【文章內(nèi)容簡介】 用低、周期短、無需專門的計算機(jī)軟、硬件知識就可在短期內(nèi)掌握，功能擴(kuò)展方便，成本可為一般用戶所接受等優(yōu)點，是現(xiàn)代機(jī)電一體化產(chǎn)品控制裝置的理想選擇。 卷紙包裝機(jī)產(chǎn)生的背景及意義 衛(wèi)生卷紙是人們生活中的必須品，隨著人們對紙質(zhì)品用量的增加，對衛(wèi)生紙 的需求也越來越大，且對衛(wèi)生紙的安全性，方便性要求也越來越高。為使包裝出 的物品整齊、美觀并具有良好的包裝質(zhì)量，研制高速、高效、高質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的新型 包裝機(jī)是市場的迫切需求。目前，該類包裝機(jī)多半為進(jìn)口產(chǎn)品，價格昂貴。為此， 我選擇了關(guān)于 卷紙 包裝機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計的課題 。 PLC 在包裝機(jī)械上應(yīng)用的可能性和前景 包裝機(jī)械的最大特點是動作復(fù)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(jìn)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(fù)雜的控制邏輯。一般的 PLC 都有上百點內(nèi)部 基于 PLC 高速全自動包裝機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計 6 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 PLC 進(jìn)行編程。事實上 PLC 用于這種場合是最能顯現(xiàn)出其經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)然我們不僅忽視了 PLC 的另一個優(yōu)點，那就是其運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(fù)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(jī)構(gòu)簡化 ； （ 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(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 1/0 時可以方便地擴(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)計都可以得到簡化 [6]。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(jī)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) 。 本設(shè)計 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(jī)械上應(yīng)用的可能性與前景。 （ 2） 卷紙包裝機(jī)各動作控制工藝的研究。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(zhǔn)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/0 接口信號的確定、模塊的選擇，控制程序的設(shè)計與調(diào)試。 設(shè)計 的安排 本設(shè)計 共分 六 章。 設(shè)計 的第一章主要介紹了可編程控制器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢及其在包裝機(jī)械上應(yīng)用的可能性及前景，分析了 PLC 控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)的區(qū)別，介紹了本課題的研究內(nèi)容。第二章分析了卷紙包裝機(jī)工藝流程和包裝各動作的時序及包裝機(jī)速度的影響因素及提高方法，設(shè)計了包裝機(jī)控制系統(tǒng)的控制方案、運行方式及 硬 基于 PLC 高速全自動包裝機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計 7 件的選擇 。第三章主要對 硬件進(jìn)行總體設(shè)計。第四章主要是對 控制系統(tǒng)的供電線路及包裝 機(jī)各工位 元件的設(shè)計 。 第五章主要是對包裝過程的同步控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。 第 六章根據(jù) PLC 原理用 SIEMENS 的 STEP7 設(shè)計了某些功能塊的梯形圖，并用 S7PLCSIM simulator 模擬其運行結(jié)果。 基于 PLC 高速全自動包裝機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計 8 2 卷紙包裝機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計 第一章介紹了可編程控制技術(shù)的一些概要情況，下面就具體結(jié)合卷紙包裝機(jī)電控系統(tǒng)的實際來看一下它的應(yīng)用。這里需要說明的是，正如前面所提到的那樣，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(yīng)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(jī)械部分的配合需求，在具體實現(xiàn)的過程中，又以系統(tǒng)的可靠性與易用性為準(zhǔn)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(jī)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。 卷紙包裝機(jī)生產(chǎn)工藝論述 卷紙包裝機(jī)主體作用是把來源卷紙庫的卷紙按照每分鐘 60 個的頻率包裝為 滿足要求 的衛(wèi)生卷筒紙。 如 圖 所示是簡易的工藝流程圖 。包裝紙 按照 卷筒的形式 安裝 在原料架上 方 ， 一旦 上位機(jī) 釋放 命令，放卷電機(jī) 開始 動作，放卷 開始 。放卷到 規(guī)定長度 （ 長度 依靠 色標(biāo)來 確定 ） 時，通過色標(biāo)信號向切紙機(jī)構(gòu)發(fā) 出指令。切紙機(jī)構(gòu) 用的是 交流變頻調(diào)速電機(jī)，帶動一個凸輪旋轉(zhuǎn)， 進(jìn)而 帶動切斷刀上下 進(jìn)行 運動，在凸輪上放置 一個位置傳感器，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)到某一 固定 位置時，切刀 開始 向上運動，二刀分離，當(dāng) 出現(xiàn) 色標(biāo)信號時，刀又 開始 向下 進(jìn)行 運動。切刀 向 上 和向 下的工作頻率可 借助 變頻調(diào)速電機(jī) 進(jìn)行 調(diào)整，操作 簡單方便 。 已經(jīng)完成切割的 紙片經(jīng) 過 整理后放 到 紙片庫中，等待推紙空心臺送紙片。同時卷紙庫的卷紙 通 過整理等待托盤推桿送卷紙球。包裝過程 依靠 包裝工藝盤及其輔助機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)。包裝工藝盤 一 共有八個 V 形槽 和 三個加工工位，當(dāng)包裝紙 與 待包裝的卷筒紙放 到 槽中 之 后，由工藝 盤載著其 開始 轉(zhuǎn)動，依次送 到每個 加工工位。工藝盤的轉(zhuǎn)動是 借助 交流電機(jī)通過皮帶傳動帶動的， 每個 加工工位的動作是 借助 順序邏輯控制電磁閥帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的。工件 先是 從 1 號工位裝入 ，然后 在 2 號工位由夾鉗機(jī)構(gòu)完成前進(jìn)，抓緊，旋轉(zhuǎn) 以及 窩邊的動作，同時 依次 向托盤 與推紙空心臺發(fā)出送紙球和送紙片信號 ，最終 在 3 號工位 處 ， 已經(jīng) 包裝好的產(chǎn)品由于重力作用 自由 落入 到 成 品 庫 中 。 V型槽 圖 卷紙包裝工藝流程圖 切紙 紙片庫 紙片整理 卷紙庫 防卷 原包裝紙 紙片空心臺 工位1 工位2 工位3 托紙盤 基于 PLC 高速全自動包裝機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計 9 圖 因為它是一個突 出的順序控制，最簡便的方法是運用移位寄存器來運轉(zhuǎn)。移位寄存器假設(shè)是一個 8 位的，一個 V 形槽與一個移位寄存器吻合，移位一次要 120ms， 2號工位給出上料指令時，紙片被推動于推紙空心臺，紙球被托盤牽引并且用一樣的速度向前推進(jìn)當(dāng)?shù)谝还の磺『霉に嚤P V 形槽相吻合時，工藝盤不動，拖延時間在這個時間是 150ms，守候紙片被放紙空心臺壓到時，到位行程開關(guān)，關(guān)閉，托盤到位行程開關(guān)，被托盤壓到時，托盤不動，實現(xiàn)了送料目的，等到延時結(jié)束，齊頭并進(jìn)。存紙空心臺與托盤向后運動，并且插紙板向前移動頂起紙球和工藝盤運動到 2 號工位的位置時， 工藝盤不動，延時 250ms 指令，在這段時間內(nèi)，當(dāng)工藝盤不運作后插紙板也跟著停止運作，并且給出送料不過因為慣性會出現(xiàn)包裝紙繞著紙球以一個很小的角度旋轉(zhuǎn)，目的是讓紙球被包裝紙全部包起來，接著又向后運動，軸向移動的是夾鉗機(jī)構(gòu)，限位開關(guān)被接觸到時，軸向移動就暫停，但是三個夾桿一起徑向移動，握撈包裝紙的兩頭，抓緊限位開關(guān)被打開時，經(jīng)過 90 度變化后夾鉗機(jī)構(gòu)軸接著向前運動，完成窩邊后，這個機(jī)構(gòu)就向后運動。與 3 號工位位置吻合時，產(chǎn)品自動掉下，包裝過程完成，過程反復(fù)進(jìn)行，等到給出暫停指令。 如 圖 所示 ，包裝一個衛(wèi)生卷紙 只需 880ms，由于掃描周期的存在，所以一分鐘只能生產(chǎn)出 60 個產(chǎn)品。 控制方案的設(shè)計 根據(jù)卷紙包裝生產(chǎn)工藝，卷紙包裝機(jī)的控制系統(tǒng)主要包括放卷過程的控制，送料過程控制，同步控制，由于控制項目多，被控工序還都聚集在一塊，所 以選 用集中控制系統(tǒng)這方案。集中控制系統(tǒng)如圖 所示，可編程控制器特定 I/0 和每個被控制工序相通，所以被控對象中的狀態(tài)，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換不用另外開通信號線。 PLC 是一個控 基于 PLC 高速全自動包裝機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計 10 制設(shè)備，它在單獨的控制系統(tǒng)的缺點是有局限性，攻破不了有難度的計算，實時圖形，歷史記錄，顯示漢字。打印報表等功 能在 PLC 中無法實現(xiàn)。 針對這些缺陷，上位機(jī)的輔助是我們的理想選擇。上位機(jī)的功能是對數(shù)據(jù)的存貯、處理和輸出，用圖形或表格形式給現(xiàn)場用動態(tài)模擬圖來表達(dá)、預(yù)判限值或報警信號，根據(jù)實時需要打印報表。 A B C 圖 系統(tǒng) 的運行模式 運行模式有四種分別是手動、單步、周期和自動。 （ 1） 手動 ： 每道工序都單獨運作，按開關(guān)按鈕即可控制。 （ 2） 單步 ： 按開始開關(guān)，運作一個工序，到位就停止。又按開始鍵，就是下一道工序的運作。 （ 3） 周期 ： 從第一道工序位置算起，按開始開關(guān)，程序自動實現(xiàn)一個來回的操作后返回到啟始位置停止 。 （ 4） 自動 ： 按開始開關(guān)，程序自動實現(xiàn)一個來回的操作后返回到啟始位置又接著從第一步開始運行，自動調(diào)節(jié)。在自動模式時，如果按下復(fù)位開關(guān)，系統(tǒng)還是運行到第一步啟齒的地方才暫停 ； 如果按停止開關(guān)， 運行就馬上停止，這時候如果再按開始，系統(tǒng)就從這位置運行至啟始處停止。從卷紙包裝機(jī)的實際出發(fā)，自動運行和手動運行是我們最佳選擇 [7]。和運行模式的設(shè)計對比，停止運動的模式也要策劃。正常停運，暫時停運和緊急停運是可編程控制器的三項停運方法?？紤]控制系統(tǒng)需要，因為包裝機(jī)運行模式是循環(huán)模式，當(dāng)在操作完成或檢測到停止運行信號或機(jī)器出現(xiàn)問題或突發(fā)事情時才停止，所以該系統(tǒng)應(yīng)用硬件切斷電源，讓系統(tǒng)馬上停車。 控制器 控制對象 控制對象 控制對象 基于 PLC 高速全自動包裝機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計 11 3 控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計 總體結(jié)構(gòu)關(guān)系 由于 PLC 管理按鍵、行程開關(guān)與其它開關(guān)量信 號的導(dǎo)入，和把信號送去控制接觸器、繼電器、變頻器等電氣元件，這樣就控制每個電機(jī)的運作，指示燈的顯示也得到了控制工控機(jī)的作用是參數(shù)的修改和設(shè)置、全自動控制、在線監(jiān)督、輸送信號。工控機(jī)由串行口和 PLC 相接，通信交換，因此工控機(jī)是用發(fā)出信號來控制 PLC 的運作來完成全自動控制 [8]。 控制系統(tǒng)主要器件的選擇 工控機(jī)、 PLC、變頻器是卷紙包裝機(jī)控制系統(tǒng)的主要零件。 工控機(jī) ： 本系統(tǒng)上位機(jī)選用研華 IPC610 工控機(jī)， ISA 總線插槽 4 個分布在內(nèi)部底板上、由于有 2 個 PCI 總線插槽與一個 CPU 插槽， 所以可以更簡捷的拓展系統(tǒng)，運用 WINDOWSNT 操作系統(tǒng)，打印機(jī)外接一個，目的是報表的打印。達(dá)到報表數(shù)據(jù)完善性。如下是 PLC 的選擇和它的模塊配置一定要對控制對象與控制目的計算與研討在工作開始前。這樣才可以明確系統(tǒng)的機(jī)型，規(guī)模，與配值。據(jù)了解，這個包裝機(jī)的控制操作系統(tǒng)應(yīng)具備配置以下不相似的特點的 I/0 點 。 首先選擇 80 個開關(guān)量導(dǎo)入 ； 然后再選擇 50 個開關(guān)量導(dǎo)出 ； 再對任意挑個類似量導(dǎo)入 ； 最后任意挑個類似量導(dǎo)出 ； 由控制任務(wù)得，該設(shè)計挑中了 S7300 軟件，它的特點是適合中等控制系統(tǒng)的需要，而且被非常廣泛的應(yīng)用。它的 模塊化、沒有排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)功能、但是很用以完成分布，用戶學(xué)習(xí)操作起來簡單等優(yōu)勢讓 S7300 能達(dá)到各式由小規(guī)模到中等性能需求控制任務(wù)的簡