【正文】 .............. 49 VI 1．緒論 本課題研究的目的、意義及國內(nèi)外研究概況 全自動真空吸塑成型機（又叫熱塑成型機）是利用真空吸力，將加熱塑化的PVC、 PE、 PP、 PET、 HIPS 等熱塑性塑料卷材吸制成各種形狀的高級包裝裝 璜盒、框等產(chǎn)品。相比之下， 我國經(jīng)過多年的 努力 ，全國各地已經(jīng) 發(fā)展了不少自動吸塑機生產(chǎn) 廠 商， 如 上海久羅機電設備有限公司 、深圳市恒隆機械設備有限公司、深圳市恒隆基機械設備有限公司 等 。 本設計 從吸塑工藝要求出發(fā)， 結(jié)合廠方在全自動真空吸塑機機械結(jié)構(gòu)上的改進， 采用 已經(jīng)相當成熟的 PLC 技術(shù)、 伺服技術(shù)、傳感技術(shù)、人機界面 等手段 完成全自動真空吸塑機的開發(fā)，提高其生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量及整機的穩(wěn)定性，也可以增加系統(tǒng)的柔性。 本設計的主要工作是 針對 ZXSJ 型全自動真空吸塑機設計一套可靠的智能控制系統(tǒng)，對其各機構(gòu)的運動進行自動控制，并結(jié)合實驗室的具體條件進行仿真實驗，檢驗設計的成效。 并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出每一動作執(zhí)行時，各機構(gòu)的動作順序，將其用流程圖的形式表達出來，為實現(xiàn)全自動真空吸塑機的控制做必要的準備。很可能會出現(xiàn)控制精度不準確的情況，也造成了在某些位置無法判斷機械部件的確切位置或者導致機構(gòu)的誤動作，影響了生產(chǎn)效率的提高。 該系統(tǒng) 通過人性化的觸摸屏界面對系統(tǒng)的運行進行監(jiān) 控和操作， 如進行工藝參數(shù)的修改、系統(tǒng)的調(diào)試等。由于實驗室所能提供的硬件 有限， 本系統(tǒng)在安裝調(diào)試時 搭建控制系統(tǒng)模型的時候只能 從簡，演示部分功能。 2. ZXSJ 型吸塑機控制系統(tǒng)總體方案 系統(tǒng)的需求分析 功能需求 ZXSJ 型全自動真空吸塑機是汕頭市明發(fā)機械有限公司最新開發(fā)的一款升級換代產(chǎn)品，產(chǎn)品的定位屬于中高檔真空吸塑機，因此對控制系統(tǒng)的性能和功能提出了更高的要求。 (2)運行保護功能。保證操作人員可以直觀簡便地監(jiān)視吸塑機的運行狀況，查看報警信息，設定或修改各種參數(shù)等。系統(tǒng)主要是面向基層的技術(shù)人員和一線技工，因此要求人機交互界面必須友好簡潔，力求做到人性化操作。 (4)開放性。 在控制器核心的選擇上有兩種方案：單片機控制和PLC 控制；而人機界面的設計 也 有 兩 種方案可選擇， 液晶 +單片機、觸摸屏顯示。 控制系統(tǒng)總體設計方案 系統(tǒng)中的輸入信號 輸入系統(tǒng)的信號主要有： 啟動信號、急停信號、 產(chǎn)品計數(shù)信號、拉伸行程信號、同步行程信號和報警信號等，全部都是開關(guān)量信號。保證轉(zhuǎn)向和定位及速度控制準確，尤其是對送片、成型開合模等動作要求精準地控制電機轉(zhuǎn)數(shù)，保持送片長度，開合模行程的恒定。確保各動作正確運行，按控制要求實現(xiàn)各種功能?？偟膩碚f，本設計都是圍繞上述幾大子模塊展開的，各模塊的功能目標如下： (1)PLC 順序控制系統(tǒng)。 各功能模塊的詳細設計見后續(xù)章節(jié)的詳細論述。單機控制系統(tǒng)的被控對象往往是一臺機器或一條生產(chǎn)流水線，其控制是用一臺 PLC 實現(xiàn)被控對象控制的，這種系統(tǒng)對 PLC 的輸入輸出點數(shù)要求較少，對存儲器的容量要求較小，對控制系統(tǒng)的構(gòu)成簡單明了。由于采用一臺 PLC 控制，因此各被控對象之間的數(shù)據(jù)及狀態(tài)不需要另設專門的通信線路。 (4)遠程 I/O 控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)的運行方式 選擇 PLC 控制系統(tǒng)的運行方式有三種類型，及手動、半自動和自動。這種運行方式的特點是系統(tǒng)在啟動和運行過程中的某些步驟需要人工干預才能進行下去。這種方式的主要特點是系統(tǒng)工作過程中系統(tǒng)按給定的程序自動完成被控對象的動作，不需要人工干預。在自動真空吸塑機正常 情況下以自動循環(huán)的方式運行 ，工作結(jié)束后正常停機。 [3] 真空吸塑機工藝要求 真空吸塑機的工藝要求是本控制系統(tǒng)設計的主要依據(jù)， 也 是 本 控制系統(tǒng) 設計的要實現(xiàn)的最終目的，因此在進行硬件系統(tǒng)的詳細設計之前必須對真空吸塑機的工藝流程有深入的 研究 。由此構(gòu)成整個全自動的真空吸塑機控制系統(tǒng)， 即可實現(xiàn)所要求的控制目標，又不影響生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量及系統(tǒng)的柔性，還可以盡量縮減系統(tǒng)的開發(fā)成本。 送料部件的功能是將卷好掛在滾筒上的抽出來 以便送料鏈軌順利的夾住片材往前送。 送片電機為安川伺服電機，其速度和方向均需設定參數(shù)，并通過 PLC 來控制啟停。 (5) 下閘。 開合模動作由上下模兩臺伺服電機驅(qū)動 ，同樣需要控制伺服電機的運動速度、方向及 動作時間。 拉伸這個工序由一個簡單的液壓系統(tǒng)來完成，使加熱變軟的片材迅速形成一個較為規(guī)則的形狀，便于真空成型。在 本系統(tǒng)中，通過電磁閥 啟停真空泵。 開模以后片材被加工成期望的形狀，通過沖剪這一工序把產(chǎn)品從片材上剪斷， 進而進行堆疊打包。 堆疊升降臺把沖剪出來的產(chǎn)品按設定的個數(shù)堆疊起來，方便打包，在計數(shù)器達到設定計數(shù)值前，升降臺按照程序設置的行程動作；達到 計數(shù)值時， 升降臺按另外設定的形成動作，把堆疊好的產(chǎn)品推出。 (13)輸送。 收料電機為三相異步電動機。 系統(tǒng)的控制流程圖如 31 所示。上述氣缸的動作均由相應的電磁閥來控制 ；拉伸行程由接近開關(guān)的安裝位置決定； 而各伺服電機均按位控控制模式工作， 電機的保護 可 在伺服系統(tǒng)及控制程序中設定相應的參數(shù)和命令 。 根據(jù)上一節(jié)可知 ZXSJ 型 全自動 真空吸塑機的 系統(tǒng)類型和運行方式。 (2)自動運行。 為了選定系統(tǒng)的規(guī)模、機型和配置，需要對系統(tǒng)的 I/O 點數(shù)和種類進行精確的統(tǒng)計，且在設計過程中，實際的 I/O 點數(shù)要比統(tǒng)計點數(shù)增加20%～ 30%，以便在有需要的時候進行系統(tǒng)的擴展或二次開發(fā) 。 選型 PLC 的選型主要考慮以下三個方面： PLC 容量的選擇與確定、 PLC 外設的選擇與確定、 PLC 生產(chǎn)廠家的選擇與確定等。 由于系統(tǒng)中包含多個伺服系統(tǒng)，要求輸出高速脈沖， 且動作較為頻繁， 這就需要選用無觸點的晶體管輸出型 PLC。根據(jù)經(jīng)驗，每個 I/O 點及有關(guān)功能器件占用的內(nèi)存大致如下 所需存儲器容量 ： (KB)＝ (1～ )(DI10＋ DO8＋ AI/O100＋ CP300)/1024 ＝ (1～ )(1710＋ 148＋ 0＋ 1300)/1024 ＝ 其中： DI 為數(shù)字量輸入總點數(shù)； DO 為數(shù)字量輸出總點數(shù)； AI/AO 為模擬量I/O 通道總數(shù)； CP 為通信接口總數(shù)。 PLC 生產(chǎn)廠家的選擇與確定 在進行 PLC 生產(chǎn)廠家的選擇與確定上同樣考慮了 PLC 的功能、價格和設計者（設計團隊）的設計能力等三個方面。 2 個模擬量電位器，最多可擴展 35AI/AO點。 (2)S7200 系列 CPU 的主要特點如下： 1)內(nèi)部集成的具有強勁的通信能力的 PPI 接口是 S7200 的用戶口， CPU 接口物理特性為 RS485，可在三種方式下工作。 2)豐富的內(nèi)置集成功能： 1)集成的 24V 負載電源，可直接連接到傳感器和變送器。 5)2 路高速脈沖輸出 (最大 20KHz)用于控制步進電機，或伺服電機的運動，從而 實現(xiàn)對目標的定位任務。 S7200 系列 PLC 的存儲系統(tǒng)由 RAM 和 EEPROM 兩種類型的存儲器構(gòu)成， CPU 模塊內(nèi)部配備了一定容量的 RAM 和 EEPROM。 [5]在選定了 PLC 以及其擴展模塊與分配好 I/O 地址后，本系統(tǒng)的硬件設計主要進行電氣原理圖的設計：包括 主電路的設計 和控制電路的設計。下面就 PLC 控制部分硬件接線圖作簡要的說明 ： (1) 輸入口。 4) 各電機的保護開關(guān)分別連至 PLC 主機 ～ 。 2) PLC 主機輸出口 控制送片方向， 口控制堆疊方向。 6) PLC 主機輸出口 控制下閘電磁閥。 10) PLC 主機輸出口 控制潤滑電磁閥。 為了防止 PLC+24V 電源因外圍的電氣故障而損壞，影響 PLC 的整體性能，一般在實際應用中， PLC 的輸入點利用其本身的 +24V 電源，其他的擴展模塊及外圍器件電源盡量外接 +24V 電源。 S7200 系列 CPU 模塊的電源預算和擴展模塊的電源消耗分別如下列表格所示： [6] 表 32 S7200 系列 CPU 的供電能力 CPU 型號 電流供應 ＋ 5VDC +24VDC CPU221 0 mA 180mA CPU222 340 mA 180mA CPU224/224 XP 660 mA 280mA CPU226/226 XM 1000 mA 400mA 表 33 CPU 上及擴展模塊上的數(shù)字量輸入所消耗的電流 CPU 上及擴展模塊上的數(shù)字量 電流需求 ＋ 5VDC +24VDC 每點輸入 4mA/每輸入 表 34 EM253 位控模塊輸入輸出所消耗的電流 擴展模塊型號 電流需求 ＋ 5VDC +24VDC EM 253 6ES7 2531AA220XA0 190mA 130mA 本系統(tǒng)的配置包括以下模塊 ： 1)CPU 226 DC/DC/DC； 2)4 個 EM253 位置控制模塊 。但從上述計算可知，總的電源需求超出了 CPU226 模塊的電源定額，因此我們可以增加一個外部 24VDC 電源來提供給擴展模塊 ，可保證系統(tǒng)穩(wěn)定、高效地運行。 (2)伺服電機： 驅(qū)動控制對象的代表性執(zhí)行裝置，在本系統(tǒng)中選用的是安川交流 伺服電動機； (3)位置或速度的檢測器，一般用安裝在電機上的編碼器，進行位置的檢測，本系統(tǒng)中的檢測器為安川伺服電動機自帶的編碼器； (4)伺服驅(qū)動器： 是指“指令”和“反饋”的“誤差信號”進行補償處理，驅(qū)動伺服電機的驅(qū)動器由處理“誤差信號”的“比較、控制放大器”和驅(qū)動電動機的“功率放大器”構(gòu)成，本系統(tǒng)選用的是 與安川伺服電動機配套的 SGMD 伺服驅(qū)動器 ； (5)上位裝置：以 “位置”或“速度”為目標對伺服驅(qū)動器進行控制的裝置，本系統(tǒng)以 西門子 PLC 作為上位裝置進行控制。 控制系統(tǒng)伺服模塊詳細設計 在 ZXSJ 型全自動真 空吸塑機控制系統(tǒng)中 ，送片機構(gòu)、開合模機構(gòu)、沖剪機構(gòu)及堆疊機構(gòu)都是通過伺服電機來驅(qū)動 。 但由于本系統(tǒng) 總共需要對 6 臺伺服電機進行控制，在優(yōu)先考慮高速脈沖模式的情況下，只能通過 CPU226 集成的兩個高速脈沖口控制 2 臺伺服電機，其 余的四臺電機可以采用 EM253 模塊或者自由口通信兩種模式進行控制 。 位置控制模式工作原理 位置控制的根本任務就是使執(zhí)行機構(gòu)對位置控制指令的精確跟蹤，被控量一般是負載的空間位移，當給定量隨即變化時，系統(tǒng)能使被控量無誤地跟蹤并反饋給定量，給定 量可以是角位移或線位移。速度指令信號與速度反饋信號與位置檢測裝置相同比較后 的偏差信號經(jīng)速度環(huán)比例積分 控制 器 調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流指令信號，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變化后，由 SPWM 輸出轉(zhuǎn)矩電流， 控制交流伺服電機的運行。在 PTO 輸出模式下， PLC 可生成一個占空比為 50%的脈沖串，用于伺服電機的位置和速度控制。 圖 42 為 伺服驅(qū)動器在高速脈沖位置控制模式下引用 CN CN2 端口的示意圖， 圖 43 為本系統(tǒng)中 送片 伺服電機的主電路接線圖。由模塊的 P0 口發(fā)送脈沖， P1 口發(fā)送方向， DIS 端口使能放大器并同時清除放大錯誤。 EM253 模塊接線如圖 45 所示 ： 圖 45 EM253 位置控制模塊接線示意圖 23 軟件詳細設計 設計目標 ZXSJ 型全自動真空吸塑機 對各機構(gòu)的動作的配合要求很高，且時間上的邏輯關(guān)系較為復雜，只有嚴格按照程序設定的邏輯關(guān)系協(xié)調(diào)執(zhí)行各機構(gòu)的動作才能使吸塑機正常運行并提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 [11] (2)盡量減小 PLC 的輸出 隨機 延時影響，提高響應速度 ，保證程序穩(wěn)定、可靠地運行。 采用功能模塊設計法進行程序設計可以把吸塑機相同功能的程序集中在一起，使得程序結(jié)構(gòu)清晰 、可讀性強， 便于調(diào)試，還可以根據(jù) 實際 需要靈活增加一些其他的控制 功能 。 下面將根據(jù)上述編程思想對本控制系統(tǒng)的主程序及各個分支程序進行詳細的剖析 。 開 始按 下 加 熱 箱按 鈕選 擇 工 作 模 式（ 手 動 / 自 動 ）自 動 模 式送 片下 閘成 型 子 過 程沖 剪 子 過 程堆 疊 子 過 程結(jié) 束N下 閘 復 位下 閘 到 位YN送 片送 片 到 位下 閘 上 升成 型 子 過 程YN沖 剪 子 過 程 堆 疊 子 過 程完 成 成 型過 程 ？NＹ完 成 沖 剪過 程 ？完 成 堆 疊過 程 ？ＮＮＹYＮ結(jié) 束按 下 停 止按 鈕 ？Ｙ 圖 52 ZXSJ 型全自動真空吸塑機主程序流程圖 26 成型子程序設計 成型子過程包含了比較多的基本動作，是本系統(tǒng)中最為重要的部分，成型過程的控制水平將直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。 在具體的執(zhí)行過程中，如圖 54 所示。如圖 53 所示， 該子程序的控制內(nèi)容包括開合模及拉伸、真空和夾腳等動作，其中拉伸動作構(gòu)成一個小循環(huán) ，整個子程序的結(jié)束標志為三個復位動作完成。主程序流程圖如圖 52 所示， 程序中設置兩種工作方式：當選擇手動方式時， 只需按照圖示流程來 順序 執(zhí)行，不必考慮同步控制的問題；當選擇自動方式時， 主程序包含了順序與同步控制