【文章內容簡介】 能化模塊以及聯(lián)網(wǎng)通信上，都有很大的提高。并開始與小型計算機聯(lián)成網(wǎng)絡，構成了 以 PLC 為重要部件的分布式控制系統(tǒng)。隨著網(wǎng)絡通信功能的不斷增強， PLC 與 PLC 及計算機的互聯(lián)，可以形成大規(guī)模的控制系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)高速公路上 (Data Highway)掛接在線通用計算機，實現(xiàn)在線組態(tài)、編程和下裝，進行在線監(jiān)控整個生產(chǎn)過程，這樣就已經(jīng)具備了集散控制系統(tǒng)的形態(tài)，加上 PLC 價格和可靠性優(yōu)勢，使之可與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)相互競爭。 由于以上的原因，可以預見隨著 PLC 成本的下降和機器要求的提高，將很快在大部分場合取代繼電器控制屏。無論是與傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制邏輯相比，還是與現(xiàn)代的微型計算機系統(tǒng) 乃至專用于控制的單片機相比，在工業(yè)控制方面 PLC 都具有明顯的優(yōu)越性。尤其是對生產(chǎn)流水線、動作復雜的單機，比起前述幾種控制手段來具有壽命長、可靠性高、對環(huán)境無特殊要求、開發(fā)費用低、周期短、無需專門的計算機軟、硬件知識就可在短期內掌握，功能擴展方便，成本可為一般用戶所接受等優(yōu)點，是現(xiàn)代機電一體化產(chǎn)品控制裝置的理想選擇。 卷紙包裝機產(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量，研制高速、高效、高質、經(jīng)濟的新型包裝機是市場的迫切需求。目前，該類包裝機多半為進口產(chǎn)品，價格昂貴。為此，我以東莞佳鳴機成都信息工程學院畢業(yè)論文 第 １１ 頁 共 42 頁 械制造有限公司的卷紙包裝機控制系統(tǒng)為題材，論 PLC 在高速全自動的應用。 PLC 在包裝機械上應用的可能性和前景⑴ 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，就可以對其內部的輔助繼電器進行編程后來取代。從物理介質方面來講，前者是要用具體的電氣元件來組合 ，而后者只是 PLC 的內部寄存器，在 PLC 編程容量許可的范圍內，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 都有上百點內部輔助繼電器甚至更多，且還有多種專用的內部電器，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/0 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，則可以簡化機械結構，機械和電氣設計都可以得到簡化。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)。 項目研究的主要內容 ，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。 研究。了解卷紙包裝機的工作過程及工藝要求?？偨Y成都信息工程學院畢業(yè)論文 第 １２ 頁 共 42 頁 各機構的動作順序，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。 ，包括控制方案的選取與設計、 I/0 接口信號的確定、模塊的選擇，控制程序的設計。 5. S7300 與上位機的通信設計。 論文的安排 全文共分四章。論文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械上應用的可能性及前景，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容。第二章分析了卷紙包裝機工藝流程和包 裝各動作的時序及包裝機速度的影響因素及提高方法，設計了包裝機控制系統(tǒng)的控制方案、運行方式及硬件的選擇和組態(tài)，并詳細介紹了組態(tài)的各模塊。第三章主要對控制系統(tǒng)的供電線路及包裝各工位的電氣圖進行設計，并根據(jù)放卷分切部分的受力分析，建立模型，然后依據(jù)自適應控制原理設計和實現(xiàn)了張力控制，同時也實現(xiàn)了送料過程中的同步控制并繪出了電路圖。第四章根據(jù) PLC 原理用 SIEMENS 的 STEP7 設計包裝機的軟件。下面就具體結合卷紙包裝機電控系統(tǒng)的實際來看一下它的應用。這里需要說明的是，正如前面所提到的那樣，可編程控制技術并非單純是 指 PLC 本身，而是包括其在內的一系列自動化控制產(chǎn)品和技術的應用。本系統(tǒng)在電氣控制部分設計時，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則，盡量把本系統(tǒng)設計成為一個功能齊全、可靠性高且易于使用的包裝機設備。在設計控制系統(tǒng)之前，首先得了解其生產(chǎn)工藝。 第二章卷紙包裝機控制系統(tǒng)的總體設計 第一章介紹了可編程控制技術的一些概要情況，下面就具體結合卷紙包裝機電控系統(tǒng)的實際來看一下它的應用。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 并非單純是指 PLC 本身，而是包括其在內的一系列自動化控制產(chǎn)品和技術的應用。本系統(tǒng)在電氣控制部分設計時，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則，盡量把本系統(tǒng)設計成為一個功能齊全、可靠性高且易于使用的包裝機設備。在設計控制系統(tǒng)成都信息工程學院畢業(yè)論文 第 １３ 頁 共 42 頁 之前，首先得了解其生產(chǎn)工藝。 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。簡單的工藝流程如圖 21 所示。 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發(fā)出指令。切紙機構采用交流變頻調速電機，帶動一個凸輪旋轉，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速電機來調整，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。包裝過程通過包裝工藝盤及其輔助機構來實現(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，由工藝盤載著其轉動，依次送入各加工工位。工藝盤的轉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)行機構動作的。工件從 1 號工位裝入 。在 2 號工位由夾鉗機構完成前進，抓緊，旋轉，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。 成都信息工程學院畢業(yè)論文 第 １４ 頁 共 42 頁 由于這是一個典型的順序控制⒂，利用移位寄存器操作最為方便。設定一個 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，停止，托盤壓到托盤到位行程開關，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，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，同時夾鉗機構軸向運動，碰到限位開關時，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時，夾鉗機構軸旋轉 90 度后繼續(xù)向前移動，進行窩邊。窩邊到位，該機構就后退。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分鐘內卻只能包 60 個啦，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 120 ms。 卷紙包裝機速度影響的分析和提高 隨著中國改革開放與 WTO 的加入，中國的工業(yè)正向高速化、流水化發(fā)展，而中國的傳統(tǒng)包裝業(yè)以手動與半自動為主，大大阻礙了高速化發(fā)展。目前國外已有卷紙包裝機，而且速度已經(jīng)達到 120 個 /分，而我們國家的卷紙包裝還是半自動甚至有的小作坊還是手動操作，平均包裝速度僅僅能達 20 個 /分。如果引進國外產(chǎn)品，除了價格昂貴外而且也不利于本國的發(fā)展。因此研制高速包裝機已成為社會發(fā)展的必然。 成都信息工程學院畢業(yè)論文 第 １５ 頁 共 42 頁 為了滿足廠方的要求，本設計的高速卷紙包裝機包裝能力要求達到 60 個 /Min。 我們知道包裝機速度越高，要求穩(wěn)定性和可靠性愈強。這就要求包裝材料供送速度快、精度高、定位準確，包裝材料質量標準要符合規(guī)格，停機率低，以減少包裝材料損耗，且包裝材料的裝卸都要自動化等。 一 . 影響卷紙包裝機高速化的包裝材料的性質有： (拉 )強度要大 在高速包裝機中，包裝材料運動的線速度可達 500m / min 以上，同時包裝機都是間歇式運動，材料直徑大，材料運動慣性力大，所以應具有足夠的抗拉強度，防止被拉斷。在現(xiàn)行的卷紙包裝機材料供送機構中可通過增加沖擊力緩沖裝置來解決。 包裝材料在運行中，由于卷筒直徑大、包裝運行速度大，使之受到很大的拉力和慣性沖擊力，易造成包裝材料拉伸，影響包裝紙定位準確性，所以材料的伸縮性要小，以保證包裝機工作的可靠性和包裝質量。 卷筒包裝材料在卷曲和使用過程中，易產(chǎn)生靜電。當包裝材料按定長切斷后，在移送過程中，一旦發(fā)生靜電粘附時；就需馬上停機，所以靜電性越小越好。 二 .機械結構的影響。 傳統(tǒng)的包裝機在包裝材料切斷后迅速離開的辦法是用不等速機構。常見的不等速機構有 :偏心鏈輪機構，偏置曲柄導桿機構，凸輪、齒輪組合機構 ，凸輪一四連桿組合不等速轉動機構以及非圓齒輪機構等。 由于偏心鏈輪機構的變速范圍有限，結構復雜，高速時易引起鏈條的跳動，而且傳遞的力不易過大，因此它只適合于一些速度不太高、傳遞的力不太大的小袋包裝機。而凸輪齒輪組合機構，凸輪一四連桿組合機構因結構復雜，調整不方便，運動沖擊又大，因此不常用。 其中偏置曲柄導桿機構是目前高速包裝機中應用較多的一種不等速機構。它的結構比較簡單，加工方便，調節(jié)容易，成本低。但體積比較大，調整環(huán)節(jié)比較長。傳動過程中，傳動角 Y 不等于 90 度，因此傳力特性不太好。當速度超過 300r/ min 時，整個機構的動力性能變壞，動載振動和動平衡較難解決。 在設計中我們利用控制精度高，動態(tài)響應快的 6SE70 系列變頻器及其配套電機來替代不等速機構，從而達到變速的目的，且使包裝機結構緊湊，慣性小。 在包裝過程中，通過嚴格的時序分析，知道要達到要求的速度，電機的啟動、停止的時間一定要快，也就是電機的響應速度要快。一般的步進電機從上升到運行平穩(wěn)成都信息工程學院畢業(yè)論文 第 １６ 頁 共 42 頁 的時間約需 200400ms，達不到 120 ms的要求。通過各種資料的查詢，發(fā)現(xiàn)松下 MSMA 400W 交流伺服電機從靜止加速到其額定轉速 3000RPM 僅需幾毫秒。因此，我們在要求快速啟停的控制場合⒃，利用松下 MSMA400W 交流伺服電機作為執(zhí)行電機。 整個控制系統(tǒng)以西門子 S7300 系列 PLC 作為基礎，其掃描速度在其他工業(yè)控制系統(tǒng)中處于領先地位，每 1000 條指令約需 0. 3 ms。通過材料，機械，電氣的綜合考慮，我們的設計達到了預期目標，且在實驗室也調試成功。 可編程控制系統(tǒng)控制方案的設計 利用 PLC 可以構成多種控制系統(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/0 控制系統(tǒng)⑺。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/0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