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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目：基于PLC高速全自動(dòng)包裝機(jī)的控制系統(tǒng)應(yīng)用
專 業(yè)： 電子信息工程(數(shù)控方向)
班 次： B03411 - 07
姓 名： 楊 倩
指導(dǎo)老師： 王 顯 濤
答辯地點(diǎn)： 成 都
成都信息工程學(xué)院
二OO 七 年 五 月
2007-5-23
成都信息工程學(xué)院畢業(yè)論文 作者：楊倩
摘 要
可編程控制器(PLC )作為控制系統(tǒng)的核心裝置，功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定可靠。在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。取得了理想的控制效果。
本論文以東莞佳鳴機(jī)械制造有限公司開發(fā)的高速全自動(dòng)卷紙包裝機(jī)控制系統(tǒng)為背景，理論與實(shí)踐相結(jié)合，詳細(xì)闡述了集PLC技術(shù)，變頻器技術(shù)，光電感應(yīng)技術(shù)，通信技術(shù)于一體的先進(jìn)控制技術(shù)在該包裝機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。論文主要內(nèi)容如下:1.概述了可編程控制器PLC的現(xiàn)狀及其在包裝機(jī)械上應(yīng)用的可能性和前景。2.通過對(duì)卷紙包裝機(jī)生產(chǎn)工藝流程的了解，統(tǒng)計(jì)其輸入輸出I/O點(diǎn)，然后進(jìn)行PLC選型，硬件組態(tài)的設(shè)計(jì)。3.詳細(xì)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(shù)學(xué)模型，利用自適應(yīng)控制原理實(shí)現(xiàn)了送料過程中的張力控制。4.在卷紙包裝機(jī)中，卷紙和包裝紙要求能同時(shí)到達(dá)工位1，這就產(chǎn)生了送料過程中的同步控制問題，在同步控制中，我們?cè)诰砑埞┧拖到y(tǒng)的驅(qū)動(dòng)軸上安裝一個(gè)半圓形金屬片，在側(cè)面裝上接近開關(guān)探頭，通過判斷每次光電傳感器檢測(cè)到色標(biāo)時(shí)接近開關(guān)的輸出狀態(tài)，就能知道包裝紙供送系統(tǒng)是滯后還是超前于卷紙供送系統(tǒng)，從而使伺服電機(jī)正、反轉(zhuǎn)或不動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了送料過程中的同步控制。5.卷紙的包裝是一個(gè)典型的順序控制，因此我們利用一個(gè)移位寄存器，使工藝盤的每一個(gè)V形槽對(duì)應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制位，通過移位寄存器的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了包裝過程的程序控制。6.利用Siemens公司的編程軟件Step7、軟件WinCC及其通信功能設(shè)計(jì)了包裝過程以完成數(shù)據(jù)的采集并控制輸出設(shè)備安全、高速、高效地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了該包裝過程的監(jiān)視功能。經(jīng)過我們的努力，卷紙包裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)己經(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，基本達(dá)到了九十年代末期國(guó)際先進(jìn)水平，較好地實(shí)現(xiàn)了廠方提出的控制要求。
關(guān)鍵詞:包裝機(jī);PLC;張力控制;自適應(yīng)控制;同步控制;WinCC; Step7。
2007-5-23
Abstrac
This thesis mainly discussed the design of contrnl 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 packing machine that was developed Dongguan Jiaming Machine Manufacturing Limited Company 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 equipments ments to work safely, high speed and efficiently, we designed the PLC correspondence network by using the WinCC, a supervise contrnl 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 90's,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 control; WinCC; Step7.
目 錄
摘要┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈1
ABSTRACT┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈2
目錄┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈3
第一章 緒論┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈5
1.1可編程控制技術(shù)的現(xiàn)狀┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈5
1.2可編程控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈6
1.3 PLC與其它工業(yè)控制系統(tǒng)的比較┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈6
1.3.1 PLC與繼電器控制系統(tǒng)的比較┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈7
1.3.2 PLC與單片機(jī)控制系統(tǒng)比較┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈7
1.3.3 PLC與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的比較┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈8
1.3.4 PLC與集散型控制系統(tǒng)的比較┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈8
1.4卷紙包裝機(jī)產(chǎn)生的背景及意義┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈8
1.5 PLC在包裝機(jī)械上應(yīng)用的可能性和前景┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈9
1.6項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈9
1.7論文的安排┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈10
第二章卷紙包裝機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈11
2.1卷紙包裝機(jī)生產(chǎn)工藝概述┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 11
2.2卷紙包裝機(jī)速度影響的分析和提高┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈12
2.3可編程控制系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈12
2.4系統(tǒng)的運(yùn)行方式┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈13
2.5控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈14
2.5.1總體結(jié)構(gòu)關(guān)系┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈14
2.5.2控制系統(tǒng)主要器件的選擇┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈14
2.6本章小結(jié).......................................................................................................21
第三章電控系統(tǒng)電路及各功能模塊的設(shè)計(jì)┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈22
3.1供電線路┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈22
3.2主要控制功能模塊的設(shè)計(jì)┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈23
3.2.1裝料工位1┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈23
3.2.2夾鉗抓緊、旋轉(zhuǎn)、窩邊工位2 ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈25
3.2.3卸料工位3 ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈26
3.3放卷、分切部分的張力控制. ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈26
3.3.1包裝紙分切機(jī)調(diào)節(jié)原理簡(jiǎn)介┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈26
3.3.2放卷部分. ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈27
3.3.3張力控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈29
3.4送料過程中的同步控制┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈33
3.4.1同步控制系統(tǒng)........................................................................................ ..33
3.4.2信號(hào)的獲取┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈35
3.4.3同步控制電路原理的實(shí)現(xiàn)┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈37
3.5本章小結(jié)┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈37
第四章系統(tǒng)的軟件介紹┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈38
4.1 PLC的軟件設(shè)計(jì)........................................................................................38
4.1.1概述.....................................................................................................38
4.1.2 PLC程序的總體結(jié)構(gòu).............................. ...........................................39
參考文獻(xiàn). ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈39
全文總結(jié). ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈40
致謝┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈40
附錄包裝電路圖. ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈41
第一章 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。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?，F(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己通過多種途徑進(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。僅僅將PLC理解為開關(guān)量控制的時(shí)代己經(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⑶∽⑹：
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⑵
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、I/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I/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。
1.3 PLC與其它工業(yè)控制系統(tǒng)的比較⑴、⑼
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)。
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/0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1/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、輸出一一般采用“光一電”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。而集散控制系統(tǒng)DCS( DistributionControl 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，這樣就已經(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，我以東莞佳鳴機(jī)械制造有限公司的卷紙包裝機(jī)控制系統(tǒng)為題材，論P(yáng)LC在高速全自動(dòng)的應(yīng)用。
1.5 PLC在包裝機(jī)械上應(yīng)用的可能性和前景⑴
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I/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。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項(xiàng)目研究的主要內(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?？偨Y(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)。
4.工控機(jī)軟件的設(shè)計(jì)
5. S7-300與上位機(jī)的通信設(shè)計(jì)。
1.7論文的安排
全文共分四章。論文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和組態(tài)，并詳細(xì)介紹了組態(tài)的各模塊。第三章主要對(duì)控制系統(tǒng)的供電線路及包裝各工位的電氣圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)放卷分切部分的受力分析，建立模型，然后依據(jù)自適應(yīng)控制原理設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了張力控制，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了送料過程中的同步控制并繪出了電路圖。第四章根據(jù)PLC原理用SIEMENS的STEP7設(shè)計(jì)包裝機(jī)的軟件。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。
第二章卷紙包裝機(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)工藝概述
卷紙包裝機(jī)主要功能是將來自卷紙庫(kù)的卷紙以每分鐘60個(gè)的速率包裝成合格的衛(wèi)生卷筒紙。簡(jiǎn)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(dāng)上位機(jī)發(fā)出命令時(shí)，放卷電機(jī)動(dòng)作，開始放卷。放卷到一定長(zhǎng)度(長(zhǎng)度由色標(biāo)來檢測(cè))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)采用交流變頻調(diào)速電機(jī)，帶動(dòng)一個(gè)凸輪旋轉(zhuǎn)，以帶動(dòng)切斷刀上下運(yùn)動(dòng)，在凸輪上安裝一個(gè)位置傳感器，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)到某一位置時(shí)，切刀向上運(yùn)動(dòng)，二刀分離，當(dāng)有色標(biāo)信號(hào)時(shí)，刀又向下運(yùn)動(dòng)。切刀上、下的工作頻率可由變頻調(diào)速電機(jī)來調(diào)整，操作簡(jiǎn)便。切好的紙片經(jīng)整理后放入紙片庫(kù)中，等待推紙空心臺(tái)送紙片。同時(shí)卷紙庫(kù)的卷紙經(jīng)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(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。包裝工藝盤共有八個(gè)V形槽三個(gè)加工工位，當(dāng)包裝紙和待包裝的卷筒紙放入槽中后，由工藝盤載著其轉(zhuǎn)動(dòng)，依次送入各加工工位。工藝盤的轉(zhuǎn)動(dòng)是由交流電機(jī)通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)的，各加工工位的動(dòng)作是通過順序邏輯控制電磁閥進(jìn)而帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的。工件從1號(hào)工位裝入;在2號(hào)工位由夾鉗機(jī)構(gòu)完成前進(jìn)，抓緊，旋轉(zhuǎn)，窩邊的動(dòng)作，同時(shí)分別向托盤和推紙空心臺(tái)發(fā)出送紙球和送紙片信號(hào);在3號(hào)工位，包裝好的產(chǎn)品由于重力作用落入成品庫(kù)。
由于這是一個(gè)典型的順序控制⒂，利用移位寄存器操作最為方便。設(shè)定一個(gè)8位移位寄存器，每位移位寄存器相應(yīng)于一個(gè)V形槽，每120ms移位一次，控制相應(yīng)的操作。當(dāng)?shù)?號(hào)工位時(shí)發(fā)出上料信號(hào)，推紙空心臺(tái)推動(dòng)紙片(其總的上升時(shí)間大于490ms小于640ms)，托盤推動(dòng)紙球(其總的上升時(shí)間略小于640ms)同時(shí)以相同的速度前進(jìn)，當(dāng)工藝盤V形槽到達(dá)第一工位時(shí)，工藝盤停止，在此延時(shí)150ms，待放紙空心臺(tái)壓到紙片到位行程開關(guān)，停止，托盤壓到托盤到位行程開關(guān)，托盤停止，完成了上料操作，當(dāng)延時(shí)到，托盤和放紙空心臺(tái)后退，同時(shí)，插紙板前進(jìn)，托住紙球與工藝盤一同運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)2號(hào)工位時(shí)，工藝盤停止，延時(shí)250ms,同時(shí)發(fā)出上料信號(hào)，在此時(shí)段內(nèi)，插紙板在工藝盤停止后也相繼停止，但由于慣性，會(huì)使包裝紙帶著紙球旋轉(zhuǎn)一個(gè)較小的角度，使包裝紙能完全包住紙球，然后再后退，同時(shí)夾鉗機(jī)構(gòu)軸向運(yùn)動(dòng)，碰到限位開關(guān)時(shí)，軸向運(yùn)動(dòng)停止，而三個(gè)夾桿同時(shí)徑向運(yùn)動(dòng)，抓緊包裝紙的兩端，當(dāng)碰到抓緊限位開關(guān)時(shí)，夾鉗機(jī)構(gòu)軸旋轉(zhuǎn)90度后繼續(xù)向前移動(dòng)，進(jìn)行窩邊。窩邊到位，該機(jī)構(gòu)就后退。到達(dá)3號(hào)工位時(shí)，成品落下，完成一次包裝，這樣如此循環(huán)，直到發(fā)出停止信號(hào)。從圖2-2的時(shí)序圖分析，包裝一個(gè)衛(wèi)生卷紙只需880ms，可為什么在1分鐘內(nèi)卻只能包60個(gè)啦，這里還有個(gè)PLC掃描周期的問題，本包裝程序中PLC掃描周期為120 ms。
2.2卷紙包裝機(jī)速度影響的分析和提高
隨著中國(guó)改革開放與WTO的加入，中國(guó)的工業(yè)正向高速化、流水化發(fā)展，而中國(guó)的傳統(tǒng)包裝業(yè)以手動(dòng)與半自動(dòng)為主，大大阻礙了高速化發(fā)展。目前國(guó)外已有卷紙包裝機(jī)，而且速度已經(jīng)達(dá)到120個(gè)/分，而我們國(guó)家的卷紙包裝還是半自動(dòng)甚至有的小作坊還是手動(dòng)操作，平均包裝速度僅僅能達(dá) 20個(gè)/分。如果引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品，除了價(jià)格昂貴外而且也不利于本國(guó)的發(fā)展。因此研制高速包裝機(jī)已成為社會(huì)發(fā)展的必然。
為了滿足廠方的要求，本設(shè)計(jì)的高速卷紙包裝機(jī)包裝能力要求達(dá)到60個(gè)/Min。
我們知道包裝機(jī)速度越高，要求穩(wěn)定性和可靠性愈強(qiáng)。這就要求包裝材料供送速度快、精度高、定位準(zhǔn)確，包裝材料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要符合規(guī)格，停機(jī)率低，以減少包裝材料損耗，且包裝材料的裝卸都要自動(dòng)化等。
一. 影響卷紙包裝機(jī)高速化的包裝材料的性質(zhì)有：
1.抗張(拉)強(qiáng)度要大
在高速包裝機(jī)中，包裝材料運(yùn)動(dòng)的線速度可達(dá)500m / min以上，同時(shí)包裝機(jī)都是間歇式運(yùn)動(dòng)，材料直徑大，材料運(yùn)動(dòng)慣性力大，所以應(yīng)具有足夠的抗拉強(qiáng)度，防止被拉斷。在現(xiàn)行的卷紙包裝機(jī)材料供送機(jī)構(gòu)中可通過增加沖擊力緩沖裝置來解決。
2.伸縮性要小
包裝材料在運(yùn)行中，由于卷筒直徑大、包裝運(yùn)行速度大，使之受到很大的拉力和慣性沖擊力，易造成包裝材料拉伸，影響包裝紙定位準(zhǔn)確性，所以材料的伸縮性要小，以保證包裝機(jī)工作的可靠性和包裝質(zhì)量。
3.靜電性要小
卷筒包裝材料在卷曲和使用過程中，易產(chǎn)生靜電。當(dāng)包裝材料按定長(zhǎng)切斷后，在移送過程中，一旦發(fā)生靜電粘附時(shí)；就需馬上停機(jī)，所以靜電性越小越好。
二.機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響。
傳統(tǒng)的包裝機(jī)在包裝材料切斷后迅速離開的辦法是用不等速機(jī)構(gòu)。常見的不等速機(jī)構(gòu)有:偏心鏈輪機(jī)構(gòu)，偏置曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，凸輪、齒輪組合機(jī)構(gòu)，凸輪一四連桿組合不等速轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及非圓齒輪機(jī)構(gòu)等。
由于偏心鏈輪機(jī)構(gòu)的變速范圍有限，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高速時(shí)易引起鏈條的跳動(dòng)，而且傳遞的力不易過大，因此它只適合于一些速度不太高、傳遞的力不太大的小袋包裝機(jī)。而凸輪齒輪組合機(jī)構(gòu)，凸輪一四連桿組合機(jī)構(gòu)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整不方便，運(yùn)動(dòng)沖擊又大，因此不常用。
其中偏置曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)是目前高速包裝機(jī)中應(yīng)用較多的一種不等速機(jī)構(gòu)。它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，加工方便，調(diào)節(jié)容易，成本低。但體積比較大，調(diào)整環(huán)節(jié)比較長(zhǎng)。傳動(dòng)過程中，傳動(dòng)角Y不等于90度，因此傳力特性不太好。當(dāng)速度超過300r/ min時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性能變壞，動(dòng)載振動(dòng)和動(dòng)平衡較難解決。
在設(shè)計(jì)中我們利用控制精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的6SE70系列變頻器及其配套電機(jī)來替代不等速機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到變速的目的，且使包裝機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，慣性小。
在包裝過程中，通過嚴(yán)格的時(shí)序分析，知道要達(dá)到要求的速度，電機(jī)的啟動(dòng)、停止的時(shí)間一定要快，也就是電機(jī)的響應(yīng)速度要快。一般的步進(jìn)電機(jī)從上升到運(yùn)行平穩(wěn)的時(shí)間約需200-400ms，達(dá)不到120 ms的要求。通過各種資料的查詢，發(fā)現(xiàn)松下MSMA 400W交流伺服電機(jī)從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒。因此，我們?cè)谝罂焖賳⑼５目刂茍?chǎng)合⒃，利用松下MSMA400W交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)。
整個(gè)控制系統(tǒng)以西門子S7-300系列PLC作為基礎(chǔ)，其掃描速度在其他工業(yè)控制系統(tǒng)中處于領(lǐng)先地位，每1000條指令約需0. 3 ms。通過材料，機(jī)械，電氣的綜合考慮，我們的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，且在實(shí)驗(yàn)室也調(diào)試成功。
2.3可編程控制系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)
利用PLC可以構(gòu)成多種控制系統(tǒng):單機(jī)控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)，分散型控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程I/0控制系統(tǒng)⑺。由于卷紙包裝機(jī)控制對(duì)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(duì)象比較集中，因此我們采取集中控制系統(tǒng)方案。集中控制系統(tǒng)如圖2-3所示，每個(gè)被控制對(duì)象與可編程控制器指定I/0相連接，因此各被控對(duì)象之間的數(shù)據(jù)、狀態(tài)的變換不需要另外設(shè)置專門的信號(hào)線路。該控制系統(tǒng)多用于控制對(duì)象所處的地理位置比較接近，且相互之間的動(dòng)作有一定聯(lián)系的場(chǎng)合。單主機(jī)控制方式，對(duì)主機(jī)要求較高，危險(xiǎn)相對(duì)集中。遠(yuǎn)程I/0控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)比較獨(dú)特，類似于集中控制系統(tǒng)，又具有分散型控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，經(jīng)常用于控制規(guī)模中等，控制對(duì)象比較分散、工程費(fèi)用較低的場(chǎng)合。
PLC作為一種控制設(shè)備，用它單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)是有局限性的，主要是無法進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，無法顯示各種實(shí)時(shí)圖形和保存大量歷史數(shù)據(jù)，也不能顯示漢字和打印漢字報(bào)表，沒有良好的界面。這些不足，我們選用上位機(jī)來彌補(bǔ)。上位機(jī)完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存貯、處理與輸出，以圖形或表格形式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬顯示、分析限值或報(bào)警信息，驅(qū)動(dòng)打印機(jī)實(shí)時(shí)打印各種圖表。
為提高PLC及系統(tǒng)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(hào)光電隔離，遠(yuǎn)離強(qiáng)電布線，模擬量信號(hào)和脈沖信號(hào)采用屏蔽線傳遞，采用放射性一點(diǎn)接地等措施，消除或減弱共模和瞬變干擾。在軟件設(shè)計(jì)和編程上，加上一些抗干擾模塊。
2.4系統(tǒng)的運(yùn)行方式
運(yùn)行方式分為手動(dòng)、單步、周期及自動(dòng)等四種操作方式⑻。
1.手動(dòng)：各工步都可單獨(dú)點(diǎn)動(dòng)，按鈕釋放即停止運(yùn)行；
2.單步：按下啟動(dòng)按鈕，運(yùn)行一個(gè)工步，到位即停。再按啟動(dòng)，則進(jìn)入下一工步運(yùn)行；
3.周期：從初始位置開始，按啟動(dòng)按鈕，程序自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作后返回第一步開始位置停止。
4.自動(dòng)：按啟動(dòng)按鈕，程序完成一個(gè)周期的動(dòng)作后又接著從第一步開始運(yùn)行，自動(dòng)循環(huán)。在自動(dòng)方式下，中途若按下復(fù)位按鈕，則系統(tǒng)要繼續(xù)運(yùn)行到第一步開始位置才停止；若按下停止按鈕，則運(yùn)行立即停止，此時(shí)若再按啟動(dòng)，系統(tǒng)即從該位置運(yùn)行到第一步開始處停止。
根據(jù)卷紙包裝機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，本系統(tǒng)采用自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行兩種方式。與運(yùn)行方式的設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，還必須考慮停止運(yùn)行方式的設(shè)計(jì)。可編程控制器的停運(yùn)方式有正常停運(yùn)，暫時(shí)停運(yùn)和緊急停運(yùn)⑼三種。根據(jù)控制系統(tǒng)要求，由于包裝機(jī)運(yùn)行期間采用循環(huán)工作方式，只有在工作結(jié)束或接收到操作人員的停止運(yùn)行指令或設(shè)備出現(xiàn)故障或異常情況時(shí)才停止，因此本系統(tǒng)采用硬件切斷電源，使系統(tǒng)立即停車。
包裝機(jī)控制功能要求：
手動(dòng)運(yùn)行 可以用按鈕對(duì)包裝機(jī)的各個(gè)部分進(jìn)行單獨(dú)控制，主要用于故障
恢復(fù)與檢修
全自動(dòng)運(yùn)行 按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)即可連續(xù)、協(xié)調(diào)、周期性地循環(huán)完成各包裝動(dòng)作，直到系統(tǒng)接收到停止運(yùn)行信號(hào)。
2.5控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)
2.5.1總體結(jié)構(gòu)關(guān)系
在前面己經(jīng)說明，本系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)和工控機(jī)兩級(jí)控制的結(jié)構(gòu)。PLC負(fù)責(zé)按鈕、行程開關(guān)和其它開關(guān)量信號(hào)的輸入，以及發(fā)出信號(hào)去控制接觸器、繼電器、變頻器等電氣元件，進(jìn)而控制各電機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)控制相應(yīng)指示燈的顯示。工控機(jī)用來進(jìn)行參數(shù)的修改與設(shè)定、全自動(dòng)控制、在線監(jiān)視、傳送信息等工作。工控機(jī)通過串行口與PLC相連，進(jìn)行相互通信，所以工控機(jī)是通過發(fā)出命令去控制PLC的運(yùn)行以達(dá)到進(jìn)行全自動(dòng)控制的目的。
2.5.2控制系統(tǒng)主要器件的選擇
卷紙包裝機(jī)控制系統(tǒng)主要器件包括工控機(jī)(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(chǎn)品為依據(jù)，具體情況如下：
工控機(jī)
本系統(tǒng)上位機(jī)選用研華IPC-610工控機(jī)，128M內(nèi)存，10G硬盤，內(nèi)部底板上有4個(gè)ISA總線插槽、2個(gè)PCI總線插槽和一個(gè)CPU插槽，可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)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(yùn)行WINDOWSNT操作系統(tǒng)，外接打印機(jī)，打印報(bào)表。工控機(jī)由一臺(tái)500VA的不間斷電源UPS供電，保證報(bào)表數(shù)據(jù)的完整記錄。
下位PLC的選型及其模塊配置
在進(jìn)行這項(xiàng)工作之前，需要對(duì)控制對(duì)象和控制任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。然后確定系統(tǒng)的規(guī)模、機(jī)型和配值。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該包裝機(jī)控制系統(tǒng)需要配置如下的不同性質(zhì)的I/0點(diǎn)：
80個(gè)開關(guān)量輸入；
50個(gè)開關(guān)量輸出；
15個(gè)模擬量輸入；
15個(gè)模擬量輸出；
根據(jù)對(duì)上述控制任務(wù)的分析，本項(xiàng)目選擇了Siemens的模塊化中小型PLC系統(tǒng)S7-300，它能滿足中等性能要求的應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。其模塊化、無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、和易于實(shí)現(xiàn)分布，易于用戶掌握等特點(diǎn)使得S7-300成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務(wù)的方便又經(jīng)濟(jì)的方案。S7-300系列所具有的多種性能遞增的CPU和豐富的且?guī)в性S多方便功能的I/0擴(kuò)展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的模塊。當(dāng)任務(wù)規(guī)模擴(kuò)大并且愈加復(fù)雜時(shí)，可隨時(shí)使用附加的模塊對(duì)PLC進(jìn)行擴(kuò)展。SIMATIC S7一300所具備的高電磁兼容性和強(qiáng)抗振動(dòng)，抗沖擊性，更使其具有最高的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。它具有很強(qiáng)的計(jì)算能力和完善的指令集，以及通過MPI接口和SINEC LANS聯(lián)網(wǎng)的能力，適用于高速的過程處理需要。本系統(tǒng)所用的主機(jī)模塊是CPU 315-2DP，可以通過MPI轉(zhuǎn)接電纜或通訊模塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，再加上其全面的診斷功能和完善的自我保護(hù)技術(shù)，使其具有極高的可靠性，極其適合本系統(tǒng)的需求。除此之外，它自帶的STEP7編程軟件功能強(qiáng)大，使用方便，也使開發(fā)過程變得簡(jiǎn)單快捷。此外，S7 -300系列PLC還具有模塊點(diǎn)數(shù)密度高，結(jié)構(gòu)緊湊，性價(jià)比高，性能優(yōu)越，裝卸方便等優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)I/0點(diǎn)數(shù)的確定要按照實(shí)際點(diǎn)數(shù)再加20 %-30%的備用量及其特性，配置了如下的模塊⑾：
⒈ 2個(gè)模擬量輸入模塊(SM331 AI8*12Bit):可提供具有12位分辨率的總數(shù)為16路的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道；
⒉ 4個(gè)模擬量輸出模塊SM332(AO 4*12Bit):可提供具有12位分辨率的總數(shù)為16路的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道；
⒊ 4個(gè)數(shù)字量輸入模塊SM321 CDI32*24VDC):可提供總數(shù)為128路的開關(guān)量輸入通道；
⒋ 3個(gè)數(shù)字量輸出模塊SM322 D032*24VDC/0. 5A:可提供總數(shù)為96路的開關(guān)量輸出通道；
⒌ 中央處理單元CPU315-2DP；
⒍ 通訊處理器CP343-5
⒎ 接口模塊IM360和IM361。
在本系統(tǒng)中，PLC的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)信號(hào)(按鈕、行程開關(guān)、繼電器節(jié)點(diǎn))的輸入，判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號(hào)去控制接觸器、繼電器等器件，以完成相應(yīng)的控制任務(wù)。除此之外，另一個(gè)重要的任務(wù)就是接受工控機(jī)(上位機(jī))的控制命令，以進(jìn)行全自動(dòng)包裝循環(huán)。圖2-4給出了本項(xiàng)目中配置的S7-300PLC模板的型號(hào)和數(shù)量，下面對(duì)使用的這些模塊作具體介紹⑿：
PLC的中央處理器CPU315-2DP
CPU315-2DP是S7一300的大腦，其裝載存儲(chǔ)器的基本容量為48K字節(jié)或80K字節(jié)，可用存儲(chǔ)卡擴(kuò)充裝載存儲(chǔ)器，最大容量可達(dá)到512KB。每執(zhí)行1000條二進(jìn)制指令約需0.3ms，最大可擴(kuò)充1024點(diǎn)數(shù)字量I/O或128路模擬量通道。CPU315-2DP內(nèi)裝硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘。
CPU315-2DP的操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動(dòng)的用戶程序掃描過程。CPU響應(yīng)哪個(gè)事件，操作系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用該事件的組織塊OB 。 CPU315可調(diào)用128個(gè)功能塊FB ( 0-127)； 128個(gè)功能調(diào)用FC（0-127)； 127個(gè)數(shù)據(jù)塊DB（127、0保留)。OB、FB、FC、 DB的容量均不大于8KB。此外，還有38個(gè)系統(tǒng)功能塊SFC集成在操作系統(tǒng)中供用戶調(diào)用；有9個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊SDB裝載S7-300系統(tǒng)參數(shù)。
CPU315-2DP適用于要求高速處理和中等I/O規(guī)模的任務(wù)。它可以裝載中等規(guī)模的程序，并具有中等的指令執(zhí)行速度。
接口模塊IM360和IM361
當(dāng)PLC系統(tǒng)的規(guī)模較大時(shí)，一個(gè)機(jī)架不能容納所有的模塊時(shí)，就要增添擴(kuò)展機(jī)架，這時(shí)裝有CPU的機(jī)架稱為主機(jī)架。主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架之間通過接口模塊IM360和IM361形成統(tǒng)一的整體。每個(gè)機(jī)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(tài)的，無需進(jìn)行地址分配。具有指示系統(tǒng)狀態(tài)和故障的發(fā)光二極管LED。如果CPU不確認(rèn)此機(jī)架，則LED閃爍。一個(gè)系統(tǒng)可以有中央機(jī)架和最多三個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，每個(gè)機(jī)架最多八個(gè)擴(kuò)展模塊，相鄰機(jī)架的間隔為4厘米到10米。
IM360必須安裝在S7-300的0號(hào)主機(jī)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(hào)到3號(hào)的機(jī)架上:數(shù)據(jù)通過連接線368由IM360傳輸?shù)絀M361，再?gòu)腎M361傳輸?shù)较聜€(gè)機(jī)架上的IM361；每個(gè)IM361需要一個(gè)外部24V電源，向擴(kuò)展機(jī)架上的所有模塊供電?？赏ㄟ^電源連接器連接PS307負(fù)載電源。
通訊處理器模塊CP343-5
CP343-5通訊處理器是用于PROFIBUS-FMS總線系統(tǒng)的SIMATICS7-300的通訊處理器。它內(nèi)部帶有微處理器，用來分擔(dān)CPU的通訊任務(wù)，并支持其它的通訊連接。它可以通過PROFIBUS -FMS與PROFIBUS站點(diǎn)通訊;與編程器、人機(jī)界面裝置進(jìn)行通訊;與其他SIMATIC S7系統(tǒng)進(jìn)行通訊。CP343一5通訊處理器具有SIMATICS7-300系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，其9針D型連接器用于連接PROFISUS , 4針端子排用于連接外部24V直流電源電壓。
32路數(shù)字輸入模塊SM321
數(shù)字輸入模塊SM321向外提供電源，將位于現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)觸點(diǎn)的狀態(tài)經(jīng)過光電隔離和濾波，將從過程傳輸來的外部數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部S7-300信號(hào)電平。然后送至輸入緩沖器等待CPU采樣，采樣時(shí)，信號(hào)經(jīng)過背板總線進(jìn)入到輸入映像區(qū)。SM321數(shù)字輸入模塊具有32位獨(dú)立的輸入點(diǎn)，用于連接開關(guān)或2線接近開關(guān)(BERO)。數(shù)據(jù)采集部分與背板總線通過光電耦合器隔離。模塊的每個(gè)輸出點(diǎn)有一個(gè)綠色發(fā)光二極管LED顯示輸入狀態(tài)。輸入開關(guān)閉合即有輸入電壓時(shí)，LED亮。
32位數(shù)字輸出模塊SM 322 D032*24DC/0.5A
數(shù)字輸出模塊將S7-300的內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)化為控制過程所需的外部信號(hào)電平。按負(fù)載回路使用的電源不同分為:直流輸出模塊、交流輸出模塊和交直流兩用輸出模塊。
SM322: D032*24DC/0.5A屬于晶體管輸出方式的模塊，只能帶直流負(fù)載;32個(gè)輸出點(diǎn)，分成8組;0.5A的輸出電流;該模塊輸出具有短路保護(hù)功能，適用于連接電磁閥、接觸器、小功率電機(jī)燈和電機(jī)啟動(dòng)器。
8路12位分辨率模擬量輸入模塊SM331
SM331: AI8*12Bit是8通道的模擬量輸入模塊，在系統(tǒng)中用于輸入主傳動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、放卷機(jī)轉(zhuǎn)速、放卷輥直徑等的測(cè)量值。模塊主要是由A/D轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開關(guān)、補(bǔ)償電路、恒流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成。
A/D轉(zhuǎn)換部件是模塊的核心，其轉(zhuǎn)換原理采用積分方法。積分式A/D轉(zhuǎn)換的積分時(shí)間直接影響到A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間和A/D轉(zhuǎn)換精度。積分時(shí)間越長(zhǎng)，被測(cè)值的精度越高。SM331可選的積分時(shí)間有:25ms，167ms，20ms和100ms。在我國(guó)為了抑制工頻及諧波干擾，一般選用20ms的積分時(shí)間，相應(yīng)精度為12位。S7-300的CPU用16位的二進(jìn)制補(bǔ)碼表示模擬量的值，其中最高位為符號(hào)位，“0”表示正值，“1”表示負(fù)值。S7-300模擬輸入模塊的輸入測(cè)量值范圍很寬，可直接輸入電壓、電流、電阻、熱電偶等信號(hào)。它用于不帶附加放大器的模擬執(zhí)行元件和傳感器，可以將擴(kuò)展過程中的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為S7-300內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)。
SM331的8個(gè)模擬量輸入通道共用一個(gè)積分式A/D轉(zhuǎn)換部件。即通過模擬切換開關(guān)，各個(gè)輸入通道按順序一個(gè)接一個(gè)轉(zhuǎn)換。某一通道從開始轉(zhuǎn)換模擬量輸入值起，一直持續(xù)到再次開始轉(zhuǎn)換的時(shí)間稱為輸入模塊的循環(huán)時(shí)間。循環(huán)時(shí)間是對(duì)外部模擬信號(hào)的采樣間隔。對(duì)于一個(gè)積分時(shí)間設(shè)定為20ms,8個(gè)輸入通道都接有外部信號(hào)且都需斷線監(jiān)視的SM3