基于PLC高速全自动包装机的控制系统设计(程序及图纸)

基于PLC高速全自动包装机的控制系统设计题 目：基于PLC高速全自动包装机的控制系统设计 指导教师： 职称： 学生姓名： 学号： 专 业： 机械设计制造及其自动化 院 （系）： 机电工程学院 答辩日期： 2015年6月23日 摘要 卫生卷纸是人们生活中的必须品，随着人们对纸质品用量的增加，对卫生纸的需求也越来越大，且对卫生纸的安全性，方便性要求也越来越高。为使包装出的物品整齐、美观并具有良好的包装质量，研制高速、高效、高质、经济的新型包装机是市场的迫切需求。本设计以高速全自动卷纸包装机控制系统作背景，同时结合理论和实践，细致地记述了：光电感应技术、PLC技术、通信技术于一体的先进控制技术在这款包装机控制系统中的应用。 本设计主要内容如下：1.记述了可编程控制器PLC的现况和它在包装机械上应用的可行性与前景。2.基于对卷纸包装机生产工艺流程的认识，计算其输入输出I/O点，然后对PLC选型，硬件组态的设计。3.包装纸包装过程中的同步控制问题。4.利用Siemens公司的编程软件Step7、和通信功能设计了包装过程梯形图、PLC通信网络及STR语句，用来实现数据的采集与控制输出设备的高速、高效、安全地运行。 经过我们的努力，卷纸包装机控制系统的设计已经完成。并且经过了严格的测试，在实验室的模拟运行中，取得了良好的控制效果。使该机无论从功能上还是效率上都获得了质的提高，较好地实现了控制要求。关键词：PLC 包装机 同步控制 Step7IAbstract 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目录1 绪论11.1 可编程控制技术的现状11.2 可编程控制技术的发展趋势11.3 PLC与其它工业控制系统的比较31.3.1 PLC与继电器控制系统的比较31.3.2 PLC与单片机控制系统比较41.3.3 PLC与计算机控制系统的比较41.3.4 PLC与集散型控制系统的比较51.4 卷纸包装机产生的背景及意义51.5 PLC在包装机械上应用的可能性和前景51.6 本设计研究的主要内容61.7 设计的安排62 卷纸包装机控制系统的总体设计82.1 卷纸包装机生产工艺论述82.2 控制方案的设计92.3 系统的运行模式103 控制系统硬件总体设计113.1 总体结构关系113.2 控制系统主要器件的选择114 电器线路和元件模块的设计134.1 供电线路134.2 主要控制功能模块的设计134.2.1 装料工位1134.2.2 夹钳抓紧、旋转与窝边工位2154.3 卸料工位3分析164.4 放卷、分切部分的张力控制165 同步控制系统分析185.1 送料过程中的同步控制185.2 信号的获取185.3 同步控制电路原理的分析196 系统的软件设计216.1 概述216.1.1 可编程序控制器实现控制的要点216.1.2 可编程序控制器实现控制的过程226.1.3 可编程控制器实现控制的方式226.2 PLC程序的总体结构226.3 PLC软件的选择236.4 Step7软件的介绍236.5 模块化编程236.6 程序的仿真调试30结论31致谢32参考文献33附录35I1 绪论1.1 可编程控制技术的现状 可编程控制器（Programmable Logical Controller）简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司（DEC）为美国通用公司（GM）研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生1。随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代PLC已经成为真正的工业控制设备。最初，PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。但不久，西德的西门子（SIEMENS）公司、BBC公司就开始研制PLC，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。70年代初，日本的OMRON也推出了他们的PLC。三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。70年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC。由于PLC是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降；加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能；并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。小型PLC开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。据国外资料介绍：1982年美国PLC用户中，有48%来自自动程序操作部门（如汽车、拖拉机工业、机械工业等）、13%来自石油化工业、9%来自食品饮料业、7%来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门。近年来，随着我国对外开放，日、美、西德等国生产的PLC已通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重视并得到应用。如宝钢工程应用了数百台PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和西德的PLC。1.2 可编程控制技术的发展趋势 随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善2。仅仅将PLC理解为开关量控制的时代已经过去，PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后，PLC将主要朝着以下两个方向发展：一个是向超小型专用化和低价格方向发展；另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。总的趋势如下： （1）可编程控制技术的标准化 在工业自动化产品繁花似锦的今天，各生产厂商既互相竞争又互相合作。一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外，更重要的还在于其满足国际标准化的程度和水平。标准化一方面保证了产品的出厂质量，另一方面也保证了各个厂家产品的互相兼容。出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。按照这些标准，各种型号的PLC产品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。但是，这些标准目前只能是统一区域性的产品，而不能实现全球的统一性。为了使各厂家的产品有一个共同的参考平面，制定了国际标准。 （2）CPU处理速度进一步加快 目前PLC的CPU与微型计算机的CPU相比，还处在比较落后的地步，最高的也仅仅处在80486一级。将来会全部使用64位RISC芯片，实现多CPU并行处理或分时处理或分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电路固化。这样PLC执行指令的速度将达到纳秒级。 （3）可编程控制技术的智能化 提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质，在某种意义上也提高了系统的可靠性。 （4）系统的开放性和兼容性 开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。一方面是某一产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。当今可编程控制产品种类繁多，加上自动化项目越来越大，致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象，这就要求每一厂家的产品族中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题；另一方面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。除此之外，同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品的水平。 （5）通用性和专业化的结合 可编程控制产品是通用的。但是工业的每一领域都有其自己的特点。怎样才能使一个系统既具有通用性又具备专业化呢?硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。这样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。常用的专用模块包括：定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。 （6）可靠性进一步提高随着PLC进入过程控制的领域，对PLC可靠性的要求进一步提高。硬件冗余的容错技术将进一步得到应用，不仅会有CPU单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、1/0单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。但从根本上来讲，系统的可靠性取决于系统各单元的可靠程度。要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。MTBF(平均无故障时间)是衡量产品质量的重要指标。纵观各著名厂商，其PLC产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。 （7）控制系统分散化 根据分散控制、集中管理的原则，PLC控制系统的1/0模块将直接安装在控制现场，通过通信电缆或光纤与主CPU进行数据通信。这样使控制更有效，系统更可靠。 （8）控制与管理功能一体化 为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，PLC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。综上所述，我们不难得出下面几个结论：工控机、计算机集散控制系统及PLC正在走着一条相互融合的道路。智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强。基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据。通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征3。1.3 PLC与其它工业控制系统的比较在现代工业设备及自动化项目中，我们会遇到大量的开关量、脉冲量及模拟量等控制装置。如电机的启动与停止，电磁阀的开闭，工件的位置、速度、加速度的测定，产品的计数以及温度、压力、流量等物理量的设定和控制等等。传统的工业自动控制主要是由继电器或分离的电子线路来实现的。这种控制方式虽然造价便宜，但却存在许多致命的弱点：只适用于简单的逻辑控制，仅适用某种控制项目，缺乏通用性，一旦要实现改动或者优化，只能通过硬件的重新组合来实现。目前，工业界比较有代表性的控制方式主要有以下几个类别：继电器控制系统，单片机控制系统，微型计算机系统，集散型控制系统4。1.3.1 PLC与继电器控制系统的比较 继电器控制是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动。如果要在现场做一些更改和扩展更是难以实行。而PLC是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑存储起来的，所以只要改变PLC内存储器的内容，也就可以实现更改控制逻辑的目的。对于PLC来讲，只要用PLC配备的编程器在现场就可以完成更改。至于PLC对外部的联系，只有I/O点，只要输入输出对象不变，就无须对硬接线作任何改动。继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现的。工作频率很低。一次动作一般为数十毫秒。对于复杂的控制，使用的继电器越多，反应就越慢。而PLC是以微型计算机为基础的控制装置，其运行速度为每个指令步数十微秒(对于高速PLC则是5微秒以下)。并且内部有严格的同步，所以不会出现抖动的问题。对于限时控制，继电器是利用时间继电器的延时动作来实现的。由于时间继电器是利用空气阻力，半导体延时电路来实现延时的，所以其定时精度低，调整不方便。且环境温度变化等因素都会对定时精度有直接的影响。而PLC则是由晶体振荡器所产生的脉冲经多次分频后得到的时基脉冲进行计数来定时的，定时范围一般为0.1秒，也有0.01秒的，精度一般高于10毫秒，只要根据需要由编程器送入时间常数即可实现定时时间的设定或更改。由于PLC的定时是对时基脉冲进行计数来实现的，所以如果是对外脉冲进行计数，就成为计数器。现代的PLC一般都具有定时器和计数器功能。从可靠性和可维护性方面来看，继电器控制逻辑由于使用了大量的机械触点，连接线也多，触点开闭时产生的电弧会使触点损坏，动作时的机械振动还可能使接线松动，所以可靠性和可维护性都较差。而PLC则采用了无触点的电子电路来替代继电器触点，确切地说是用存贮器内的数据来代替触点，因此不存在上述缺点。而且体积小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运行过程成为透明。PLC一般还具有步进控制指令，可以进行步进控制，而继电器逻辑就比较困难。继电器逻辑只能对开关量进行控制。而PLC除了具有开关量控制功能外，有些功能较全的 PLC还具有A/D, D/A转换装置，可以用来对模拟量进行控制。但是目前在成本方面PLC还比继电器贵，一般进口产品每个I/O点为人民币80元左右；国产一般点I/O为60元左右。1.3.2 PLC与单片机控制系统比较 虽然单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，但它仍然不是为工业控制而设计的。同样存在着编程难、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍较差，成本高等缺点。尽管其有较强的数据处理能力，但工业控制都为开关量控制，所以其长处仍得不到发挥。单片机与PLC的比较：在很大程度上，单片机是专为工业控制而设计的。因此，它具有较好的环境适应性。事实上，现代PLC的核心就是单片微处理器。用单片机作控制部件在成本方面具有优势。但是不可否认，从单片机到工业控制装置之间毕竟有一个硬件开发和软件开发的过程。虽然PLC也有必不可少的软件开发过程，但两者所用的语言差别很大，单片机主要使用汇编语言开发软件。而PLC用专用的指令系统来编程的。前者复杂而易出错，开发周期长。后者简便易学，现场就可以开发调试。 单片机控制系统仅适用于较简单的自动化项目。硬件上主要受CPU、内存容量及I/O接口的限制；软件上主要受限于与CPU类型有关的编程语言。一般说来单片机或单片机系统的应用只是为某个特定的产品服务的。其通用性、兼容性和扩展性都相当差。1.3.3 PLC与计算机控制系统的比较 PLC是专为工业控制所设计的。而微型计算机是为科学计算、数据处理等而设计的，尽管两者在技术上都采用了计算机技术，但由于使用对象和环境的不同，PLC较之微机系统具有面向工业控制、抗干扰能力强、适应工程现场的温度、湿度环境、输入、输出一般采用“光电”隔离技术，并配备有可承受较大负载的继电器或可控硅(也有用晶体管)输出部件，一般可以直接驱动小型电机等负载。此外，使用面向工业控制的专用语言而使编程及修改方便。并有较完善的监控功能。而微机系统则不具备上述特点，一般对运行环境要求苛刻，使用高级语言编程，要求使用者有相当水平的计算机硬件和软件知识。此外，微机系统的外设配备较多，有些对工业控制并非必须。因此PLC显然较微机系统更适合于工业控制。1.3.4 PLC与集散型控制系统的比较 PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来的5。而集散控制系统DCS（Distribution Control System）是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，它在模拟量处理，回路调节等方面有一定的优势。PLC随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。并开始与小型计算机联成网络，构成了以PLC为重要部件的分布式控制系统。随着网络通信功能的不断增强，PLC与PLC及计算机的互联，可以形成大规模的控制系统，在数据高速公路上（Data Highway）挂接在线通用计算机，实现在线组态、编程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就己经具备了集散控制系统的形态，加上PLC价格和可靠性优势，使之可与传统的集散控制系统相互竞争。由于以上的原因，可以预见随着PLC成本的下降和机器要求的提高，将很快在大部分场合取代继电器控制屏。无论是与传统的继电器、接触器控制逻辑相比，还是与现代的微型计算机系统乃至专用于控制的单片机相比，在工业控制方面PLC都具有明显的优越性。尤其是对生产流水线、动作复杂的单机，比起前述几种控制手段来具有寿命长、可靠性高、对环境无特殊要求、开发费用低、周期短、无需专门的计算机软、硬件知识就可在短期内掌握，功能扩展方便，成本可为一般用户所接受等优点，是现代机电一体化产品控制装置的理想选择。1.4 卷纸包装机产生的背景及意义 卫生卷纸是人们生活中的必须品，随着人们对纸质品用量的增加，对卫生纸的需求也越来越大，且对卫生纸的安全性，方便性要求也越来越高。为使包装出的物品整齐、美观并具有良好的包装质量，研制高速、高效、高质、经济的新型包装机是市场的迫切需求。目前，该类包装机多半为进口产品，价格昂贵。为此，我选择了关于卷纸包装机控制系统设计的课题。1.5 PLC在包装机械上应用的可能性和前景包装机械的最大特点是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件。在这种场合使用继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用PLC控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是PLC的内部寄存器，在PLC编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。一般的PLC都有上百点内部辅助继电器甚至更多，且还有多种专用的内部电器，足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对PLC进行编程。事实上PLC用于这种场合是最能显现出其经济性。当然我们不仅忽视了PLC的另一个优点，那就是其运行速度及可靠性和寿命远远高于继电器控制方式，从上述意义上来讲，PLC最适合于需要大量中间继电器的场合。且PLC与其他工业控制系统比较具有许多优点： （1)更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动； （2)程序可以复制，批量生产很容易； （3)电气硬件设计大大简化；（4)由于PLC除有继电器功能外，尚有多种其它功能，可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化；（5)可靠性高；（6)成本相对于继电控制而言稍高，但继电器控制随着所用中间继电器数量的增加，成本急骤上升，而PLC控制几乎保持不变，这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟的优越性；（7)具有扩展单元或扩展模块，当需要较多1/0时可以方便地扩展。因此，国外在注塑机、各种包装机上已经大量地采用了PLC来取代传统的继电器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。我国包装机械目前控制部件大多还沿用继电器方式。如果能用PLC来取代的话，则可以简化机械结构，机械和电气设计都可以得到简化6。更重要的是可以使原来无法实现的某些功能得以实现，使机器在某种程度上实现智能化。通过对各种控制系统的分析比较，我们决定采用PLC控制系统。1.6 本设计研究的主要内容 （1）对可编程控制系统的现状与发展趋势作一简单的介绍，明确背景知识与选型根据；分析PLC在包装机械上应用的可能性与前景。 （2）卷纸包装机各动作控制工艺的研究。了解卷纸包装机的工作过程及工艺要求。总结各机构的动作顺序，将其用流程图的形式表示出来，为实现高速全自动运动控制做准备。（3）可编程控制器部分的设计，包括控制方案的选取与设计、I/0接口信号的确定、模块的选择，控制程序的设计与调试。1.7 设计的安排 本设计共分六章。设计的第一章主要介绍了可编程控制器的现状及发展趋势及其在包装机械上应用的可能性及前景，分析了PLC控制系统与其他控制系统的区别，介绍了本课题的研究内容。第二章分析了卷纸包装机工艺流程和包装各动作的时序及包装机速度的影响因素及提高方法，设计了包装机控制系统的控制方案、运行方式及硬件的选择。第三章主要对硬件进行总体设计。第四章主要是对控制系统的供电线路及包装机各工位元件的设计。第五章主要是对包装过程的同步控制系统进行分析。第六章根据PLC原理用SIEMENS的STEP7设计了某些功能块的梯形图，并用S7-PLCSIM simulator模拟其运行结果。332 卷纸包装机控制系统的总体设计 第一章介绍了可编程控制技术的一些概要情况，下面就具体结合卷纸包装机电控系统的实际来看一下它的应用。这里需要说明的是，正如前面所提到的那样，可编程控制技术并非单纯是指PLC本身，而是包括其在内的一系列自动化控制产品和技术的应用。本系统在电气控制部分设计时，充分考虑到用户的功能需求和与本系统机械部分的配合需求，在具体实现的过程中，又以系统的可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于使用的包装机设备。在设计控制系统之前，首先得了解其生产工艺。2.1 卷纸包装机生产工艺论述 卷纸包装机主体作用是把来源卷纸库的卷纸按照每分钟60个的频率包装为满足要求的卫生卷筒纸。如图2.1-1所示是简易的工艺流程图。包装纸按照卷筒的形式安装在原料架上方，一旦上位机释放命令，放卷电机开始动作，放卷开始。放卷到规定长度（长度依靠色标来确定）时，通过色标信号向切纸机构发出指令。切纸机构用的是交流变频调速电机，带动一个凸轮旋转，进而带动切断刀上下进行运动，在凸轮上放置一个位置传感器，当凸轮转到某一固定位置时，切刀开始向上运动，二刀分离，当出现色标信号时，刀又开始向下进行运动。切刀向上和向下的工作频率可借助变频调速电机进行调整，操作简单方便。已经完成切割的纸片经过整理后放到纸片库中，等待推纸空心台送纸片。同时卷纸库的卷纸通过整理等待托盘推杆送卷纸球。包装过程依靠包装工艺盘及其辅助机构来实现。包装工艺盘一共有八个V形槽和三个加工工位，当包装纸与待包装的卷筒纸放到槽中之后，由工艺盘载着其开始转动，依次送到每个加工工位。工艺盘的转动是借助交流电机通过皮带传动带动的，每个加工工位的动作是借助顺序逻辑控制电磁阀带动执行机构动作的。工件先是从1号工位装入，然后在2号工位由夹钳机构完成前进，抓紧，旋转以及窝边的动作，同时依次向托盘与推纸空心台发出送纸球和送纸片信号，最终在3号工位处，已经包装好的产品由于重力作用自由落入到成品库中。原包装纸防卷切纸 纸片空心台纸片库 工位3工位2工位1 V型槽 纸片整理 托纸盘 卷纸库图2.1-1 卷纸包装工艺流程图图2.1-2包装过程各工位时序图 因为它是一个突出的顺序控制，最简便的方法是运用移位寄存器来运转。移位寄存器假设是一个8位的，一个V形槽与一个移位寄存器吻合，移位一次要120ms，2号工位给出上料指令时，纸片被推动于推纸空心台，纸球被托盘牵引并且用一样的速度向前推进当第一工位恰好工艺盘V形槽相吻合时，工艺盘不动，拖延时间在这个时间是150ms，守候纸片被放纸空心台压到时，到位行程开关，关闭，托盘到位行程开关，被托盘压到时，托盘不动，实现了送料目的，等到延时结束，齐头并进。存纸空心台与托盘向后运动，并且插纸板向前移动顶起纸球和工艺盘运动到2号工位的位置时，工艺盘不动，延时250ms指令，在这段时间内，当工艺盘不运作后插纸板也跟着停止运作，并且给出送料不过因为惯性会出现包装纸绕着纸球以一个很小的角度旋转，目的是让纸球被包装纸全部包起来，接着又向后运动，轴向移动的是夹钳机构，限位开关被接触到时，轴向移动就暂停，但是三个夹杆一起径向移动，握捞包装纸的两头，抓紧限位开关被打开时，经过90度变化后夹钳机构轴接着向前运动，完成窝边后，这个机构就向后运动。与3号工位位置吻合时，产品自动掉下，包装过程完成，过程反复进行，等到给出暂停指令。如图2.1-2所示，包装一个卫生卷纸只需880ms，由于扫描周期的存在，所以一分钟只能生产出60个产品。2.2 控制方案的设计 根据卷纸包装生产工艺，卷纸包装机的控制系统主要包括放卷过程的控制，送料过程控制，同步控制，由于控制项目多，被控工序还都聚集在一块，所以选用集中控制系统这方案。集中控制系统如图2.2-1所示，可编程控制器特定I/0和每个被控制工序相通，所以被控对象中的状态，数据的转换不用另外开通信号线。PLC是一个控制设备，它在单独的控制系统的缺点是有局限性，攻破不了有难度的计算，实时图形，历史记录，显示汉字。打印报表等功能在PLC中无法实现。针对这些缺陷，上位机的辅助是我们的理想选择。上位机的功能是对数据的存贮、处理和输出，用图形或表格形式给现场用动态模拟图来表达、预判限值或报警信号，根据实时需要打印报表。控制器 A B C控制对象控制对象控制对象 图2.2-1集中控制系统2.3 系统的运行模式 运行模式有四种分别是手动、单步、周期和自动。 （1）手动：每道工序都单独运作，按开关按钮即可控制。 （2）单步：按开始开关，运作一个工序，到位就停止。又按开始键，就是下一道工序的运作。 （3）周期：从第一道工序位置算起，按开始开关，程序自动实现一个来回的操作后返回到启始位置停止。（4）自动：按开始开关，程序自动实现一个来回的操作后返回到启始位置又接着从第一步开始运行，自动调节。在自动模式时，如果按下复位开关，系统还是运行到第一步启齿的地方才暂停；如果按停止开关，运行就马上停止，这时候如果再按开始，系统就从这位置运行至启始处停止。从卷纸包装机的实际出发，自动运行和手动运行是我们最佳选择7。和运行模式的设计对比，停止运动的模式也要策划。正常停运，暂时停运和紧急停运是可编程控制器的三项停运方法。考虑控制系统需要，因为包装机运行模式是循环模式，当在操作完成或检测到停止运行信号或机器出现问题或突发事情时才停止，所以该系统应用硬件切断电源，让系统马上停车。3 控制系统硬件总体设计3.1 总体结构关系 由于PLC管理按键、行程开关与其它开关量信号的导入，和把信号送去控制接触器、继电器、变频器等电气元件，这样就控制每个电机的运作，指示灯的显示也得到了控制工控机的作用是参数的修改和设置、全自动控制、在线监督、输送信号。工控机由串行口和PLC相接，通信交换，因此工控机是用发出信号来控制PLC的运作来完成全自动控制8。3.2 控制系统主要器件的选择 工控机、PLC、变频器是卷纸包装机控制系统的主要零件。 工控机：本系统上位机选用研华IPC-610工控机，ISA总线插槽4个分布在内部底板上、由于有2个PCI总线插槽与一个CPU插槽，所以可以更简捷的拓展系统，运用WINDOWSNT操作系统，打印机外接一个，目的是报表的打印。达到报表数据完善性。如下是PLC的选择和它的模块配置一定要对控制对象与控制目的计算与研讨在工作开始前。这样才可以明确系统的机型，规模，与配值。据了解，这个包装机的控制操作系统应具备配置以下不相似的特点的I/0点。首先选择80个开关量导入；然后再选择50个开关量导出；再对任意挑个类似量导入；最后任意挑个类似量导出；由控制任务得，该设计挑中了S7-300软件，它的特点是适合中等控制系统的需要，而且被非常广泛的应用。它的模块化、没有排风扇结构功能、但是很用以完成分布，用户学习操作起来简单等优势让S7-300能达到各式由小规模到中等性能需求控制任务的简捷且实惠的方式。根据I/0点数的确定要按照实际点数再加20Yo-30%的备用量及其特性，配置了如下的模块： （1）2个模拟量输入模块SM331为16路的模数转换通道； （2）4个模拟量输出模块SM332为16路的模数转换通道； （3）4个数字量输入模块SM321为输入通道； （4）3个数字量输出模块SM322关量输出通道； （5）中央处理单元CPU315-2DP； （6）通讯处理器CP343-5； （7）接口模块IM360和IM361。在该系统中，主要功能是收集外部开关信号（按钮、行程开关、继电器节点）的输入，预测现在的系统的状态和输出信号来控制接触器、继电器等器件，用来达到控制任务的目的。另外，还有一个艰巨任务就是收集工控机的控制命令，达到全自动包装循环的效果。本项目中配置的S7-3OOPLC模板的型号和数量如图3.2-1所示。IM321SM322IM322SM322IM321SM321IM361CPU模块 处理部件通信部件PS307CP3436IM331IM331SM332IM332SM332IM360 图3.2-1系统结构和配置图 变频器的选择 由于张力与精度控制联系密切，且负载小的特性，所以选用的变频器是西门子MICROMASTER 440矢量型变频器。这个系列的变频器控制和动态感应度都很好。另外，因为他的内部配备各种相关量数组构成，增加控制的自由度，让这款变频器更多运用在高运动性能的控制领域。完善了各种各样控制工程的需求。尤其是近期时期，这种工程型变频器的系统被大部分应用在机电气造纸生产行业中。MICROMASTER 440系列变频器作用稳定，可以适合各类环境的应用需求9，10。 在卷纸包装机控制的系统里大部分传感器用开关量分配给PLC，用它给执行决定的根据，例如： （1）上位机开始命令 （2）色标信号 （3）货物配送命令 （4）纸片上路径按钮 （5）纸球上路径按钮 （6）工艺盘标准位置1,2,3工位的路径按钮 （7）送料机、皮带、推纸机的停止和开始命令 （8）皮带、电磁阀等的电源信号等4 电器线路和元件模块的设计 用三相异步电动机提供动力，通过专门的变频器电源提供，转速用变频调速来完成。配备数台小型电机依次辅助驱动提供动力源，切纸机构，送料机构，插纸板，拿放操作手等11。针对这款包装机的工序流程，大体包括原包装纸给料动作中的张力控制，送料步骤中的同步控制，包装动作的控制等。工艺盘的转动的动力源由三相异步电机用皮带传动提供的，电磁发给各道工序带来外加的动力转向从而带动机械结构移动来完成的。4.1 供电线路如图4.1-1所示，三相电源通过滑线导入电气柜中，通过一个露天开关（QS1）后连接电机主回路与系统的次回路。其控制部分配备了1.2KW的变压器（TC2）将380V的电压变为220V，还要分5条回路输出，依次向工控机、PLC, PLC输入回路、PLC输出回路与继电器回路输送电源。以便达到故障分散的目的，而且益于调试与检测。在QS1前导出的一路电源的目的是给空调器与照明灯提供电源，由于它们都是属于附属设备，和控制无关，因此可以从QS1之前引出，为了在检修时也不干涉它的正常运作12。图4.1-1供电线路4.2 主要控制功能模块的设计4.2.1 装料工位1要满足高速包装的要求，纸片与纸球需要迅速移动送到1工位，所以一定要考虑电机的速度响应性。步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要的时间大约为200-400毫秒。交流伺服系统的加速性能比较强，以松下MSMA 400W交流伺服电机作为对照，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒就可实现，可用于要求快速启停的控制场合。因此我们选用交流伺服电机作为装料机构的执行电机。在该工位上，推纸空心台推动已经切好的包装纸片，托盘推杆推动纸球的同时按照相同的速度前进，当压到纸片到位行程开关时，推纸空心板停止，当压到托盘到位行程开关时，托盘停止。卷纸与包装纸已进入这一工位，电机带动工艺盘继续不停转动，与此同时插纸板向前作运动，托盘推杆以及推纸空心台退到原来位置。包装纸推纸空心台与卷纸托盘推杆要自动在工艺盘与地面之间不停往返进而完成送料动作，控制线路图如图4.2.1-1所示。图4.2.1-1装料工位控制线路图 为了能够在正式工作开始前合理调整推纸空心台与卷纸托盘推杆的位置，本线路设置的有操作选择控制，由按钮SB2以及中间继电器KA构成。如果要调整他们的方位，就不能按下选择按钮SB2，这样一来KA无法得电其常开触点断开，电动机正反转控制电路只能完成点动控制。推板位置调准后，按下SB2使KA得电，其常开触点闭合，电动机的正反转控制电路才可以实现连续的动作。在工艺盘的底部位置装有四个行程开关SQa，SQb，SQc，SQp，包装机底部装有两个行程开关SQd,，SQg(推板处在装料位)，一旦KT2延时到，即在1工位装料动作完成，KT2常开触点闭合，KMd,，KMr得电并且互锁，两电机进行反转，推纸空心台与托盘推杆同时开始下降，分别压动SQd,，SQg时，便停止下降。当工艺盘转到V3或V7槽时，压动行程开关SQa,，KT1得电，当延时到，其常开触点闭合，放纸空心台与托盘推杆一起往上升起，重复以上操作，SQp为到工位1时的行程开关，延时150毫秒之后，工艺盘开始转动，同时放纸空心台与托盘推杆开始下降。SQa为到工位2时的行程开关，当到达此处时，释放进料信号，放纸空心台与托盘推杆开始上升。 KMF得电自锁，推纸空心台上升 当压动SQb KMF失电，上升停止 先按SBF KM得电自锁，托盘推杆上升 当压动SQc KM失电，上升停止 4.2.2 夹钳抓紧、旋转与窝边工位2 如图4.2-1所示，当运行到V2和V6槽的时候，先是由这一位的行程开关释放信号，夹钳机构轴向电机开始动作，此时打开气缸的电磁阀，让两边的夹钳机构能够沿轴进行运动，到达限位开关时，轴向运动便停止，夹钳机构径向运动电磁阀打开，三个夹杆一起沿着导轨作径向运动，当到达抓紧开关时，抓紧动作正式结束。持续延时50ms，在这个时间段中，主电机带动这一机构轴旋转90度，此时延时正式结束，轴向电机继续进行动作，完成窝边工序。接着径向电机反转，同时松开夹紧装置，轴向电机进行反转，让夹钳机构退回到原来位置。 图4.2-1 第二工位控制线路原理图按下SB1， KA得电，KMr2得电，M2正转，轴向电机开始前进，前进到位夹紧结束松开SB1，KA断电，mKMr1通电，M1反转（放松），放松到位。如此自动循环。 KMr2断电，M2停转压动SQb KMf1通电，M1正转， KOC动作 KMr2再得电，轴向电机M2继续前进，前 加紧，加紧到位 进到位，压动SQk，KMr2断电，M2停止 压动SQa KMf1断电，M1停转，加紧结束 M1停，放松结束 KMf2通电，M2反转，轴 M2停转，后退结束 向电机后退，后退到位 压动SQd KMr1得电，M1反转，再继续放松，放松到位， 压动SQc，KMr1断电，M1停止4.3 卸料工位3分析运行置工位三时，卷纸己经通过支撑平台，所以出于重力作用，自然的下落到产品库里。4.4 放卷、分切部分的张力控制 卷纸包装机有一套传动系统，包括放卷，切断，每个部分由一台电动机带动。从放卷到切断，包装纸是连续的，当机器起动时，由上位机发出命令，主速节点的电机开始转动，同时通知其它各节点开始协调动作，以保证各段包装纸的线速度一致，从而使张力趋于稳定，停机时同样如此。在升降速过程中，主速节点必须发送升降速标志给其它各节点，使他们在控制各自张力时作出相应的补偿，这个过程要求响应快。当某一段张力出现允许范围内的抖动时，系统也应该作出上述反应。由主速节点测量到的包装纸线速度必须实时传到放卷节点，当某一轴上的包装纸即将放完时，该部分的另一轴应该提前转动起来，并且线速度和主速节点传过来的速度值保持一致，这样才能实现无速度差转接，以减少废料。机器运行过程中，一旦某个部分出现故障，其测控节点应将信息立即传往上位机，上位机发出急停命令使下位机各节点同时对各自电机进行直流制动。 在分切的过程中，由于放卷辊上包装纸的直径越放越小，放卷机系统的转动惯量的变化范围很大，采用一般的控制方法难以取得满意的控制效果。而采取基于PLC的自适应控制方法则可消除系统转动惯量变化的影响，达到优良的控制效果。5 同步控制系统分析 卷纸机设备的同步控制系统框，机械动力在提供给产品供送系统的同时还提供给差速器，把差速器的输出提供给包装材料的供送（无同步控制的设备是直接把机械动力传输到包装材料的供送系统）13。把产品供送与包装材料供送的信号反馈到同步控制电路，对比两者是不是同步进行的。如果是同步进行，伺服电机停止不进行动作，差速器把输入的速度输出来给包装材料供送系统14。不然当包装材料供送比产品的供送慢时，伺服电机正转，差速器在正常输出的速度基础上叠加一个正补偿，增加包装材料的供送速率，直到两者在同步范围之内；当包装材料供送速度比产品的供送速度快时，伺服电机进行反转，使包装材料的供送速度减慢，这样二者速度一样15。5.1 送料过程中的同步控制 在高速全自动包装机运作的一系列动作中，产品的供送及包装材料的供送全部是连续实行的，并且它们分别收到外在因素的影响，举例来说：生产中速度的调换、包装材料的张力变化以及拉伸率不均匀等等，所以这两个系统相互之间有一个需要随时调整速度的同步控制问题16。5.2 信号的获取当包装材料需要按照固定长度裁断时，比如单个卫生卷纸的包装，包装材料以卷筒的形式放置在原料架上，且每隔一段固定长度都会印有一个色标。在卫生卷纸供送的同时，包装材料还要执行一个切断程序，这就大大加大了同步供送的复杂性17。如图5.2-1所示：包装材料每供送到要求长度时，光电传感器识别到色标信号，把色标信号作为同步信号送给比较器，同时把信号输送给切纸机构，由于切纸机构和包装材料在水平方向上是同步的（关于切纸机构和包装材料的同步控制在此不进行一一论述），所以他并不对送料速度产生影响。产品供送系统的信号依靠接近开关取出。如 包装材料 色标 光电传感器 差速器伺服电机比较器 机械动力产品供送系统产品供送信号的获取 图5.2-1 同步控制方法图5.2-1所示，在产品的供送系统驱动轴上放置一个半圆形金属片1，在侧面放置一个接近开关J的小型探头，如图所示的瞬间，快要接近开关时无法感应到金属片1，我们假设输出状态是1，当产品供送轴3开始作旋转动作时，半圆金属片挡住了接近开关，此时接近开关的输出状态J是0，所以产品的供送轴每作旋转动作一圈，靠近开关的1与0输出状态大概分别占一半的时间。假设光电传感器S检测到有色标信号时的输出状态是1，而无色标信号时输出是0，此时只需判断每次光电传感器检测到色标时靠近开关的输出状态，就可以得到产品供送系统比包装材料供送系统是滞后还是超前。在图5.2-1所示时刻，此时光电传感器S输出是1时，接近开关J的输出也是1，因此能够认为产品供送滞后，当J为0时，也就是半圆金属片遮当住了接近开关时，S是1，则产品供送是超前的。我们可以根据这样的判断来控制伺服电机对产品供送系统的速度进行补偿。一旦两个系统正好同步，在图5.2-1的同步范围内，要求伺服电机既不正转也不反转，处于停止状态。具体作法是让控制电路在超前和滞后的转换时，由跳变信号触发，给出一段延时时间，在这段时间内获得色标信号S表示同步，控制伺服电机不进行动作。这段延时时间的长短是可供随时调节的，因此达到同步精度可调的目的。在这段延时结束后，