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基于PLC高速全自動(dòng)包裝機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 題 目：基于PLC高速全自動(dòng)包裝機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 職稱： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)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(duì)紙質(zhì)品用量的增加，對(duì)衛(wèi)生紙的需求也越來越大，且對(duì)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(zhì)量，研制高速、高效、高質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的新型包裝機(jī)是市場(chǎng)的迫切需求。本設(shè)計(jì)以高速全自動(dòng)卷紙包裝機(jī)控制系統(tǒng)作背景，同時(shí)結(jié)合理論和實(shí)踐，細(xì)致地記述了：光電感應(yīng)技術(shù)、PLC技術(shù)、通信技術(shù)于一體的先進(jìn)控制技術(shù)在這款包裝機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。 本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容如下：1.記述了可編程控制器PLC的現(xiàn)況和它在包裝機(jī)械上應(yīng)用的可行性與前景。2.基于對(duì)卷紙包裝機(jī)生產(chǎn)工藝流程的認(rèn)識(shí)，計(jì)算其輸入輸出I/O點(diǎn)，然后對(duì)PLC選型，硬件組態(tài)的設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)了包裝過程梯形圖、PLC通信網(wǎng)絡(luò)及STR語句，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與控制輸出設(shè)備的高速、高效、安全地運(yùn)行。 經(jīng)過我們的努力，卷紙包裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。并且經(jīng)過了嚴(yán)格的測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)室的模擬運(yùn)行中，取得了良好的控制效果。使該機(jī)無論從功能上還是效率上都獲得了質(zhì)的提高，較好地實(shí)現(xiàn)了控制要求。 關(guān)鍵詞：PLC 包裝機(jī) 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(shù)的現(xiàn)狀 1 1.2 可編程控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 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(jī)控制系統(tǒng)比較 4 1.3.3 PLC與計(jì)算機(jī)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(jī)產(chǎn)生的背景及意義 5 1.5 PLC在包裝機(jī)械上應(yīng)用的可能性和前景 5 1.6 本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容 6 1.7 設(shè)計(jì)的安排 6 2 卷紙包裝機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 8 2.1 卷紙包裝機(jī)生產(chǎn)工藝論述 8 2.2 控制方案的設(shè)計(jì) 9 2.3 系統(tǒng)的運(yùn)行模式 10 3 控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì) 11 3.1 總體結(jié)構(gòu)關(guān)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(shè)計(jì) 13 4.1 供電線路 13 4.2 主要控制功能模塊的設(shè)計(jì) 13 4.2.1 裝料工位1 13 4.2.2 夾鉗抓緊、旋轉(zhuǎn)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(hào)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(shè)計(jì) 21 6.1 概述 21 6.1.1 可編程序控制器實(shí)現(xiàn)控制的要點(diǎn) 21 6.1.2 可編程序控制器實(shí)現(xiàn)控制的過程 22 6.1.3 可編程控制器實(shí)現(xiàn)控制的方式 22 6.2 PLC程序的總體結(jié)構(gòu) 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(diào)試 30 結(jié)論 31 致謝 32 參考文獻(xiàn) 33 附錄 35 I 1 緒論 1.1 可編程控制技術(shù)的現(xiàn)狀 可編程控制器（Programmable Logical Controller）簡(jiǎn)稱PC或PLC，是60年代末發(fā)明的工業(yè)控制器件，是美國(guó)數(shù)字公司（DEC）為美國(guó)通用公司（GM）研制開發(fā)并成功應(yīng)用于汽車生產(chǎn)線上，可編程控制器自此誕生[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC軟硬件水平與規(guī)模也發(fā)生了質(zhì)與量的變化，其控制技術(shù)也朝著智能化方向不斷發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)了先進(jìn)制造技術(shù)的相應(yīng)發(fā)展。現(xiàn)代PLC已經(jīng)成為真正的工業(yè)控制設(shè)備。最初，PLC主要是用在生產(chǎn)線控制和大型機(jī)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(dāng)時(shí)主要是用于軋鋼機(jī)、升降設(shè)備等大型設(shè)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(guó)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(qiáng)，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(shè)計(jì)，所以具有極好的抗干擾性能；并且他的使用和維護(hù)都極為方便，實(shí)現(xiàn)了低水平的操作、高性能的控制，所以在機(jī)械制造業(yè)深受歡迎。小型PLC開始步入諸如塑料注塑機(jī)、包裝機(jī)械、橡膠機(jī)械、紡織機(jī)械等輕工機(jī)械的控制領(lǐng)域，其成本的低廉和性能的優(yōu)良對(duì)直接使用微機(jī)作為控制單元的做法構(gòu)成了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，更有全面取代傳統(tǒng)繼電器控制屏的趨勢(shì)。據(jù)國(guó)外資料介紹：1982年美國(guó)PLC用戶中，有48%來自自動(dòng)程序操作部門（如汽車、拖拉機(jī)工業(yè)、機(jī)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(guó)對(duì)外開放，日、美、西德等國(guó)生產(chǎn)的PLC已通過多種途徑進(jìn)入了我國(guó)，引起了各方面的重視并得到應(yīng)用。如寶鋼工程應(yīng)用了數(shù)百臺(tái)PLC，首鋼、武鋼、開灤煤礦也分別應(yīng)用了美國(guó)和西德的PLC。 1.2 可編程控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化愈來愈高的需求，可編程控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，其技術(shù)和產(chǎn)品日趨完善[2]。僅僅將PLC理解為開關(guān)量控制的時(shí)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(shù)和信息處理技術(shù)融為一體，其功能也日趨完善。今后，PLC將主要朝著以下兩個(gè)方向發(fā)展：一個(gè)是向超小型專用化和低價(jià)格方向發(fā)展；另一個(gè)是向高速多功能和分布式自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展?？偟内厔?shì)如下： （1）可編程控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化 在工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品繁花似錦的今天，各生產(chǎn)廠商既互相競(jìng)爭(zhēng)又互相合作。一種自動(dòng)化產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力除表現(xiàn)在其技術(shù)上的個(gè)性外，更重要的還在于其滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的程度和水平。標(biāo)準(zhǔn)化一方面保證了產(chǎn)品的出廠質(zhì)量，另一方面也保證了各個(gè)廠家產(chǎn)品的互相兼容。出廠檢驗(yàn)時(shí)各可編程控制產(chǎn)品的廠家都有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作依據(jù)。按照這些標(biāo)準(zhǔn)，各種型號(hào)的PLC產(chǎn)品對(duì)工業(yè)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)目前只能是統(tǒng)一區(qū)域性的產(chǎn)品，而不能實(shí)現(xiàn)全球的統(tǒng)一性。為了使各廠家的產(chǎn)品有一個(gè)共同的參考平面，制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 （2）CPU處理速度進(jìn)一步加快 目前PLC的CPU與微型計(jì)算機(jī)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(jí)。將來會(huì)全部使用64位RISC芯片，實(shí)現(xiàn)多CPU并行處理或分時(shí)處理或分任務(wù)處理，實(shí)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(dá)到納秒級(jí)。 （3）可編程控制技術(shù)的智能化 提高一個(gè)系統(tǒng)的智能程度不僅提高系統(tǒng)的品質(zhì)，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(tái)對(duì)使用者有多大的開放程度。當(dāng)今可編程控制產(chǎn)品種類繁多，加上自動(dòng)化項(xiàng)目越來越大，致使常常在一個(gè)工程項(xiàng)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(jī)等其他裝置的通信難易也體現(xiàn)了開放性的特點(diǎn)。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(jié)合 可編程控制產(chǎn)品是通用的。但是工業(yè)的每一領(lǐng)域都有其自己的特點(diǎn)。怎樣才能使一個(gè)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(gè)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(cè)量模塊、高速采樣模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊等。 （6）可靠性進(jìn)一步提高 隨著PLC進(jìn)入過程控制的領(lǐng)域，對(duì)PLC可靠性的要求進(jìn)一步提高。硬件冗余的容錯(cuò)技術(shù)將進(jìn)一步得到應(yīng)用，不僅會(huì)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(gè)系統(tǒng)都會(huì)實(shí)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(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，首先要求系統(tǒng)各單元的質(zhì)量要得到保證。MTBF(平均無故障時(shí)間)是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)?？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(chǎng)，通過通信電纜或光纖與主CPU進(jìn)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(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)，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(gè)結(jié)論：①工控機(jī)、計(jì)算機(jī)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(chǎng)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(yùn)算能力將越來越強(qiáng)。④基于標(biāo)準(zhǔn)化的開放性和兼容性是衡量系統(tǒng)質(zhì)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(shè)備及自動(dòng)化項(xiàng)目中，我們會(huì)遇到大量的開關(guān)量、脈沖量及模擬量等控制裝置。如電機(jī)的啟動(dòng)與停止，電磁閥的開閉，工件的位置、速度、加速度的測(cè)定，產(chǎn)品的計(jì)數(shù)以及溫度、壓力、流量等物理量的設(shè)定和控制等等。傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)控制主要是由繼電器或分離的電子線路來實(shí)現(xiàn)的。這種控制方式雖然造價(jià)便宜，但卻存在許多致命的弱點(diǎn)：只適用于簡(jiǎn)單的邏輯控制，僅適用某種控制項(xiàng)目，缺乏通用性，一旦要實(shí)現(xiàn)改動(dòng)或者優(yōu)化，只能通過硬件的重新組合來實(shí)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(gè)類別：繼電器控制系統(tǒng)，單片機(jī)控制系統(tǒng)，微型計(jì)算機(jī)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(diǎn)的串、并聯(lián)及時(shí)間繼電器的延遲動(dòng)作來組成控制邏輯，其缺點(diǎn)是一個(gè)系統(tǒng)一旦確定就很難輕易再改動(dòng)。如果要在現(xiàn)場(chǎng)做一些更改和擴(kuò)展更是難以實(shí)行。而PLC是利用其內(nèi)部的存儲(chǔ)器以數(shù)據(jù)形式將控制邏輯存儲(chǔ)起來的，所以只要改變PLC內(nèi)存儲(chǔ)器的內(nèi)容，也就可以實(shí)現(xiàn)更改控制邏輯的目的。對(duì)于PLC來講，只要用PLC配備的編程器在現(xiàn)場(chǎng)就可以完成更改。至于PLC對(duì)外部的聯(lián)系，只有I/O點(diǎn)，只要輸入輸出對(duì)象不變，就無須對(duì)硬接線作任何改動(dòng)。 繼電器控制邏輯是依靠觸點(diǎn)的機(jī)械動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)的。工作頻率很低。一次動(dòng)作一般為數(shù)十毫秒。對(duì)于復(fù)雜的控制，使用的繼電器越多，反應(yīng)就越慢。而PLC是以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的控制裝置，其運(yùn)行速度為每個(gè)指令步數(shù)十微秒(對(duì)于高速PLC則是5微秒以下)。并且內(nèi)部有嚴(yán)格的同步，所以不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的問題。 對(duì)于限時(shí)控制，繼電器是利用時(shí)間繼電器的延時(shí)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)的。由于時(shí)間繼電器是利用空氣阻力，半導(dǎo)體延時(shí)電路來實(shí)現(xiàn)延時(shí)的，所以其定時(shí)精度低，調(diào)整不方便。且環(huán)境溫度變化等因素都會(huì)對(duì)定時(shí)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(shí)基脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來定時(shí)的，定時(shí)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(shí)間常數(shù)即可實(shí)現(xiàn)定時(shí)時(shí)間的設(shè)定或更改。由于PLC的定時(shí)是對(duì)時(shí)基脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，所以如果是對(duì)外脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，就成為計(jì)數(shù)器?，F(xiàn)代的PLC一般都具有定時(shí)器和計(jì)數(shù)器功能。 從可靠性和可維護(hù)性方面來看，繼電器控制邏輯由于使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，連接線也多，觸點(diǎn)開閉時(shí)產(chǎn)生的電弧會(huì)使觸點(diǎn)損壞，動(dòng)作時(shí)的機(jī)械振動(dòng)還可能使接線松動(dòng)，所以可靠性和可維護(hù)性都較差。而PLC則采用了無觸點(diǎn)的電子電路來替代繼電器觸點(diǎn)，確切地說是用存貯器內(nèi)的數(shù)據(jù)來代替觸點(diǎn)，因此不存在上述缺點(diǎn)。而且體積小、功耗小、壽命長(zhǎng)、可靠性高、還具有監(jiān)控功能和自檢功能，使程序的運(yùn)行過程成為透明。 PLC一般還具有步進(jìn)控制指令，可以進(jìn)行步進(jìn)控制，而繼電器邏輯就比較困難。繼電器邏輯只能對(duì)開關(guān)量進(jìn)行控制。而PLC除了具有開關(guān)量控制功能外，有些功能較全的 PLC還具有A/D, D/A轉(zhuǎn)換裝置，可以用來對(duì)模擬量進(jìn)行控制。但是目前在成本方面PLC還比繼電器貴，一般進(jìn)口產(chǎn)品每個(gè)I/O點(diǎn)為人民幣80元左右；國(guó)產(chǎn)一般點(diǎn)I/O為60元左右。 1.3.2 PLC與單片機(jī)控制系統(tǒng)比較 雖然單片機(jī)的配置較微機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本也較易接受，但它仍然不是為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)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(diǎn)。盡管其有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，但工業(yè)控制都為開關(guān)量控制，所以其長(zhǎng)處仍得不到發(fā)揮。單片機(jī)與PLC的比較：在很大程度上，單片機(jī)是專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的。因此，它具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。事實(shí)上，現(xiàn)代PLC的核心就是單片微處理器。用單片機(jī)作控制部件在成本方面具有優(yōu)勢(shì)。但是不可否認(rèn)，從單片機(jī)到工業(yè)控制裝置之間畢竟有一個(gè)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(jī)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(fù)雜而易出錯(cuò)，開發(fā)周期長(zhǎng)。后者簡(jiǎn)便易學(xué)，現(xiàn)場(chǎng)就可以開發(fā)調(diào)試。 單片機(jī)控制系統(tǒng)僅適用于較簡(jiǎn)單的自動(dòng)化項(xiàng)目。硬件上主要受CPU、內(nèi)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(guān)的編程語言。一般說來單片機(jī)或單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用只是為某個(gè)特定的產(chǎn)品服務(wù)的。其通用性、兼容性和擴(kuò)展性都相當(dāng)差。 1.3.3 PLC與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的比較 PLC是專為工業(yè)控制所設(shè)計(jì)的。而微型計(jì)算機(jī)是為科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理等而設(shè)計(jì)的，盡管兩者在技術(shù)上都采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，但由于使用對(duì)象和環(huán)境的不同，PLC較之微機(jī)系統(tǒng)具有面向工業(yè)控制、抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)工程現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度環(huán)境、輸入、輸出一般采用“光電”隔離技術(shù)，并配備有可承受較大負(fù)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(qū)動(dòng)小型電機(jī)等負(fù)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(jī)系統(tǒng)則不具備上述特點(diǎn)，一般對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求苛刻，使用高級(jí)語言編程，要求使用者有相當(dāng)水平的計(jì)算機(jī)硬件和軟件知識(shí)。此外，微機(jī)系統(tǒng)的外設(shè)配備較多，有些對(duì)工業(yè)控制并非必須。因此PLC顯然較微機(jī)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(diào)節(jié)等方面有一定的優(yōu)勢(shì)。PLC隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)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(jì)算機(jī)聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了以PLC為重要部件的分布式控制系統(tǒng)。隨著網(wǎng)絡(luò)通信功能的不斷增強(qiáng)，PLC與PLC及計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)在線組態(tài)、編程和下裝，進(jìn)行在線監(jiān)控整個(gè)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(jià)格和可靠性優(yōu)勢(shì)，使之可與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)相互競(jìng)爭(zhēng)。 由于以上的原因，可以預(yù)見隨著PLC成本的下降和機(jī)器要求的提高，將很快在大部分場(chǎng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)乃至專用于控制的單片機(jī)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(duì)生產(chǎn)流水線、動(dòng)作復(fù)雜的單機(jī)，比起前述幾種控制手段來具有壽命長(zhǎng)、可靠性高、對(duì)環(huán)境無特殊要求、開發(fā)費(fèi)用低、周期短、無需專門的計(jì)算機(jī)軟、硬件知識(shí)就可在短期內(nèi)掌握，功能擴(kuò)展方便，成本可為一般用戶所接受等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代機(jī)電一體化產(chǎn)品控制裝置的理想選擇。 1.4 卷紙包裝機(jī)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(duì)紙質(zhì)品用量的增加，對(duì)衛(wèi)生紙 的需求也越來越大，且對(duì)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(zhì)量，研制高速、高效、高質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的新型 包裝機(jī)是市場(chǎng)的迫切需求。目前，該類包裝機(jī)多半為進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴。為此， 我選擇了關(guān)于卷紙包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課題。 1.5 PLC在包裝機(jī)械上應(yīng)用的可能性和前景 包裝機(jī)械的最大特點(diǎn)是動(dòng)作復(fù)雜、頻繁，且有較多的執(zhí)行元件。在這種場(chǎng)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(duì)其內(nèi)部的輔助繼電器進(jìn)行編程后來取代。從物理介質(zhì)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(nèi)部寄存器，在PLC編程容量許可的范圍內(nèi)，可以不花費(fèi)額外的費(fèi)用來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯。一般的PLC都有上百點(diǎn)內(nèi)部輔助繼電器甚至更多，且還有多種專用的內(nèi)部電器，足可以應(yīng)付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是對(duì)PLC進(jìn)行編程。事實(shí)上PLC用于這種場(chǎng)合是最能顯現(xiàn)出其經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)然我們不僅忽視了PLC的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是其運(yùn)行速度及可靠性和壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎng)合。且PLC與其他工業(yè)控制系統(tǒng)比較具有許多優(yōu)點(diǎn)： （1)更改控制邏輯只需修改軟件，無需對(duì)硬件作改動(dòng)； （2)程序可以復(fù)制，批量生產(chǎn)很容易； （3)電氣硬件設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化； （4)由于PLC除有繼電器功能外，尚有多種其它功能，可以實(shí)現(xiàn)繼電器無法實(shí)現(xiàn)的控制功能，實(shí)現(xiàn)某種程度上的智能化，并有可能使機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化； （5)可靠性高； （6)成本相對(duì)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(diǎn)對(duì)于復(fù)雜的控制來講具有無可比擬的優(yōu)越性； （7)具有擴(kuò)展單元或擴(kuò)展模塊，當(dāng)需要較多1/0時(shí)可以方便地?cái)U(kuò)展。 因此，國(guó)外在注塑機(jī)、各種包裝機(jī)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(guó)包裝機(jī)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(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)都可以得到簡(jiǎn)化[6]。更重要的是可以使原來無法實(shí)現(xiàn)的某些功能得以實(shí)現(xiàn)，使機(jī)器在某種程度上實(shí)現(xiàn)智能化。通過對(duì)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(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容 （1）對(duì)可編程控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)作一簡(jiǎn)單的介紹，明確背景知識(shí)與選型根據(jù)；分析PLC在包裝機(jī)械上應(yīng)用的可能性與前景。 （2）卷紙包裝機(jī)各動(dòng)作控制工藝的研究。了解卷紙包裝機(jī)的工作過程及工藝要求。總結(jié)各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作順序，將其用流程圖的形式表示出來，為實(shí)現(xiàn)高速全自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制做準(zhǔn)備。 （3）可編程控制器部分的設(shè)計(jì)，包括控制方案的選取與設(shè)計(jì)、I/0接口信號(hào)的確定、模塊的選擇，控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試。 1.7 設(shè)計(jì)的安排 本設(shè)計(jì)共分六章。設(shè)計(jì)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(shì)及其在包裝機(jī)械上應(yīng)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?jī)?nèi)容。第二章分析了卷紙包裝機(jī)工藝流程和包裝各動(dòng)作的時(shí)序及包裝機(jī)速度的影響因素及提高方法，設(shè)計(jì)了包裝機(jī)控制系統(tǒng)的控制方案、運(yùn)行方式及硬件的選擇。第三章主要對(duì)硬件進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。第四章主要是對(duì)控制系統(tǒng)的供電線路及包裝機(jī)各工位元件的設(shè)計(jì)。第五章主要是對(duì)包裝過程的同步控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。第六章根據(jù)PLC原理用SIEMENS的STEP7設(shè)計(jì)了某些功能塊的梯形圖，并用S7-PLCSIM simulator模擬其運(yùn)行結(jié)果。 33 2 卷紙包裝機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 第一章介紹了可編程控制技術(shù)的一些概要情況，下面就具體結(jié)合卷紙包裝機(jī)電控系統(tǒng)的實(shí)際來看一下它的應(yīng)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(shù)并非單純是指PLC本身，而是包括其在內(nèi)的一系列自動(dòng)化控制產(chǎn)品和技術(shù)的應(yīng)用。本系統(tǒng)在電氣控制部分設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到用戶的功能需求和與本系統(tǒng)機(jī)械部分的配合需求，在具體實(shí)現(xiàn)的過程中，又以系統(tǒng)的可靠性與易用性為準(zhǔn)則，盡量把本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為一個(gè)功能齊全、可靠性高且易于使用的包裝機(jī)設(shè)備。在設(shè)計(jì)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(jī)生產(chǎn)工藝論述 卷紙包裝機(jī)主體作用是把來源卷紙庫(kù)的卷紙按照每分鐘60個(gè)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(jiǎn)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(jī)釋放命令，放卷電機(jī)開始動(dòng)作，放卷開始。放卷到規(guī)定長(zhǎng)度（長(zhǎng)度依靠色標(biāo)來確定）時(shí)，通過色標(biāo)信號(hào)向切紙機(jī)構(gòu)發(fā)出指令。切紙機(jī)構(gòu)用的是交流變頻調(diào)速電機(jī)，帶動(dòng)一個(gè)凸輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)切斷刀上下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在凸輪上放置一個(gè)位置傳感器，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)到某一固定位置時(shí)，切刀開始向上運(yùn)動(dòng)，二刀分離，當(dāng)出現(xiàn)色標(biāo)信號(hào)時(shí)，刀又開始向下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。切刀向上和向下的工作頻率可借助變頻調(diào)速電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，操作簡(jiǎn)單方便。已經(jīng)完成切割的紙片經(jīng)過整理后放到紙片庫(kù)中，等待推紙空心臺(tái)送紙片。同時(shí)卷紙庫(kù)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(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。包裝工藝盤一共有八個(gè)V形槽和三個(gè)加工工位，當(dāng)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(zhuǎn)動(dòng)，依次送到每個(gè)加工工位。工藝盤的轉(zhuǎn)動(dòng)是借助交流電機(jī)通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)的，每個(gè)加工工位的動(dòng)作是借助順序邏輯控制電磁閥帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的。工件先是從1號(hào)工位裝入，然后在2號(hào)工位由夾鉗機(jī)構(gòu)完成前進(jìn)，抓緊，旋轉(zhuǎn)以及窩邊的動(dòng)作，同時(shí)依次向托盤與推紙空心臺(tái)發(fā)出送紙球和送紙片信號(hào)，最終在3號(hào)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(kù)中。 原包裝紙 防卷 切紙 紙片空心臺(tái) 紙片庫(kù) 工位3 工位2 工位1 V型槽 紙片整理 托紙盤 卷紙庫(kù) 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(shí)序圖 因?yàn)樗且粋€(gè)突出的順序控制，最簡(jiǎn)便的方法是運(yùn)用移位寄存器來運(yùn)轉(zhuǎn)。移位寄存器假設(shè)是一個(gè)8位的，一個(gè)V形槽與一個(gè)移位寄存器吻合，移位一次要120ms，2號(hào)工位給出上料指令時(shí)，紙片被推動(dòng)于推紙空心臺(tái)，紙球被托盤牽引并且用一樣的速度向前推進(jìn)當(dāng)?shù)谝还の磺『霉に嚤PV形槽相吻合時(shí)，工藝盤不動(dòng)，拖延時(shí)間在這個(gè)時(shí)間是150ms，守候紙片被放紙空心臺(tái)壓到時(shí)，到位行程開關(guān)，關(guān)閉，托盤到位行程開關(guān)，被托盤壓到時(shí)，托盤不動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了送料目的，等到延時(shí)結(jié)束，齊頭并進(jìn)。存紙空心臺(tái)與托盤向后運(yùn)動(dòng)，并且插紙板向前移動(dòng)頂起紙球和工藝盤運(yùn)動(dòng)到2號(hào)工位的位置時(shí)，工藝盤不動(dòng)，延時(shí)250ms指令，在這段時(shí)間內(nèi)，當(dāng)工藝盤不運(yùn)作后插紙板也跟著停止運(yùn)作，并且給出送料不過因?yàn)閼T性會(huì)出現(xiàn)包裝紙繞著紙球以一個(gè)很小的角度旋轉(zhuǎn)，目的是讓紙球被包裝紙全部包起來，接著又向后運(yùn)動(dòng)，軸向移動(dòng)的是夾鉗機(jī)構(gòu)，限位開關(guān)被接觸到時(shí)，軸向移動(dòng)就暫停，但是三個(gè)夾桿一起徑向移動(dòng)，握撈包裝紙的兩頭，抓緊限位開關(guān)被打開時(shí)，經(jīng)過90度變化后夾鉗機(jī)構(gòu)軸接著向前運(yùn)動(dòng)，完成窩邊后，這個(gè)機(jī)構(gòu)就向后運(yùn)動(dòng)。與3號(hào)工位位置吻合時(shí)，產(chǎn)品自動(dòng)掉下，包裝過程完成，過程反復(fù)進(jìn)行，等到給出暫停指令。如圖2.1-2所示，包裝一個(gè)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(gè)產(chǎn)品。 2.2 控制方案的設(shè)計(jì) 根據(jù)卷紙包裝生產(chǎn)工藝，卷紙包裝機(jī)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(xiàng)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(gè)被控制工序相通，所以被控對(duì)象中的狀態(tài)，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換不用另外開通信號(hào)線。PLC是一個(gè)控制設(shè)備，它在單獨(dú)的控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是有局限性，攻破不了有難度的計(jì)算，實(shí)時(shí)圖形，歷史記錄，顯示漢字。打印報(bào)表等功能在PLC中無法實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這些缺陷，上位機(jī)的輔助是我們的理想選擇。上位機(jī)的功能是對(duì)數(shù)據(jù)的存貯、處理和輸出，用圖形或表格形式給現(xiàn)場(chǎng)用動(dòng)態(tài)模擬圖來表達(dá)、預(yù)判限值或報(bào)警信號(hào)，根據(jù)實(shí)時(shí)需要打印報(bào)表。 控制器 A B C 控制對(duì)象 控制對(duì)象 控制對(duì)象 圖2.2-1集中控制系統(tǒng) 2.3 系統(tǒng)的運(yùn)行模式 運(yùn)行模式有四種分別是手動(dòng)、單步、周期和自動(dòng)。 （1）手動(dòng)：每道工序都單獨(dú)運(yùn)作，按開關(guān)按鈕即可控制。 （2）單步：按開始開關(guān)，運(yùn)作一個(gè)工序，到位就停止。又按開始鍵，就是下一道工序的運(yùn)作。 （3）周期：從第一道工序位置算起，按開始開關(guān)，程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)來回的操作后返回到啟始位置停止。 （4）自動(dòng)：按開始開關(guān)，程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)來回的操作后返回到啟始位置又接著從第一步開始運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)節(jié)。在自動(dòng)模式時(shí)，如果按下復(fù)位開關(guān)，系統(tǒng)還是運(yùn)行到第一步啟齒的地方才暫停；如果按停止開關(guān)，運(yùn)行就馬上停止，這時(shí)候如果再按開始，系統(tǒng)就從這位置運(yùn)行至啟始處停止。從卷紙包裝機(jī)的實(shí)際出發(fā)，自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行是我們最佳選擇[7]。和運(yùn)行模式的設(shè)計(jì)對(duì)比，停止運(yùn)動(dòng)的模式也要策劃。正常停運(yùn)，暫時(shí)停運(yùn)和緊急停運(yùn)是可編程控制器的三項(xiàng)停運(yùn)方法。考慮控制系統(tǒng)需要，因?yàn)榘b機(jī)運(yùn)行模式是循環(huán)模式，當(dāng)在操作完成或檢測(cè)到停止運(yùn)行信號(hào)或機(jī)器出現(xiàn)問題或突發(fā)事情時(shí)才停止，所以該系統(tǒng)應(yīng)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(shè)計(jì) 3.1 總體結(jié)構(gòu)關(guān)系 由于PLC管理按鍵、行程開關(guān)與其它開關(guān)量信號(hào)的導(dǎo)入，和把信號(hào)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(gè)電機(jī)的運(yùn)作，指示燈的顯示也得到了控制工控機(jī)的作用是參數(shù)的修改和設(shè)置、全自動(dòng)控制、在線監(jiān)督、輸送信號(hào)。工控機(jī)由串行口和PLC相接，通信交換，因此工控機(jī)是用發(fā)出信號(hào)來控制PLC的運(yùn)作來完成全自動(dòng)控制[8]。 3.2 控制系統(tǒng)主要器件的選擇 工控機(jī)、PLC、變頻器是卷紙包裝機(jī)控制系統(tǒng)的主要零件。 工控機(jī)：本系統(tǒng)上位機(jī)選用研華IPC-610工控機(jī)，ISA總線插槽4個(gè)分布在內(nèi)部底板上、由于有2個(gè)PCI總線插槽與一個(gè)CPU插槽，所以可以更簡(jiǎn)捷的拓展系統(tǒng)，運(yùn)用WINDOWSNT操作系統(tǒng)，打印機(jī)外接一個(gè)，目的是報(bào)表的打印。達(dá)到報(bào)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(duì)控制對(duì)象與控制目的計(jì)算與研討在工作開始前。這樣才可以明確系統(tǒng)的機(jī)型，規(guī)模，與配值。據(jù)了解，這個(gè)包裝機(jī)的控制操作系統(tǒng)應(yīng)具備配置以下不相似的特點(diǎn)的I/0點(diǎn)。 首先選擇80個(gè)開關(guān)量導(dǎo)入；然后再選擇50個(gè)開關(guān)量導(dǎo)出；再對(duì)任意挑個(gè)類似量導(dǎo)入；最后任意挑個(gè)類似量導(dǎo)出；由控制任務(wù)得，該設(shè)計(jì)挑中了S7-300軟件，它的特點(diǎn)是適合中等控制系統(tǒng)的需要，而且被非常廣泛的應(yīng)用。它的模塊化、沒有排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)功能、但是很用以完成分布，用戶學(xué)習(xí)操作起來簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)讓S7-300能達(dá)到各式由小規(guī)模到中等性能需求控制任務(wù)的簡(jiǎn)捷且實(shí)惠的方式。 根據(jù)I/0點(diǎn)數(shù)的確定要按照實(shí)際點(diǎn)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(gè)模擬量輸入模塊SM331為16路的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道； （2）4個(gè)模擬量輸出模塊SM332為16路的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道； （3）4個(gè)數(shù)字量輸入模塊SM321為輸入通道； （4）3個(gè)數(shù)字量輸出模塊SM322關(guān)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(guān)信號(hào)（按鈕、行程開關(guān)、繼電器節(jié)點(diǎn)）的輸入，預(yù)測(cè)現(xiàn)在的系統(tǒng)的狀態(tài)和輸出信號(hào)來控制接觸器、繼電器等器件，用來達(dá)到控制任務(wù)的目的。另外，還有一個(gè)艱巨任務(wù)就是收集工控機(jī)的控制命令，達(dá)到全自動(dòng)包裝循環(huán)的效果。本項(xiàng)目中配置的S7-3OOPLC模板的型號(hào)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(jié)構(gòu)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(fù)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(gè)系列的變頻器控制和動(dòng)態(tài)感應(yīng)度都很好。另外，因?yàn)樗膬?nèi)部配備各種相關(guān)量數(shù)組構(gòu)成，增加控制的自由度，讓這款變頻器更多運(yùn)用在高運(yùn)動(dòng)性能的控制領(lǐng)域。完善了各種各樣控制工程的需求。尤其是近期時(shí)期，這種工程型變頻器的系統(tǒng)被大部分應(yīng)用在機(jī)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(yīng)用需求[9，10]。 在卷紙包裝機(jī)控制的系統(tǒng)里大部分傳感器用開關(guān)量分配給PLC，用它給執(zhí)行決定的根據(jù)，例如： （1）上位機(jī)開始命令 （2）色標(biāo)信號(hào) （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(biāo)準(zhǔn)位置1,2,3工位的路徑按鈕 （7）送料機(jī)、皮帶、推紙機(jī)的停止和開始命令 （8）皮帶、電磁閥等的電源信號(hào)等 4 電器線路和元件模塊的設(shè)計(jì) 用三相異步電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過專門的變頻器電源提供，轉(zhuǎn)速用變頻調(diào)速來完成。配備數(shù)臺(tái)小型電機(jī)依次輔助驅(qū)動(dòng)提供動(dòng)力源，切紙機(jī)構(gòu)，送料機(jī)構(gòu)，插紙板，拿放操作手等[11]。針對(duì)這款包裝機(jī)的工序流程，大體包括原包裝紙給料動(dòng)作中的張力控制，送料步驟中的同步控制，包裝動(dòng)作的控制等。工藝盤的轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力源由三相異步電機(jī)用皮帶傳動(dòng)提供的，電磁發(fā)給各道工序帶來外加的動(dòng)力轉(zhuǎn)向從而帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)移動(dòng)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(dǎo)入電氣柜中，通過一個(gè)露天開關(guān)（QS1）后連接電機(jī)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(jī)、PLC, PLC輸入回路、PLC輸出回路與繼電器回路輸送電源。以便達(dá)到故障分散的目的，而且益于調(diào)試與檢測(cè)。在QS1前導(dǎo)出的一路電源的目的是給空調(diào)器與照明燈提供電源，由于它們都是屬于附屬設(shè)備，和控制無關(guān)，因此可以從QS1之前引出，為了在檢修時(shí)也不干涉它的正常運(yùn)作[12]。 圖4.1-1供電線路 4.2 主要控制功能模塊的設(shè)計(jì) 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(dòng)送到1工位，所以一定要考慮電機(jī)的速度響應(yīng)性。步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要的時(shí)間大約為200-400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能比較強(qiáng)，以松下MSMA 400W交流伺服電機(jī)作為對(duì)照，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒就可實(shí)現(xiàn)，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。因此我們選用交流伺服電機(jī)作為裝料機(jī)構(gòu)的執(zhí)行電機(jī)。在該工位上，推紙空心臺(tái)推動(dòng)已經(jīng)切好的包裝紙片，托盤推桿推動(dòng)紙球的同時(shí)按照相同的速度前進(jìn)，當(dāng)壓到紙片到位行程開關(guān)時(shí)，推紙空心板停止，當(dāng)壓到托盤到位行程開關(guān)時(shí)，托盤停止。卷紙與包裝紙已進(jìn)入這一工位，電機(jī)帶動(dòng)工藝盤繼續(xù)不停轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)插紙板向前作運(yùn)動(dòng)，托盤推桿以及推紙空心臺(tái)退到原來位置。包裝紙推紙空心臺(tái)與卷紙托盤推桿要自動(dòng)在工藝盤與地面之間不停往返進(jìn)而完成送料動(dòng)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(diào)整推紙空心臺(tái)與卷紙托盤推桿的位置，本線路設(shè)置的有操作選擇控制，由按鈕SB2以及中間繼電器KA構(gòu)成。如果要調(diào)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(diǎn)斷開，電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路只能完成點(diǎn)動(dòng)控制。推板位置調(diào)準(zhǔn)后，按下SB2使KA得電，其常開觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路才可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的動(dòng)作。在工藝盤的底部位置裝有四個(gè)行程開關(guān)SQa，SQb，SQc，SQp，包裝機(jī)底部裝有兩個(gè)行程開關(guān)SQd,，SQg(推板處在裝料位)，一旦KT2延時(shí)到，即在1工位裝料動(dòng)作完成，KT2常開觸點(diǎn)閉合，KMd,，KMr得電并且互鎖，兩電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，推紙空心臺(tái)與托盤推桿同時(shí)開始下降，分別壓動(dòng)SQd,，SQg時(shí)，便停止下降。當(dāng)工藝盤轉(zhuǎn)到V3或V7槽時(shí)，壓動(dòng)行程開關(guān)SQa,，KT1得電，當(dāng)延時(shí)到，其常開觸點(diǎn)閉合，放紙空心臺(tái)與托盤推桿一起往上升起，重復(fù)以上操作，SQp為到工位1時(shí)的行程開關(guān)，延時(shí)150毫秒之后，工藝盤開始轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)放紙空心臺(tái)與托盤推桿開始下降。SQa為到工位2時(shí)的行程開關(guān)，當(dāng)?shù)竭_(dá)此處時(shí)，釋放進(jìn)料信號(hào)，放紙空心臺(tái)與托盤推桿開始上升。 KMF得電自鎖，推紙空心臺(tái)上升 當(dāng)壓動(dòng)SQb KMF失電，上升停止 先按SBF KM得電自鎖，托盤推桿上升 當(dāng)壓動(dòng)SQc KM失電，上升停止 4.2.2 夾鉗抓緊、旋轉(zhuǎn)與窩邊工位2 如圖4.2-1所示，當(dāng)運(yùn)行到V2和V6槽的時(shí)候，先是由這一位的行程開關(guān)釋放信號(hào)，夾鉗機(jī)構(gòu)軸向電機(jī)開始動(dòng)作，此時(shí)打開氣缸的電磁閥，讓兩邊的夾鉗機(jī)構(gòu)能夠沿軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，到達(dá)限位開關(guān)時(shí)，軸向運(yùn)動(dòng)便停止，夾鉗機(jī)構(gòu)徑向運(yùn)動(dòng)電磁閥打開，三個(gè)夾桿一起沿著導(dǎo)軌作徑向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)抓緊開關(guān)時(shí)，抓緊動(dòng)作正式結(jié)束。持續(xù)延時(shí)50ms，在這個(gè)時(shí)間段中，主電機(jī)帶動(dòng)這一機(jī)構(gòu)軸旋轉(zhuǎn)90度，此時(shí)延時(shí)正式結(jié)束，軸向電機(jī)繼續(xù)進(jìn)行動(dòng)作，完成窩邊工序。接著徑向電機(jī)反轉(zhuǎn)，同時(shí)松開夾緊裝置，軸向電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，讓夾鉗機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)，軸向電機(jī)開始前進(jìn)，前進(jìn)到位夾緊結(jié)束松開SB1，KA斷電，mKMr1通電，M1反轉(zhuǎn)（放松），放松到位。如此自動(dòng)循環(huán)。 KMr2斷電，M2停轉(zhuǎn) 壓動(dòng)SQb KMf1通電，M1正轉(zhuǎn)， KOC動(dòng)作 KMr2再得電，軸向電機(jī)M2繼續(xù)前進(jìn)，前 加緊，加緊到位 進(jìn)到位，壓動(dòng)SQk，KMr2斷電，M2停止 壓動(dòng)SQa KMf1斷電，M1停轉(zhuǎn)，加緊結(jié)束 M1停，放松結(jié)束 KMf2通電，M2反轉(zhuǎn)，軸 M2停轉(zhuǎn)，后退結(jié)束 向電機(jī)后退，后退到位 壓動(dòng)SQd KMr1得電，M1反轉(zhuǎn)，再繼續(xù)放松，放松到位， 壓動(dòng)SQc，KMr1斷電，M1停止 4.3 卸料工位3分析 運(yùn)行置工位三時(shí)，卷紙己經(jīng)通過支撐平臺(tái)，所以出于重力作用，自然的下落到產(chǎn)品庫(kù)里。 4.4 放卷、分切部分的張力控制 卷紙包裝機(jī)有一套傳動(dòng)系統(tǒng)，包括放卷，切斷，每個(gè)部分由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。從放卷到切斷，包裝紙是連續(xù)的，當(dāng)機(jī)器起動(dòng)時(shí)，由上位機(jī)發(fā)出命令，主速節(jié)點(diǎn)的電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通知其它各節(jié)點(diǎn)開始協(xié)調(diào)動(dòng)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(jī)時(shí)同樣如此。在升降速過程中，主速節(jié)點(diǎn)必須發(fā)送升降速標(biāo)志給其它各節(jié)點(diǎn)，使他們?cè)诳刂聘髯詮埩r(shí)作出相應(yīng)的補(bǔ)償，這個(gè)過程要求響應(yīng)快。當(dāng)某一段張力出現(xiàn)允許范圍內(nèi)的抖動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)也應(yīng)該作出上述反應(yīng)。由主速節(jié)點(diǎn)測(cè)量到的包裝紙線速度必須實(shí)時(shí)傳到放卷節(jié)點(diǎn)，當(dāng)某一軸上的包裝紙即將放完時(shí)，該部分的另一軸應(yīng)該提前轉(zhuǎn)動(dòng)起來，并且線速度和主速節(jié)點(diǎn)傳過來的速度值保持一致，這樣才能實(shí)現(xiàn)無速度差轉(zhuǎn)接，以減少?gòu)U料。機(jī)器運(yùn)行過程中，一旦某個(gè)部分出現(xiàn)故障，其測(cè)控節(jié)點(diǎn)應(yīng)將信息立即傳往上位機(jī)，上位機(jī)發(fā)出急停命令使下位機(jī)各節(jié)點(diǎn)同時(shí)對(duì)各自電機(jī)進(jìn)行直流制動(dòng)。 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(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(yīng)控制方法則可消除系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化的影響，達(dá)到優(yōu)良的控制效果。 5 同步控制系統(tǒng)分析 卷紙機(jī)設(shè)備的同步控制系統(tǒng)框，機(jī)械動(dòng)力在提供給產(chǎn)品供送系統(tǒng)的同時(shí)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(shè)備是直接把機(jī)械動(dòng)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(hào)反饋到同步控制電路，對(duì)比兩者是不是同步進(jìn)行的。如果是同步進(jìn)行，伺服電機(jī)停止不進(jìn)行動(dòng)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(dāng)包裝材料供送比產(chǎn)品的供送慢時(shí)，伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，差速器在正常輸出的速度基礎(chǔ)上疊加一個(gè)正補(bǔ)償，增加包裝材料的供送速率，直到兩者在同步范圍之內(nèi)；當(dāng)包裝材料供送速度比產(chǎn)品的供送速度快時(shí)，伺服電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，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(dòng)包裝機(jī)運(yùn)作的一系列動(dòng)作中，產(chǎn)品的供送及包裝材料的供送全部是連續(xù)實(shí)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(diào)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(gè)系統(tǒng)相互之間有一個(gè)需要隨時(shí)調(diào)整速度的同步控制問題[16]。 5.2 信號(hào)的獲取 當(dāng)包裝材料需要按照固定長(zhǎng)度裁斷時(shí)，比如單個(gè)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(zhǎng)度都會(huì)印有一個(gè)色標(biāo)。在衛(wèi)生卷紙供送的同時(shí)，包裝材料還要執(zhí)行一個(gè)切斷程序，這就大大加大了同步供送的復(fù)雜性[17]。如圖5.2-1所示：包裝材料每供送到要求長(zhǎng)度時(shí)，光電傳感器識(shí)別到色標(biāo)信號(hào)，把色標(biāo)信號(hào)作為同步信號(hào)送給比較器，同時(shí)把信號(hào)輸送給切紙機(jī)構(gòu)，由于切紙機(jī)構(gòu)和包裝材料在水平方向上是同步的（關(guān)于切紙機(jī)構(gòu)和包裝材料的同步控制在此不進(jìn)行一一論述），所以他并不對(duì)送料速度產(chǎn)生影響。產(chǎn)品供送系統(tǒng)的信號(hào)依靠接近開關(guān)取出。如 包裝材料 色標(biāo) 光電傳感器 差速器 伺服電機(jī) 比較器 機(jī)械動(dòng)力 產(chǎn)品供送系統(tǒng) 產(chǎn)品供送信號(hào)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(qū)動(dòng)軸上放置一個(gè)半圓形金屬片1，在側(cè)面放置一個(gè)接近開關(guān)J的小型探頭，如圖所示的瞬間，快要接近開關(guān)時(shí)無法感應(yīng)到金屬片1，我們假設(shè)輸出狀態(tài)是1，當(dāng)產(chǎn)品供送軸3開始作旋轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，半圓金屬片擋住了接近開關(guān)，此時(shí)接近開關(guān)的輸出狀態(tài)J是0，所以產(chǎn)品的供送軸每作旋轉(zhuǎn)動(dòng)作一圈，靠近開關(guān)的1與0輸出狀態(tài)大概分別占一半的時(shí)間。假設(shè)光電傳感器S檢測(cè)到有色標(biāo)信號(hào)時(shí)的輸出狀態(tài)是1，而無色標(biāo)信號(hào)時(shí)輸出是0，此時(shí)只需判斷每次光電傳感器檢測(cè)到色標(biāo)時(shí)靠近開關(guān)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(shí)刻，此時(shí)光電傳感器S輸出是1時(shí)，接近開關(guān)J的輸出也是1，因此能夠認(rèn)為產(chǎn)品供送滯后，當(dāng)J為0時(shí)，也就是半圓金屬片遮當(dāng)住了接近開關(guān)時(shí)，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(jī)對(duì)產(chǎn)品供送系統(tǒng)的速度進(jìn)行補(bǔ)償。一旦兩個(gè)系統(tǒng)正好同步，在圖5.2-1的同步范圍內(nèi)，要求伺服電機(jī)既不正轉(zhuǎn)也不反轉(zhuǎn)，處于停止?fàn)顟B(tài)。具體作法是讓控制電路在超前和滯后的轉(zhuǎn)換時(shí)，由跳變信號(hào)觸發(fā)，給出一段延時(shí)時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)獲得色標(biāo)信號(hào)S表示同步，控制伺服電機(jī)不進(jìn)行動(dòng)作。這段延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短是可供隨時(shí)調(diào)節(jié)的，因此達(dá)到同步精度可調(diào)的目的。在這段延時(shí)結(jié)束后，