、周期及自動等四種操作方式。 1.手動 :各工步都可單獨點動，按鈕釋放即停止運行 ； 2.單步 :按下啟動按鈕，運行一個工步，到位即停。再按啟動，則進入下一工 步運行 ； 3.周期 :從初始位 置開始，按啟動按鈕，程序自動完成一個周期的動作后返 回到第一步開始位置停止 4.自動 :按啟動按鈕，程序完成一個周期的動作后又接著從第一步開始運行，自動循環。在自動方式下，中途若按下復位按鈕，則系統要繼續運行到第一步開始位置才停止 ；若按下停止按鈕，則運行立即停止，此時若再按啟動，系統即從該位置運行到第一步開始處停止。根據卷紙包裝機的實際運行情況，本系統采用自動運行和手動運行兩種方式。與運行方式的設計相對應，還必須考慮停止運行方式的設計?？删幊炭刂破鞯耐?運方式有正常停運，暫時停運和緊急停運 三種。根據控制系統要求， 由于包裝機運行期間采用循環工作方式，只有在工作結束或接收到操作人員的停止運行指令或設備出現故障或異常情況時才停止，因此本系統采用硬件切斷電源，使系統立即停車。 包裝機控制功能要求 : 手動運行可以用按鈕對包裝機的各個部分進行單獨控制，主要用于故障恢復與檢修 全自動運行按下啟動按鈕，系統即可連續、協調、周期性地循環完成各包裝動作，直到系統接收到停止運行信號。 長春工業大學本科畢業設計論文 12 2.5控制系統硬件總體設計 2.5.1總體結構關系 在前面己經說明，本系統采用可編程控制器 (PLC)和工控機兩級控制的結構。 PLC負責按鈕、行程 開關和其它開關量信號的輸入，以及發出信號去控制接觸器、 繼電器、變頻器等電氣元件，進而控制各電機的運行，同時控制相應指示燈的顯 示。工控機用來進行參數的修改與設定、全自動控制、在線監視、傳送信息等工 作。工控機通過串行口與 PLC相連，進行相互通信，所以工控機是通過發出命令 去控制 PLC的運行以達到進行全自動控制的目的。 2.5.2控制系統主要器件的選擇 卷紙包裝機控制系統主要器件包括工控機 (另配顯示器 )、 PLC、變頻器等。 它們的選擇都是以在保證功能的前提下盡可能地選擇可靠性高和使用方便的產品 為依據，具體 情況如下 : 工控機 本系統上位機選用研華 IPC-610工控機， 128M內存， lOG硬盤，內部底板 上有 4個 ISA總線插槽、 2個 PCI總線插槽和一個 CPU插槽，可以方便地進行系 統擴展，另外選配飛利浦 105A型顯示器，可清晰地顯示各種圖形和文字，運行 WINDOWSNT操作系統，外接打印機，打印報表。工控機由一臺 500VA的不間斷電源 UPS供電，保證報表數據的完整記錄。 下位 PLC的選型及其模塊配置 在進行這項工作之前，需要對控制對象和控制任務進行統計和分析。然后確 定系統的規模、機型和配值。據統計，該包裝 機控制系統需要配置如下的不同性 質的 I/0點 : 80個開關量輸入 ； 50個開關量輸出 ； 巧個模擬量輸入 ； 巧個模擬量輸出 ； 根據對上述控制任務的分析，本項目選擇了 Siemens的模塊化中小型 PLC系 統 S7-300，它能滿足中等性能要求的應用，應用領域相當廣泛。其模塊化、無 排風扇結構、和易于實現分布，易于用戶掌握等特點使得 S7-300成為各種從小 規模到中等性能要求控制任務的方便又經濟的方案。 S7-300系列所具有的多種 性能遞增的 CPU和豐富的且帶有許多方便功能的 I/0擴展模塊，使用戶可以完全 根據實際 應用選擇合適的模塊。當任務規模擴大并且愈加復雜時，可隨時使用附 加的模塊對 PLC進行擴展。 SIMATIC S7-300所具備的高電磁兼容性和強抗振動， 抗沖擊性，更使其具有最高的工業環境適應性。它具有很強的計算能力和完善的 指令集，以及通過 MPI接口和 SINEC LANS聯網的能力，適用于高速的過程處理 需要。本系統所用的主機模塊是 CPU 315-2DP，可以通過 MPI轉接電纜或通訊模 塊與計算機進行通訊，再加上其全面的診斷功能和完善的自我保護技術，使其具 有極高的可靠性，極其適合本系統的需求。除此之外， 它自帶的 STEP?編程軟件 功能強大，使用方便，也使開發過程變得簡單快捷。此外， S7-300系列 PLC還 具有模塊點數密度高，結構緊湊，性價比高，性能優越，裝卸方便等優點。 根據 I/0點數的確定要按照實際點數再加 20 Yo-30%的備用量及其特性，配 置了如下的模塊 Vl, 1. 2個模擬量輸入模塊 SM331 長春工業大學本科畢業設計論文 13 為 16路的模數轉換通道 ； 2. 4個模擬量輸出模塊 SM332 為 16路的模數轉換通道 ； 3. 4個數字量輸入模塊 SM321 輸入通道 ； 4. 3個數字量輸出模塊 SM322 關量輸出通道 ； 5.中央處理單元 CPU315-2DP； 6.通訊處理器 CP343一 5 7.接口模塊 IM360和 IM361 在本系統中， H刃的主要任務是接受外部開關信號 (按鈕、行程開關、繼電 器節點 )的輸入，判斷當前的系統狀態以及輸出信號去控制接觸器、繼電器等器 件，以完成相應的控制任務。除此之外，另一個重要的任務就是接受工控機 (上 位機 )的控制命令，以進行全自動包裝循環。圖 2-4給出了本項目中配置的 S7- 300PLC模板的型號和數量，下 面對使用的這些模塊作具體介紹 210 PLC的中央處理器 CPU315-2DP CPU31*)-2DP 是 S7一 300的大腦，其裝載存儲器的基本容量為 48K字節或 80K 字節，可用存儲卡擴充裝載存儲器，最大容量可達到 312。每執行 1000條二 進制指令約需 0JMS，最大可擴充 1024點數字量 1/O或 128路模擬量通道。 CPU315-2DP內裝硬件實時時鐘。 CPU315-2DP的操作系統是事件驅動的用戶程序掃描過程。 CPU響應哪個事 件，操作系統自動調用該事件的組織塊 OB o CPU315可調用 128個功能塊 FB (0 一 127)； 128個功能調用 FC (0-127)； 127個數據塊 DB (127, 0保留 )。 OB, F B, FC, DB的容量均不大于 8KB。此外，還有 38個系統功能塊 SFC集成在操 作系統中供用戶調用 ；有 9個系統數據塊 SDB裝載 S7-300系統參數。 CPU315-2DP適用于要求高速處理和中等 v0規模的任務。它可以裝載中等 規模的程序，并具有中等的指令執行速度。 接口模塊 IM360和 IM361 當 PLC系統的規模較大時，一個機架不能容納所有的模塊時， 就要增添擴展 機架，這時裝有 CPU的機架稱為主機架。主機架和擴展機架之間通過接口模塊 IM360和 IM361形成統一的整體。每個機架的接口模塊通過總線連接器連接到 I/O 模塊。接口模塊是自組態的，無需進行地址分配。具有指示系統狀態和故障的發 光二極管 LED。如果 CPU不確認此機架，則 LED閃爍。一個系統可以有中央機 長春工業大學本科畢業設計論文 14 架和最多三個擴展機架，每個機架最多八個擴展模塊，相鄰機架的間隔為 4厘米 到 10米。 IM360必須安裝在 S7-300的 0號主機架上， IM360和 IM361之間的最大距 離不超過 10米。 IM361接口模塊安裝在 S7-300的 1號到 3號的機架上 ；數據 通過連接線 368由 IM360傳輸到 IM361，再從 IM361傳輸到下個機架上的 IM361； 每個 IM361需要一個外部 24V電源，向擴展機架上的所有模塊供電?？赏ㄟ^電源 連接器連接 PS307負載電源。 通訊處理器模塊 CP343一 5 CP343 - 5通訊處理器是用于 PROFIBUS-FMS總線系統的 SIMATICS7- 300的通訊處理器。它內部帶有微處理器，用來分擔 CPU的通訊任務，并支持其 它的通訊連接。它可以通