【正文】 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)簡化； 6 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／ o時(shí)可以方便地?cái)U(kuò)展。因此，國外在注塑機(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，則可以簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)都可以得到簡化。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． 4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/O 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。 第二章 PLC 構(gòu)成的包裝機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 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 7 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。簡單的工藝流程如圖 21所示。 工藝盤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。放卷到一定長度 (長度由色標(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，操作簡便。切好的紙片經(jīng)整理后放入紙片庫中，等待推紙空心臺(tái)送紙片。同時(shí)卷紙庫的卷紙經(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) 8 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。 由于這是一個(gè)典型的順序控制“”，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)?2 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)～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 22 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 120ms。 9 2． 2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)”’。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／ O 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。 10 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． 3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。 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)作后返回到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， 11 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)?？删幊炭刂破鞯耐＿\(yùn)方式有正常停運(yùn)，暫時(shí)停運(yùn)和緊急停運(yùn)?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： ，主要用于故障恢復(fù)與檢修。 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． 4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． 4． 1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： 本系統(tǒng)上位機(jī)選用研華 IPC610 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) CMJ插槽，可以方便 12 地進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，另外選配飛利浦 lOSA 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的不問斷電源 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／ O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／ O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。 SIMATICS7— 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SINECLANS 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 CPU315— 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/O點(diǎn)數(shù)的確定要按照實(shí)際點(diǎn)數(shù)再加 20％一 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(M8*12Bit)：可提供具有 12 位分辨率 的總數(shù) 13 為 16 路的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道； 2． 4個(gè)模擬量輸出模塊 SM332(AO4*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； 3． 4個(gè)數(shù)字量輸入模塊 SM321(D132*24VDC)：可提供總數(shù)為 128 路的開關(guān)量輸入通道； 4． 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； 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 24給出了本項(xiàng)目中配置的S7— 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 S7300 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)，