临床医学的毕业论文

沈阳理工大学应用技术学院沈阳理工大学应用技术学院毕业设计（论文）毕业设计（论文）题 目： 基于 PLC 的薄刀式分切压痕机控制系统的设计 院 系： 信息工程系 专 业： 自动化 班级学号： 08303238 学生姓名： 逯恒 指导教师： 金亚玲 成 绩： 年 月 日I摘 要分切压痕机是生产包装纸箱所用瓦楞纸生产线中重要的设备，其产品的质量主要是由设备控制系统的优良程度所决定的。本文将对 PLC 对分切压痕机系统控制做一定的阐述。本课题是针对在生产及生活中用量极大的纸产品 瓦楞纸，利用 现代的PLC 控制技术对它的工作流程进行控制 ，并以组态仿真来模拟其全部生产过程。整个工艺流程分为开卷、压痕、涂胶、粘合、烘干、分切和磨刀7 部分。针对整个生产过程所需要的输入和输出端口较多，计算比较复杂等等的特点，本设计采用了西门子 PLC S7-300 对分切压痕机的设计。并使用组态软件对其程序进行监控和管理，更好的实现了对现场实时监测与控制，并且直观，生动的体现了分切压痕机的整个工艺流程。传统的制作方式耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢，若使用 PLC 对分切压痕机进行控制则能更好的规范制作的产品，也可以简化操作并提高工作效率。使瓦楞纸的生产更适应现代快节奏的生活。关键词：分切压痕机；PLC；组态软件II AbstractCutting and creasing machine is important in the manufacture corrugated paper production line equipment, the quality of its products is mainly determined by the equipment control system of good or bad. This paper will do some discussion about PLC control cutting and creasing machine system.This task is great for production and life-corrugated paper products, it process with PLC control technology, and simulation to simulate all of its about production process by configuration software. Whole process include uncoiling, indentation, gluing, adhesion, drying, cutting and sharpen part 7. As the entire production process needs more input and output ports, calculation is more complex, and more features, this design uses a Siemens PLC S7-300 to design cutting and creasing machine. And use the configuration software for monitoring and management real time, and intuitive, vivid embodies the cutting and creasing machine process flow.Traditional way of making should waste more energy consumption, poor reliability, shorter work time, slow running speed, if using PLC to control the cutting and creasing machine should better for specification product, can streamline operations and improve productivity. It will making corrugated paper production more adapted to modern and fast life.Keywords: cutting and creasing machine；PLC；configuration software目录绪 论.1III1 控制系统硬件设计.41.1 PLC 概况.41.1.1 PLC 的简介.41.1.2 PLC 的市场调查及发展.41.1.3 西门子 PLC 的技术优点.51.1.4 PLC 的组成.61.2 分切压痕机总体分析.71.2.1 分切压痕机工作过程.71.2.2 分切压痕机的控制及数据要求.81.3 硬件连接.91.4 方案设计.122 PLC 对控制系统的设计.132.1 编程软件简介.132.2 系统输入输出 I/O 分配表.132.3 程序分析.143 分切压痕机控制系统组态设计.183.1 组态软件发展历程.183.2 组态王组态软件的功能特性.193.3 组态系统设计.203.3.1 组态动画流程及分析.203.3.2 组态系统的应用及开发.223.4 PC 与 PLC 的通信.243.5 组态王与 PLC 的链接及通信.25结 论.27致 谢.28参考文献.29附录 A.30附录 B.64附录 C.66IV沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文1 绪 论1）本课题的目的及意义随着社会不停的进步，工艺品行业和包装行业也进行着飞速的发展。作为工艺品行业和包装行业伴随产品：瓦楞纸，因其重量轻，价格便宜，用途广泛，且能回收重复利用等等的特点，从而使它的应用范围有了显著的增长。20 世纪初期，已在各个商品制作领域得到了普级和应用。瓦楞纸板有其特有的功能和特点，这使得其在与多种包装材料的竞争中获得了极大的成功并占领的大量的市场。使之成为迄今为止应用最为广泛并且发展前景最好的包装的主要材料之一。伴随着瓦楞纸的需求量越来越大，使生产瓦楞纸的机器的工艺也随之逐渐普及和提高。传统的瓦楞纸分切压痕机采用的是继电器-接触器-控制器的顺序控制方式进行控制，这样的系统不仅耗电多、可靠性差、运行速度慢，而且使用起来也不灵活，一旦出现偏差或者需要调节数据则会显得很麻烦。考虑到以上几个方面的不足之处，本文将使用 PLC 对分切压痕机进行控制以弥补上述几点并使分切压痕机更好的进行机械化的工作以适应现代社会的高速度发展。 2）分切压痕机控制技术发展现状分切压痕机是生产包装纸箱所用的瓦楞纸生产线中重要的设备，对压痕机采用PLC控制可以提高纸板的整体质量和生产效率。现在主流的控制方式是使用欧姆龙PLC进行程序设计，工作流程没有明显的瑕疵，工作效率有些低下，质量也有待提高1。目前国内对分切压痕机的使用主要分为几个阶段，第一阶段主要用于主线分切为一次分切。一次分切主要提供给下游深加工企业，下游客户的分切为二次分切，或三次分切，此次会议的制膜厂家主要分切为一次分切，随着近年来制膜企业竞争的激烈，为给下游客户提供更好的服务，制膜企业也加入了二次分切。在一次分切中，使用品牌最多的是德国康普，其次是阿特拉斯，日本的分切机在一次分切中使用的很少。随着近年来国内设备制造业的兴起，国产分切机在一次分切中也有了一定的立足之地，当然与国外的分切机相比，国产分切机还存在一定差距。从使用者的角度来看，这存在着一定的认识误区，主要表现在缺乏对分切压痕机市场更深入的了解。在购买一台设备时都要有一个性能价格比，实际上在上述所提到的品牌中性能和价格比都不一定是最好的，在美国曾经有人做过这样一个试验，拿上述品牌分切机与日本的片冈分切机进行比较，在分切相同薄膜材料时，结果日本的片冈胜出，其主要表现在稳定性和沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文2 提速、降速以及非拉伸性等方面，日本的片冈都表现出优越的品质，其价格也比上述品牌低。可惜在国内制膜企业中，一次分切机竟没有一家选用日本的片冈分切机，实属遗憾，也就是说国内企业拿最高的价格买了国外二流的设备。对美国市场调研表明，日本片冈在美国市场的占有率很高，随着市场要求的提高、竞争的激烈，国内企业会走出这个误区，重新认识分切机的市场。二次分切、三次分切与一次分切相比，国内使用分切机现状就显得多样性，一次分切主要是进口设备唱主角，而二次分切、三次分切领域，多种品牌在国内市场各显神通，有欧洲的、日本的、台湾的，近几年来国内所生产的分切压痕机已逐渐有取代国外品牌的趋势，造成上述结果的有以下几点：（1） 国外分切先进技术已逐步流向中国；（2） 国内制造业的兴起；（3） 先进控制技术的普及；（4） 制造成本的低廉所造成分切机的价格低廉；以上多种原因共同促使国内制膜企业选用国产分切机，随着时间的推移，相信国产分切机会越做越成熟，性能更优异2。国产分切压痕机发展方向应从三个方面考虑：1） 框架结构：无论是一次分切还是二、三次分切，国内分切机厂家都应投入精力，在框架结构上加以研究，切实从分切机厂家着眼，设计出更加合理的分切机，摆脱目前所生产分切机的抄袭现象，研究设计出个性化的分切机，使得分切不同材料在结构上更加细致化，在下一轮国际市场的竞争中，给制膜企业提供有利的武器，同时也给企业寻找出蓝海。2） 自动化控制部分：目前国内所生产的分切机自动化水平还停留在中下水平上，虽说国内控制原器件运用已非常普及，价格也较低廉，但国内分切机厂家在使用的深度上远远落后于国外发达国家水平，特别是在控制系统上与分切机的结构和所分切的物料上缺乏有机的结合，在这个层面上讲，国产分切机绝大多数还停留在粗线条上，还没有更深入领会分切机控制系统的严密性和合理性。国内分切机厂家应从以上几个方向着手，寻找出即符合分切机控制分切原理，又能最大限度的使用好硬件所提供的功能的办法。3） 制造方面：这是中国制造业所面临的通病，众所周知任何机械设备，除了在设计上合理以外，在制造上还要求精密，而中国制造业在这方面是欠缺的，除此之外，制造工艺也是一个薄弱的环节，制造分切的设备，除了一些通用的机床外，还需要有沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文3 一些制造分切机的专用设备，如动平衡机、水切割机等，因分切机制造精度要求高，所以一些设备需要用数控机床来加工零部件，特别是有必要普及使用机械加工中心，这样所制造出分切机的设备加工精度才能从根本上得到保证3。3） 本论文的主要内容 分切压痕机是生产瓦楞纸的主要设备，PLC、变频器是其主要的控制元件。当前主流的分切压痕机工艺流程设计比较繁琐，需要控制和调节的变量和数据着实很多，因此，实现分切压痕机的自动化和专业化便显得尤为重要，这不仅可以减轻操作人员的劳动强度，还能优化生产产品的质量，使瓦楞纸的生产更加现代化。分切压痕机控制系统一般由数个纸卷，涂胶器，烘干器，分切刀等部分组成，工艺流程分为开卷、压痕、涂胶、烘干、分切等工序。开始工作时开卷机先上电，将纸板装好，再打开压痕机和分切机，同时也让涂胶机，烘干机开始运行。在运行的过程中压痕机的线速度要与开卷机的线速度保持一致。由于开卷机旋转的直径和压痕机旋转的直径是不相同的，因而要保持线速度相同就要通过计算公式使开卷机和压痕机旋转的角速度成一定的比例。同样分切刀的转速也要根据送来纸板的速度进行调整，所以分切刀的驱动也要用变频器进行控制。本设计中采用的是西门子 S7-300 的 PLC，相对于欧姆龙 PLC 细节上的设计更加的丰富，抗干扰能力更强，由于所设计的程序相对复杂，使用西门子 PLC 编程条理更清晰。论文中将先后阐述西门子 PLC S7-300 和组态王对分切压痕机的控制设计。首先会简述有关分切压痕机，PLC 的背景和所要达到的各方面数据，工艺要求。其次介绍PLC 在设计中的各项数据和对传统式分切压痕机的优化与改进。最后将介绍组态王软件对程序进行监控和对组态软件的开发与应用。沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文4 1 控制系统硬件设计1.1 PLC 概况1.1.1 PLC 的简介可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC。西门子 PLC 的构成：从结构上分，西门子 PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置4,5。1.1.2 PLC 的市场调查及发展根据Control Design杂志的调查，2009 年美国机械行业的 PLC 用户占2/3，PAC 和 PC 控制合起来只占 13%，而嵌入式 PLC 仅占 5%。这可以说明，嵌入式PLC 具有很大的发展空间。目前，嵌入式 PLC 的发展也呈现多元化，国内外均有良好表现：德国赫优讯推出的将现场总线技术和 PLC 技术结合的 NETPLC 很有特色；国内几年前就有华中科技大学在 EASY CORE 1.00 核心芯片组中加载了嵌入式 PLC 系统软件，作为硬件平台，开发了多模入通道的嵌入式 PLC；还有一种发展路径是以开发 PLC 与人机界面相结合的硬件/软件一体化为目标的平台，充分利用了 CASE 工具，结合各类嵌入式芯片的开发平台和各种输入/输出通道的硬件电路库，专为机电设备开发客制化、具有 ODM 性质的专用 PLC6,7。嵌入式 PLC 在我国具有较广阔的发展空间，首先在于它十分有利于发挥我国自动化行业发展的两大特点：有相当雄厚的为机电设备配套的市场基础，并拥有足够的、性价比全球最优的设计开发队伍。我们完全可以以最低的成本、较高的质量，并按客制化的要求设计、生产为机电设备配套的嵌入式 PLC，来代替通用 PLC。同时，嵌入沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文5 式 PLC 的硬件、软件、人机界面、通信等各方面的功能设计灵活，易于剪裁，更贴近各种档次的机电设备的要求。嵌入式 PLC 完全基于嵌入式系统的技术基础，拿来就可用。SoC 芯片、嵌入式操作系统与符合 IEC 61131-3 编程语言标准的编程环境等优势，使得其在市场上很容易找到。在目前环境下开发通用 PLC 的技术不难突破，但抢占市场需要大量财力和人力资源投入。在市场已被为数不多的几家大公司稳固瓜分的今天，走这样的路线似乎事倍功半。我国小型 PLC 近年来也有可喜进步的实践，也同样证明了这一判断8。1.1.3 西门子 PLC 的技术优点1） 可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。西门子 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的西门子 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从西门子 PLC 的机外电路来说，使用西门子 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，西门子 PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除西门子 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 2） 配套齐全，功能完善，适用性强。PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上西门子 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。3） 易学易用，深受工程技术人员欢迎。西门子 PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文6 为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 4） 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。西门子 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 5） 体积小，重量轻，能耗低。以超小型西门子 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备9。1.1.4 PLC 的组成S7-300PLC 是模块式的 PLC，它由以下几部分组成：1）中央处理单元：CPU 用于存储和处理用户程序，控制集中式 I/O 和分布式I/O。各种 CPU 有不同的性能，有的 CPU 几成有数字量和模拟量输入输出点，有的CPU 集成有 PROFIBUS-DP 等通信接口。CPU 前面板上有状态故障指示灯、模式选择开关、24V电源端子和微存储卡插槽。2）电源模块：PS 电源模块用于 SC220V 的电源转换为 DC24V 电源，供 CPU 模块和 I/O 模块使用。电源模块的额定输出电流有 2A/5A 和 10A3 种，过载时模块上的LED 灯闪烁。3）信号模块：SM 信号模块是数字量输入输出模块（简称为 DI/DO）和模拟量输入、输出模块（简称 AI/AO）的总称，他们使用不同的过程信号电压和电流与 PLC 内部的信号电平匹配。模拟量输入模块可以输入热电阻、热电偶等多种不同类型和不同两成的模拟量信号。每个模块上有一个背板总线连接器，现场的过程信号连接到前连接器端子上。4）功能模块：FM 功能模块是只能的信号处理模块，他们不占用 CPU 的资源，对于来自现场的设备的信号进行控制和处理，并将信息传送给 CPU。他们负责处理那些CPU 通常无法以规定的速度完成的任务，以及对实时性和存储容量要求很高的控制任务，例如高速计数、定位和闭环控制等。功能模块包括计数器模块、电子凸轮控制器沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文7 模块、用于快速进给/慢速驱动的双通道定位模块、高速度布尔处理模块、闭环控制模块、温度控制模块、称重模块、超声波位置编码器模块等。5）通信处理器：CP 通信处理器用于 PLC 之间、PLC 与计算机和其他智能设备之间的通信，可以讲 PLC 接入 PROFIBUS-DP、AS-I 和工业以太网，或者用于实现点对点通信。通信处理器可以减轻 CPU 处理通信的负担，并减少用户对通信的编程工作。6）接口模块：IM 接口模块用于多机架配置时连接主机架和扩展机架。7）导轨：铝制导轨用来固定和安装 s7-300 上述的各种模块10,11。1.2 分切压痕机总体分析1.2.1 分切压痕机工作过程瓦楞纸在当今的礼品 和包装等行业占领了大量的市场，已经成为一种家喻户晓的包装用纸，随着技术的发展和成熟，更使其 成为迄今为止长用不衰的主要 包装材料之一。而制造瓦楞纸的机器就是分切压痕机， 典型的分切压痕机生产过程如图1.1 所示：瓦楞纸生产工艺流程包括开卷、压痕、涂胶、烘干、分切等工序。涂胶烘干刀片砂轮纸卷一纸卷二纸卷三纸板压痕分切图 1.1 分切压痕机工作过程分切压痕机工作原理是：上电后开卷机开始转动，把纸板装好，然后再打开其他设备：压痕机，分切机，涂胶机和烘干机。在运行过程中压痕机的线速度要求与主轴开卷机的线速度保持一致。由于开卷机的速度是可调的，所以用测速机检测的速度经沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文8 过计算之后由变频器输入到压痕机中，控制压痕机进行速度的调整。同样的，分切刀的转速也要根据纸板的移动速度进行调整。分切装置上的分切刀片在工作一定的时间后会变钝，这时需要磨刀器对刀片进行打磨，磨刀分为手动磨刀和自动磨刀两种方式，自动磨刀时 PLC 会根据主轴的速度和分切刀的转速调整它的磨刀间隔和磨刀时间或者人工根据实际情况进行调整。在生产的过程中纸板的传送会发生左右移动，也就出现了偏差，这会影响分切的质量，所以纸板在传送过程中要进行纠偏，纠偏的方式有手动和自动两种方式。分切台的两边设有数个光源探测装置来随时监测纸带是否跑偏。1.2.2 分切压痕机的控制及数据要求1) 机器正常运行后，压痕机的线速度要和纸板移动的线速度保持一致，并且数个纸带间的线速度也要保持一致，由于开卷机的线速度是可调的，所以要根据开卷机的线速度来调整其他机器的轴旋转速度，而压痕机和开卷机的旋转半径不同，所以压痕机的角速度是和开卷机角速度成一固定比例的。根据实际情况和测算要求压痕轴的速度范围为 01300r / min。分切机上有四个刀片，刀片的具体位置可根据实际情况进行调整，刀片旋转的速度要根据纸板的移动速度变化而进行调整，理论上刀片的旋转速度要超过纸板移动速度的一倍倍或者更大，所以分切刀也需要应用变频器进行控制，根据开卷机的线速度和电压从而确定刀片旋转的速度范围为 4001600r / min。 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文9 图 1.2 刀片位置2) 分切刀片在工作一定时间后会变钝，此时需要磨刀器应对刀片进行打磨，每次磨刀的时间间隔应和打磨时间与分切刀的旋转速度有相应计算出的对应比例，也会根据当时进行分切的纸张的强度进行适当的调整，一般情况下设定刀片每次打磨时间定为 5 秒左右最佳，磨刀时间间隔可由人工控制或者按照当时状况进行计算后由机器进行控制。磨刀有手动和自动两种控制方式：手动时，按磨刀按扭进行磨刀操作；自动时，分切装置只要运行，PLC 就根据之前设定好的磨刀间隔时间和刀片的速度自动的进行磨刀操作。1.3 硬件连接本系统采用了西门子 S7-300 型号 PLC 进行编程，分切压痕机自动控制环节采用上位机和下位机组成，下位机直接控制纸卷，烘干机等等的工作运行，上位机负责对该控制系统的工作运行的状况进行监视，其中上位机（计算机）用 RS-232 电缆和适配器的 MPI/DP 口插入 CPU 的编程口与 PLC 相连进行通信的，而 PLC 需先接入 220V 交流电源，再将启动、停止按钮各个开关通过 24V 直流电源连接到 PLC 的输入端口上（系统硬件接线图见图 1.3 所示） 。系统流程图能够清晰的显示程序每一步的工作方式与选择方式，把系统的工作情况清晰且有条理的展现出来。本设计的流程图见图 1.4。沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文10 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文11 图 1.3 硬件接线图 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文12 图 1.4 系统工作流程图沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文13 1.4 方案设计传统的瓦楞纸制作方式存在大量的缺点，这不仅增加了操作人员的专业性而且容错率很低。如果通过 PLC 对分切压痕机进行控制不仅能弥补上述 缺点而且可靠性高，维护方便，容易改造，功能完善从而提高了瓦楞纸的生产效率，由此使用 PLC 对分切压痕机进行自动控制是很有意义的也是非常有必要的。相对于欧姆龙 PLC，西门子在小型机方面有更久的制造历程，在小型方面的功能和服务更加完善。本次设计任务相对复杂，有大量的计算和控制，使用西门子 PLC 分模块进行编程，可以使程序本身的条理更加清晰，容易检查和修改错误，有利于实际生产工作，因而在本系统设计上西门子 PLC 要优于欧姆龙 PLC。在设计中有需要应用传感器进行测量的部分，像烘干箱，涂胶器，开卷机等部分，如果单纯进行人工观察不仅费时费力还容易出现错误，使用传感器进行实时的监测不仅弥补了上述的不足还使机器各部分的运转衔接的更完美。设计中在烘干箱内要加入温度传感器来测量烘烤温度时候达到的了要求，涂胶机中的胶水量是否充足。我选择了型号为QAE2120.010的温度传感器来实现对温度的监测，选择了型号为QBE9000-P16的压力传感器对涂胶器重胶水量进行监测，以保证机器能正常生产瓦楞纸。设计中除了常规性的使用了各种语言命令对程序进行编写，还应用了型号为6se70的变频器对速度进行控制。6se70型号的变频器已经有多年历史，虽然调试界面不如新出产的变频器优秀，但性能和使用的扩展性相对其它变频器更完美。变频器在PLC中的控制不同于普通的语言，PLC通信程序采用子程序方式编制，PLC控制程序是通过调用相关的子程序发送命令给变频器完成的。变频器在接收到数据指令后运送到后台程序完成。发送的子程序会把变频器所要控制的机器的速度和命令加工成协议格式进行发送，并且在发送的同时设置两个标志：发送标志和复位接收标志，同时也接收中断程序来随时中断发送。在变频器发送相应的时候，会激活中断程序并接收变频器当前的速度值，本设计中有大量的纸卷和切刀，其中纸卷的线速度要求保持一致，切刀的线速度要以一定的比例大于纸卷运行的线速度，一般为两倍或者更大的速度，具体的速度比还由纸张的坚硬度，当时的温度等具体的分切环境所决定。如果用传统的提前输出计算数据的控制方式进行编程，不但应用的范围很窄，容错率低，不利于制造等规格的瓦楞纸还不利于对程序按实时的需要进行调整，如果使用变频器进行控制就很好的解决了传统设计中的诸多不足。沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文14 2 PLC 对控制系统的设计2.1 编程软件简介西门子 PLC 控制程序用 STEP.7.V5.4 编程软件开发。STEP.7.V5.4 是西门子公司PLC 的软件编程调试的工具程序，其运行在 Windows 操作系统下，具有丰富、简捷的操作环境和强大的编程、调试功能。可实现梯形图的编程、监视和控制等功能，尤其擅长于大型程序的编写，弥补了手编程器编程效率低的不足。而且支持新款 CP243-1 (6GK7 243-1-1EX01-0XE0)。通过下列改进实现新的互联网向导： 1，支持 BootP和 DHCP。 2，支持用于电子邮件服务器的登录名和密码11。2.2 系统输入输出 I/O 分配表I/O 分配表能清晰的体现整个系统的输入输出点的分配情况，表 2.1 为分切压痕机系统 I/O 分配表。表 2.1 系统输入输出 I/O 地址分配表输入功能输出功能00000输入总开关01000压痕机速度控制00001烘烤机温度01001分切机速度控制00002涂胶机胶水量01002磨刀机速度控制00003纸卷厚度01003开卷机速度控制00004磨刀器转速01004烘干机速度控制00005磨刀时间01005涂胶机输出00006自动磨刀开关01006纠偏机 1 输出00007手动磨刀器开关01007纠偏机 2 输出沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文15 2.3 程序分析图 2.1 磨刀器工作状态及纸卷厚度计算1） 接通主电源，使开卷机，压痕机，涂胶机，粘合卷带，烘干机，分切机同时上电。顺序使 OB32 中的磨刀器开始计算时间。使 FB1 中控制的磨刀器共同程序开始运作。使 FC1 中的纸卷厚度等数据开始计算。使 FC3 中控制的切纸机开始工作。FC25，FC26 中的磨刀器 1 和 2 开始工作。经 FC51 控制使磨刀器自动开始运行。在FC150 中电机变频以 FC154 的模拟量计算的运算结果会调用至 FC3 和 FC1 中进行再次的运算和程序的执行。经过类似的公式化的计算和反复的调用才使得分切压痕机的各个部分能够正常的按照计划好的程序进行工作。至此第一次循环结束，分切压痕机进入正常的运行过程。其中由于要求开卷机和压痕机的线速度要相等，而压痕机和开卷机的直径却不同，所以需要通过 FC3 中的公式来进行计算出每个旋转的角速度从而达沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文16 到预期的效果。同样分切机与开卷机，压痕机也要按照特定的线速度比来进行运转，以保证分切刀能够切断瓦楞纸，并且保持较低的功率输出。上图为磨刀器工作程序，纸卷厚度计算公式。图 2.2 磨刀器工作时间与数据传送2） 经过一定时间的正常运行，分切刀开始卷刃，使机器不能正常达到所要求的切割效果。在本设计中，是按照之前设定好的时间，由机器自动提示需要进行磨刀。并且由人工按开关来完成磨刀。由 FC51 中控制的磨刀器开始对分切刀进行打磨。为了不影响正常的程序运行，有 FC51 中控制的程序使磨刀器每次只打磨一个刀片，在全部打磨结束之后磨刀器返回原位。其中磨刀器进行磨刀石也转动的磨刀方式，来加快打磨刀片的速度。在正常运行一定时间之后可能会发生 3 个纸卷对应不整齐的情况，也就影响了所制作的瓦楞纸的质量，这时由 FC3 中控制的纠偏器工作，来提示 3 个纸卷对应不整齐，在发出警报之后由人工进行手动纠偏。在纠偏结束之后纠偏光在此处于正常的无感应状态，随即停止报警并且继续进行实时的监控。上图为磨刀器运作程序和时间计算程序。沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文17 图 2.3 系统保护程序沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文18 3） 在正常运行状况下，机器只有上述两种运行状态。而在非正常运行状态下，机器会进行自我保护：断电。比如磨刀器，开卷机，压痕机等机器故障或者由于电压过大而导致部分机器不正常运行。本设计中存在的缺点为：只有当电流走完保护程序是才会断电，但是在这之前仍然会走一次正常运行的程序，时间上相差半个脉冲时间。图 2.3 为保护程序。沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文19 3 分切压痕机控制系统组态设计3.1 组态软件发展历程组态软件是工业自动化软件的重要分支，所谓组态就是利用工控软件中提供的工具和方法来完成工程中某一具体任务的过程，而这个软件就是组态软件。组态软件主要具备以下功能及特征：工业过程动态可视化、数据采集和管理、过程监控与报警、生成报表、为其他企业级程序提供数据、简单控制、批次处理、SPC 过程质量控制、符合 IEC61131-3 标准等。12组态软件最早出现在 80 年代初，80 年代的组态软件是基于 DOS 系统开发的，当时的主要产品是 Onspec、Paragon 和 Ifix 等；进入 90 年代，主要是基于 WINDOWS系统的组态软件，如 Intouch、Kingview、Ifix 等；未来将会是基于 Vista 操作平台的组态软件。在 90 年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及。究其原因，大致有以下几点：一、国内用户缺乏对组态软件的认识，项目中没有组态软件的预算，或宁愿投入人力物力针对具体项目做长周期的繁冗的上位机的编程开发，而不采用组态软件；二、在很长时间里，国内用户的软件意识还不强，面对价格不菲的进口软件（早期的组态软件多为国外厂家开发） ，很少有用户愿意去购买正版。三、当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高，组态软件提供了对大规模应用、大量数据进行采集、监控、处理并可以将处理的结果生成管理所需的数据，这些需求并未完全形成。随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式，对项目来说是费时费力、得不偿失的，同时，MIS（管理信息系统，Management Information System）和 CIMS（计算机集成制造系统，Computer Integrated Manufacturing System）的大量应用，要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。因此，在 1995 年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。此时国内组态软件这个市场上，充斥着正版和盗版的国外产品，几乎见不到自主知识产权的自动化软件。面对中国自动化软件领域所处的尴尬局面，亚控科技创始人林伟先生在北京市海淀区的一个面积约 30 平的出租房内，开始了组态王的研发。在亚控成立并推出组态王这个产品仅仅三年后，国内先后一下涌现出了十几种组态软件和专业软件公司，这些公司的诞生有力的促进了这个产业在中国的发展，极大了增强了沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文20 中国人在这个领域的民族自信心。也进一步鼓舞许多人发展相关领域的产品。组态软件作为一种工业信息化的管理工具，其发展方向必然是不断降低工程开发工作量，提高工作效率。易用性是提高效率永恒的主题，但是提高易用性对于提高开发效率是有限的，亚控科技则率先提出通过复用来提高效率，创造性地开发出模型技术，并将这一技术集成到 KingView7.0 中。这一技术能将客户的工程开发周期缩短到原来的 30%或更低，将组态软件为客户创造价值的能力提高到了一个新的境界，代表了组态软件的未来13。3.2 组态王组态软件的功能特性（1）人机界面功能1）丰富的可扩充的图形库 ：组态王 6.52 提供了全新的图形库，包含了大量预先建立好的组合图形对象，比如控制按钮、指示表、阀门、电机、泵、管路和其他标准工业元件。图库中的元素称为“图库精灵” ，使用“图库精灵”将极大地加快应用系统的构造。2）对多媒体的支持：组态王 6.52 进一步完善了对多媒体的支持。充分利用这些特性，用户可以设计出更容易被接受和使用的人机界面。1】 组态王可以嵌入图片；2】 可以播放声音文件；3】 播放动画；4】 支持视频采集设备。3）趋势曲线控件：实时曲线控件可以通过 TCP/IP 获得实时数据，数据服务器可以是任何一台运行组态王的机器，而不需要进行组态王网络配置，并能同时显示 16 条曲线。4）组态王集成的报表系统。5）配方管理 。（2）强大的通讯能力：组态王目前能连接 PLC、智能仪表、板卡、模块、变频器等上千种工业自动化设备。支持设备之多之广可与国外优秀同类软件相媲美。组态王通过驱动程序和这些工控设备通讯，所有的驱动程序存在于一张光盘上，在用户购买组态王时作为软件包的沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文21 组成部分提供。（3）先进的报警和事件管理1）组态王是通过报警和事件这两种方式来通知操作人员过程的活动情况。组态王的事件驱动的报警方式和紧凑高效的结构使得报警信息可以被完整地记录，即使突然发生大量的报警也不会遗漏；2）真正基于网络的报警系统。（4）强大的网络和冗余功能1）分布式网络结构；2）组态王的 For Internet 功能；3）画面发布；4）数据发布；5）丰富的冗余功能14。3.3 组态系统设计3.3.1 组态动画流程及分析系统运行的大部分过程是通过 PLC 程序进行控制的，整个工艺过程分为开卷、压痕、涂胶、粘合、烘干、分切和磨刀七部分。1） 开卷：是将纸卷安放到机器上，人工进行操作。2） 压痕：在开卷完成后打开机器的运行开关，将处在中间位置的纸卷进行压痕，以便后续操作。3） 涂胶，将压痕过的纸卷运送进图器进行涂胶，用来粘贴另两层纸卷。4） 粘合：将经过处理的纸卷和未经处理的纸卷进行压合处理，成品的雏形完成。5） 烘干：将经压合过的三层纸卷运进烘干器进行烘干，使胶水干化，使粘贴得更牢固。6） 分切：把处理过的纸卷经切刀裁切成需要的尺寸。图 3.1 为正常运行情况下的状态。沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文22 图 3.1 正常运行7） 磨刀：在运行一定时间后，机器会发出需要磨刀的提示，此时可根据实际情况通过按钮选择进行手动或自动磨刀。需要磨刀时，按开关磨刀石下移，每次只打磨一个刀片，如图 3. 2。8） 纠偏：纠偏光源时刻都在照射分切机的两侧，一旦出现纸卷不能对准，则会使警报灯闪烁，提示进行人工纠偏。沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文23 图 3.2 手动磨刀9） 紧急状态：在系统正常工作时，如遇到电压超过负荷，是转速大量增加或者某器件不能正常工作，则系统自动停止全部运行，回到初始状态。3.3.2 组态系统的应用及开发（1） 集成的开发环境最新设计的组态王工程浏览器为用户提供了便利的集成开发环境。工程设计者可以在工程浏览器中查看工程的各个部分，可以查看画面、数据库、配置通讯驱动程序、设计报表；可以完成系统的大部分配置。 工程浏览器采用树形结构，操作简单。在工程浏览器中，用户也可以方便地切换到组态王开发环境和运行环境。（2） 动画链接及组态编程利用组态王可以快速构造一个完善的“监控和数据采集系统”，但是每个工程系统又具有特殊性，需要一些细致的调整和扩充的功能。组态王命令语言是集成在组态王系统内部的功能强大的编程语言。它的作用就在于扩充应用系统的功能，对应用系统进行最精确的控制。组态王命令语言非常简便易学。它的语法是C语言的一个子集，任何了解或不了解C语言的开发者都可以迅速地掌握。组态王命令语言使用的算符包括数学运算符和逻辑运算符。命令语言内部支持顺序执行、条件分支和循环结构，可以用来开发完整的程序。组态王系统中所有的命令语言程序都在对话框中书写。为方便开发者，在对话框沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文24 中可以查看运算符、所有变量和函数。图3.3 组态开发环境组态王命令语言非常简便易学。它的语法是C语言的一个子集，任何了解或不了解C语言的开发者都可以迅速地掌握。组态王命令语言使用的算符包括数学运算符和逻辑运算符。命令语言内部支持顺序执行、条件分支和循环结构，可以用来开发完整的程序。组态王系统中所有的命令语言程序都在对话框中书写。为方便开发者，在对话框中可以查看运算符、所有变量和函数。图形对象丰富的动画效果：图形界面上的任何对象包括复合对象都可以随着过程参数的改变而变换状态，产生动画效果。图形对象与过程参数建立变化对应关系的过程称为“动画连接”。图形对象可以按动画连接的要求改变颜色、尺寸、位置、填充百分比等属性。一个图形对象可以同时定义多个连接，把这些动画连接组合起来，配合命令语言，画面将呈现出栩栩如生的动画效果。图形对象可以进行的“动画连接”包括：1）属性变化：包括线属性、填充属性、文本色；2）位置与大小变化：包括水平和垂直移动、缩放、旋转、填充；3）值输出：包括模拟值输出、离散值输出、字符串输出；4）用户输入：包括模拟值输入、离散值输入、字符串输入；沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文25 5）滑动杆输入：包括水平滑动杆输入、垂直滑动杆输入；6）特殊：包括闪烁、隐含、流动三种，其中，通过在管道的“流动”动画连接中设置管道的流动条件，可以确定立体管道内液体流线的流动状态。图 3.4 组态编程语言组态王除了在定义动画连接时支持连接表达式，还允许定义类似于 C 语言的命令语言来驱动应用程序，极大地增强了应用程序的灵活性。在这里我们使用的是“应用程序命令语言”，可以在程序启动时执行、关闭时执行或者在程序运行期间定时执行。命令语言可以进行赋值、比较、数学运算，还提供了可执行 IF-ELSE 条件语句 FOR-NEXT 循环语句的逻辑操作能力。用运算符连接变量或常量就可以组成较简单的命令语言语句，如赋值、比较、数学运算等15。3.4 PC 与 PLC 的通信（1） 串行通信中不同硬件平台数据存储格式的差异西门子S7-300 主要支持如下格式的基本数据类型：bool、byte、word(int)、dword(dint)、real等。由于CPU结构的不同，两个字节以上的数据类型，如整数、长整数和浮点数在内存中的存储方式有2种，一是数据的高位先存储(big-endian方式)，二是数据的低位先存储(little-end)。一般X86系统采用的little-沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文26 endian方式，即一个十六进制数的低位先存放在低地址内存位置，而S7-300中数据的存储格式是big-endian，与X86正好相反。X86 PC中的单精度浮点数float与S7-300中的real类型是对应的，每一个单精度浮点数在内储中占4个字节，它们都是按照IEEE-754标准来规定浮点数的存储格式，但它们在内存中存储的字节顺序正好相反。当PLC与上位机PC进行通讯时，要特别注意PLC与上位机的数据存储格式的区别，应编写专门的字节顺序转换程序。（2） PLC 与 PC 的串行通讯协议串行通讯主要有两种模式：不定长与定长通讯。相对来说，不定长通讯的控制复杂一点，但帧长度可以根据数据量的大小进行调节，有利于提高通讯效率。定长通讯控制相对简单，但数据帧长度固定，不能根据数据量的大小进行调节，通讯效率受到影响。用户可以根据自身的情况，权衡利弊决定选择哪种通讯模式。由于 PC 与 CP340通讯无非是从 PLC 读取数据或向 PLC 写入数据，故首先要了解西门子 PLC 的内存地址的表达方式，才能够从需要的地址处读取数据。（3） PC与PLC的通讯流程与部分程序PC与CP340多点串行通讯之前，PC与CP340必须分配唯一的站址，站地址的范围为0255，当一个站点从线路上接收到数据后，必须确认目的地址与本站地址相同，才能进入下一步的处理。由于PC的数据处理能力比PLC强，因此在发送到PLC之前，在PC上将X86格式的数据处理成S7-300上的数据格式，再填入数据帧发送出去，这样PLC对数据不需要处理就可以直接使用，PC接收到PLC发来的S7-300的数据格式后，再进行相反的格式变换，变成X86上的数据格式16,17。3.5 组态王与 PLC 的链接及通信（1） 设置硬件连接驱动 ：1） 首先打开组态王，然后选择新建一个工程，打开工程浏览器：设备新建 ；2） 选择 PLC西门子S7-300/400(MPI)Prodave6IE ；3） 选择下一步输入设备名称为 Prodave6IE下一步选择 COM1 ；4） 连接地址格式 A.B.C (A 为 PLC 的 MPI 地址，B 为 CPU 所在机架号，C 为 PLC的 CPU 所在的插槽号) ；5） 我们在 PLC 硬件组态里面设 MPI 地址为 2，CPU 所在的机架为 0，CPU 所在的插槽号也为 2 ，所以地址应为 2：0：2 ；沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文27 6） 点击下一步尝试恢复间隔 30 秒最长恢复时间 1 。（2） 在组态王中新建一个 I/O 变量连接到 PLC ：1） 打开工程浏览器选择数据词典，新建一个变量,；2） 变量名为：模拟读写变量 (wendu01) ；3） 变量类型：(I/O 实型) ；4） 连接设备：Prodave6IE（第 1 步建好的设备） ；5） 寄存器：（DB1.0） ；6） 数据类型：(REAL) 。（3） 在组态王画面中使用： 新建画面，并建立动态连接 。（4） SEP7 工程建立 ：1） 栏上的 OptionSet PC/PG Interface；2） 选择 PLCSIM（MPI）单击确定 ；3） 把 MPI 地址设为 2 ；4） 建立 STEP 工程，CPU 为 315-2DP，插入 DB1 数据块，打开仿真程序，下载程序。（5） 仿真运行18。沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文28 结 论近年来随着国内外生产技术的提高, 产品产量也大大提升,各种产品的包装纸箱需求量也相应增多。传统的继电 接触式控制方式已经不适合现代工业生产的要求。传统方式设计的系统耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢，本次研究采用西门子PLC 对分切压痕机进行自动控制就明显可以提高产量和质量。而且可以大大降低劳动强度，并且 PLC 抗干扰的能力比较强, 可以提高系统运行的安全性和稳定性，实现系统的全面自动化，高效率运行。在本论文中除了常规性的解决了生产流水线控制问题还在各个控制的细节上做了一定的优化和调整，例如刀片的转速和变频器数据传送。其中变频器数据传送是一个重点也是一个难点，是用数据线控制的而不是开关量也不是模拟量。由于所学的知识有限，对西门子 PLC 的理解程度还相对肤浅，只能在相对粗浅的方面对分切压痕机进行 PLC 设计，尚有些许不足之处还有待改良和更深入的进行研究。例如系统在纠偏时还只能进行手动纠偏，如果激光测量能根据偏移的距离由机器进行实时监测和自动纠偏则不仅提高了自动化的程度还使制作出的瓦楞纸的质量更加完美。沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文29 致 谢这次进行毕业设计得到了很多老师和同学的帮助，其中导师对我的支持最为重要，每次遇到困难，我总是先咨询金老师，金老师也总是不厌其烦的解决了我提出的问题。从选择毕业论文的课题到具体的写作过程，无处不凝聚了老师的辛劳和汗水，最后还要在百忙之中帮我们对论文进行审阅和批示，对老师的感激之情无以言表。能完成这次的毕业设计更多用到的是在这几年大学生活中所学习到的知识，各位老师在课上严谨的治学态度永远值得我去学习。感谢我的父母，给了我以坚实的基础，你们的支持与鼓励，永远是支撑我前进的最大动力。感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学和在各个方面曾给予过我帮助的朋友，在大学生活即将结束的最后的日子里，正是由于有了各方面给我的帮助才能让我将从来没有接触过的课题，圆满地完成了。正是因为有了你们的帮助，才让我学习到了更多课程以外的知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量。沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文30 参考文献1 王永华现代电气控制及PLC应用技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2003。2 岳明君赵振.基于PLC和变频器的切纸机速度控制J中国造纸2006( 2) ：67-683 陈景文，孟彦京， 王红艳基于S7- 200 PLC切纸机电气系统设计J电气传动，2005( 7) ：55-584 张万忠电器与PLC控制技术M北京：化学工业出版社.2003，45465 陈立定编著电气控制与可编程序控制器的原理及应用M北京：机械工业出版社，2005，86 鲁远栋PLC 机电控制系统应用技术M北京：电子工业出版社，2010：32357 陶亦亦，吴倩，陆春元电气控制与 PLC 应用M北京：清华大学出版社，2010：1551578 满永奎 PLC 原理与应用设计M北京：机械工业出版社，2010：2422459 廖常初PLC 编程及应用（第 3 版）M北京，机械工业出版社，2008.1：18931810 程子华，刘小明PLC 原理与编程实例分析M北京，国防工业出版社，2010.4：13320711 姜新桥，石建华PLC 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