【正文】 1． 3 PLC在包裝機械上應用的可能性和前景 包裝機械的最大特點是動作復雜、頻繁，且有較多的執(zhí)行元件。在這種場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，就可以對其內(nèi)部的輔助繼電器進行編程后來取代。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)，可以不花費額外的費用來實 現(xiàn)復雜的控制邏輯。一般的 PLC 都有上百點內(nèi)部輔助繼電器甚至更多，且還有多種專用的內(nèi)部電器，足可以應付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是對 PLC 進行編程。事實上 PLC 用于這種場合是最能顯現(xiàn)出其經(jīng)濟性。當然我們不僅忽視了 PLC 的另一個優(yōu)點，那就是其運行速度及可靠性和壽命遠遠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合。且 PLC 與其他工業(yè)控制系統(tǒng)比較具有許多優(yōu)點： 1)更改控制邏輯只需修改軟件，無需對硬件作改動； 2)程序可以復制，批量生產(chǎn)很容易； 3)電氣硬件設(shè)計大大簡化： 4)由于 PLC 除有繼電器功能外，尚有多種其它功能，可以實現(xiàn)繼電器無法實現(xiàn)的控制功能，實現(xiàn)某種程度上的智能化，并有可能使機構(gòu)簡化； 7 5)可靠性高； 6)成本相對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，這一點對于復雜的控制來講具有無可比擬的優(yōu)越性； 7)具有擴展單元或擴展模塊，當需要較多 i／ o 時可以方便地擴展。因此，國外在注塑機、各種包裝機上已經(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，則可以簡化機械結(jié)構(gòu)，機械和電氣設(shè)計都可以得到簡化。更重要的是可以使原來無法實現(xiàn)的某些功能得以實現(xiàn)，使機器在某種程度上實現(xiàn)智能化。通過對各種控制系統(tǒng)的分析比較，我們決定采用 PLC 控制系統(tǒng)。 1． 4項目研究的主要內(nèi)容 1．對可編程控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢作一簡單的介紹，明確背景知識與選型根據(jù)；分析 PLC 在包裝機械上應用的可能性與前景。 2．卷紙包裝機各動作控制工藝的研究。了解卷紙包裝機的工作過程及工藝要求?？偨Y(jié)各機構(gòu)的動作順序，將其用流程圖的形式表示出來，為實現(xiàn)高速全自 動運動控制做準備。 3．可編程控制器部分的設(shè)計，包括控制方案的選取與設(shè)計、 I/O 接口信號的確定、模塊的選擇，控制程序的設(shè)計與調(diào)試。 第二章 PLC 構(gòu)成的包裝機控制系統(tǒng)的總體設(shè)計 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)的一系列自動化控制產(chǎn)品和技術(shù)的應用。本系統(tǒng)在電氣控制部分設(shè)計時，充分考慮到用戶的功能需求和與本系統(tǒng)機械部分的合需求，在具體實現(xiàn)的過程中，又以系統(tǒng)8 的可靠性與易用性為準則，盡量把本系統(tǒng)設(shè)計成為一個功能齊全、可靠性高且易于使用的包裝機設(shè)備。在設(shè)計控制系統(tǒng)之前，首先得了解其生產(chǎn)工 藝。 2． 1卷紙包裝機生產(chǎn)工藝概述 卷紙包裝機主要功能是將來自卷紙庫的卷紙以每分鐘 60 個的速率包裝成合格的衛(wèi)生卷筒紙。 工藝盤包裝紙以卷筒的形式放在原料架上，當上位機發(fā)出命令時，放卷電機動作，開始放卷。放卷到一定長度 (長度由色標來檢測 )時，通過色標信號向切紙機構(gòu)發(fā)出指令。切紙機構(gòu)采用交流變頻調(diào)速電機，帶動一個凸輪旋轉(zhuǎn)，以帶動切斷刀上下運動，在凸輪上安裝一個位置傳感器，當凸輪轉(zhuǎn)到某一位置時，切刀向上運動，二刀分離，當有色標信號時，刀又向下運動。切刀上、下的工作頻率可由變頻調(diào)速電機來調(diào)整，操作簡便 。切好的紙片經(jīng)整理后放入紙片庫中，等待推紙空心臺送紙片。同時卷紙庫的卷紙經(jīng)過整理等待托盤推桿送卷紙球。 簡單的工藝流程如圖 21 所示。 包裝過程通過包裝工藝盤及其輔助機構(gòu)來實現(xiàn)。包裝工藝盤共有八個 v形槽，三個加工工位，當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，依次送入各加工工位。工藝盤的轉(zhuǎn)動是由交流電機通過皮帶傳動帶動的，各加工工位的動作是通過順序邏輯控制電磁閥進而帶動執(zhí)行機構(gòu)動作的。工件從 1 號工位裝入；在 2號工位由夾鉗機構(gòu)完成前進，抓緊，旋轉(zhuǎn)，窩邊的動作，同時分別向托盤和推紙空心臺 發(fā)出送紙球和送紙片信號；在 3號工位，包裝好的產(chǎn)品由于重力作用落入成品庫。 9 由于這是一個典型的順序控制，利用移位寄存器操作最為方便。設(shè)定一個 8位移位寄存器，每位移位寄存器相應于一個 V形槽，每 120ms移位一次，控制相應的操作。當?shù)?2號工位時發(fā)出上料信號，推紙空心臺推動紙片 (其總的上升時間大于 490ms 小于 640ms)，托盤推動紙球 (其總的上升時間略小于640ms)同時以相同的速度前進，當工藝盤 V形槽到達第一工位時，工藝盤停止，在此延時 150ms，待放紙空心臺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，當延時到，托盤和放紙空心臺后退，同時，插紙板前進，托住紙球與工藝盤一同運動。當?shù)竭_ 2號工位時，工藝盤停止，延時 250ms，同時發(fā)出上料信號，在此時段內(nèi)，插紙板在工藝盤停止后也相繼停止，但由于慣性，會使包裝紙帶著紙球旋轉(zhuǎn)一個較小的角度，使包裝紙能完全包住紙球，然后再后退，同時夾鉗機構(gòu)軸向運動，碰到限位開關(guān)時，軸向運動停止，而三個夾桿同時徑向運動，抓緊包裝紙的兩端，當碰到抓緊限位開關(guān)時，夾鉗機構(gòu)軸旋轉(zhuǎn) 90 度后繼續(xù)向前移動，進行窩邊。窩邊到位，該機構(gòu)就后退。到達 3 號工位時，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。從圖 22 的時序圖分析，包裝一個衛(wèi)生卷紙只需 880ms，可為什么在 1分鐘內(nèi)卻只能包 60 個，這里還有個PLC 掃描周期的問題，本包裝程序中 PLC 掃描周期為 120ms。 10 2． 2可編程控制系統(tǒng)控制方案的設(shè)計 利用 PLC 可以構(gòu)成多種控制系統(tǒng)：單機控制系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)，分散型控制系統(tǒng)和遠程 I／ O 控制系統(tǒng)。由于卷紙包裝機控制對象較多，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 23 所示，每個被控制對象與可編程控制器指定 I／ O 相連接，因此各被控對象之間的數(shù)據(jù)、狀態(tài)的變換不需要另外設(shè)置專門的信號線路。該控制系統(tǒng)多用于控制對象所處的地理位置比較接近，且相互之間的動作有一定聯(lián)系的場合。單主機控制方式，對主機要求較高，危險相對集中。遠程 I／ O 控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)比較獨特，類似于集中控制系統(tǒng)，又具有分散型控制系統(tǒng)的特點，經(jīng)常用于控制規(guī)模中等，控制對象比較分散、工程費用較低的場合。 圖 22 集中控制系統(tǒng) PLC 作為一種控制設(shè)備，用它單獨構(gòu)成一個控制系統(tǒng)是有局限性的，主要是無法進行復雜運算，無法顯示各種實時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表，沒有良好的界面。這些不足，我們選用上位機來彌補。上位機完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的存貯、處理與輸出，以圖形或表格形式對現(xiàn)場進行動態(tài)模擬顯示、分析限值或報警 信息，驅(qū)動打印機實時打印各種圖表。 2． 3系統(tǒng)的運行方式 運行方式分為手動、單步、周期及自動等四種操作方式。 1．手動：各工步都可單獨點動，按鈕釋放即停止運行； 11 2．單步：按下啟動按鈕，運行一個工步，到位即停。再按啟動，則進入下一工步運行； 3．周期：從初始位置開始，按啟動按鈕，程序自動完成一個周期的動作后返回到第一步開始位置停止。 4．自動：按啟動按鈕，程序完成一個周期的動作后又接著從第一步開始運行，自動循環(huán)。在自動方式下，中途若按下復位按鈕，則系統(tǒng)要繼續(xù)運行到第一步開始位置才停止；若按下停止按鈕，則運行 立即停止，此時若再按啟動，系統(tǒng)即從該位置運行到第一步開始處停止。 根據(jù)卷紙包裝機的實際運行情況，本系統(tǒng)采用自動運行和手動運行兩種方式。與運行方式的設(shè)計相對應，還必須考慮停止運行方式的設(shè)計?？删幊炭刂破鞯耐＿\方式有正常停運，暫時停運和緊急停運?三種。根據(jù)控制系統(tǒng)要求，由于包裝機運行期間采用循環(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行指令或設(shè)備出現(xiàn)故障或異常情況時才停止，因此本系統(tǒng)采用硬件切斷電源，使系統(tǒng)立即停車。 包裝機控制功能要求： 手動運行可以用按鈕對包裝機的各個部分進行單獨控制，主要用 于故障恢復與檢修。 全自動運行按下啟動按鈕，系統(tǒng)即可連續(xù)、協(xié)調(diào)、周期性地循環(huán)完成各包裝動作，直到系統(tǒng)接收到停止運行信號。 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)和工控機兩級控制的結(jié)構(gòu)。 PLC 負責按鈕、行程開關(guān)和其它開關(guān)量信號的輸入，以及發(fā)出信號去控制接觸器、繼電器、變頻器等電氣元件，進而控制各電機的運行，同時控制相應指示燈的顯示。工控機用來進行參數(shù)的修改與設(shè)定、全自動控制、在線監(jiān)視、傳送信息等工作。工控機通過串行口與 PLC 相連，進行相互通信，所以工控機是通過發(fā)出 命令去控制 PLC 的運行以達到進行全自動控制的目的。 2． 4． 1控制系統(tǒng)主要器件的選擇 12 卷紙包裝機控制系統(tǒng)主要器件包括工控機 (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)上位機選用研華 IPC610 工控機， 128M 內(nèi)存， 10G 硬盤，內(nèi)部底板上有 4個 ISA總線插槽、 2個 PCI總線插槽和一個 CMJ插槽，可以方便地進行系統(tǒng)擴展，另外選配飛利浦 IOSA 型顯示器，可清晰地顯示各種圖形和文字，運行 WINDOWSNT操作 系統(tǒng)，外接打印機，打印報表。工控機由一臺 500VA的不問斷電源 UPS 供電，保證報表數(shù)據(jù)的完整記錄。下位 PLC的選型及其模塊配置 在進行這項工作之前，需要對控制對象和控制任務進行統(tǒng)計和分析。然后確定系統(tǒng)的規(guī)模、機型和配值。據(jù)統(tǒng)計，該包裝機控制系統(tǒng)需要配置如下的不同性質(zhì)的 I／ O點： 80 個開關(guān)量輸入： 50 個開關(guān)量輸出； 15 個模擬量輸入； 15 個模擬量輸出； 根據(jù)對上述控制任務的分析，本項目選擇了 Siemens 的模塊化中小型PLC 系統(tǒng) S7300，它能滿足中等性能要求的應用，應用領(lǐng)域相當廣泛。其模塊 化、無排風扇結(jié)構(gòu)、和易于實現(xiàn)分布，易于用戶掌握等特點使得 S7300成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務的方便又經(jīng)濟的方案。 S7300 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擴展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實際應用選擇合適的模塊。當任務規(guī)模擴大并且愈加復雜時，可隨時使用附加的模塊對 PLC 進行擴展。 SIMATICS7300 所具備的高電磁兼容性和強抗振動，抗沖擊性，更使其具有最高的工業(yè)環(huán)境適應性。它具有很強的計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)所用的主機模塊是 CPU3152DP，可以通過 MPI轉(zhuǎn)接電纜或通訊模塊與計算機進行通訊，再加上其全面的診斷功能和完善的自我保護技術(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 編程軟件功能強大，使13 用方便，也使開發(fā)過程變得簡單快捷。此外， S7— 300 系列 PLC 還具有模塊點數(shù)密度高，結(jié)構(gòu)緊湊，性價比高，性能優(yōu)越，裝卸方便等優(yōu)點。根據(jù) I/O點數(shù)的確定要按照實際點數(shù)再加 20％一 30％的備用量及其特性，配置了如下的模塊： 1． 2 個模擬量輸入模塊 SM331(M8*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； 2． 4個模擬量輸出模塊 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。 圖 24 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置圖 在本系統(tǒng)中， PLC 的主要任務是接受外部開關(guān)信號 (按鈕、行程開關(guān)、繼電器節(jié)點 )的輸入，判斷當前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號去控制接觸器、繼電器等器件， 以完成相應的控制任務。除此之外，另一個重要的任務 就是接受工控機(上位機 )的控制命令，以進行全自動包裝循環(huán)。圖 24給出了本項目中配置的S732 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)場的開關(guān)觸點的狀態(tài)經(jīng)過14 光電隔離和濾波，將從過程傳輸來的外部數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為內(nèi)部 S7300 信號電平。然后送至輸入緩沖器等待 CPU采樣，采樣時，信號經(jīng)過背板總線進入到輸入映像區(qū)。 SM321 數(shù)字輸入模塊具有 32 位獨立的輸入點，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。模塊的每個輸出點有一個綠色發(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， LED 亮。 32 位數(shù)字輸出模塊