【文章內容簡介】 理設計和實現了張力控制，同時也實現了送料過程中的同步控制并繪出了電路圖。第四章根據 PLC 原理用SIEMENS 的 STEP7 設計了某些功能塊的梯形圖和 STL 程序，并用 S7PLCSIM simulator 模擬其運行結果。為了實現監(jiān)控，利用 SIEMENS 的工控組態(tài)軟件設計了包裝過程的監(jiān)視界面。長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 9 第二章 PLC 構成的包裝機控制系統(tǒng)的總體設計 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 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，首先得了解其生產工藝。 卷紙包裝機生產工藝概述 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。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 好的產品由于 重力作用落入成品庫 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 10 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。當到 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 640)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。當到達 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. 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 1/0 控制系統(tǒng) lv]。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據、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/0 控制系統(tǒng)的控制結構比較獨特，類似于集中控制系統(tǒng)，又具 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 11 有分散型控制系統(tǒng)的特點，經常用于控制規(guī)模中等，控制對象比較分散、工程費用較低的場合 圖 23 集中控制系統(tǒng) Fig 23 Concentration control system PLC 作為一種控制設備，用它單獨構成一個控制系統(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據，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)測數據的存貯、處理與輸出，以圖形或表格形式對現場進行動態(tài)模擬顯 示、分析限值或報警信息，驅動打印機實時打印各種圖表。 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，輸入信號光電隔離，遠離強電布線，模擬量信號和脈沖信號采用屏蔽線傳 遞，采用放射性一點接地等措施，消除或減弱共模和瞬變干擾。在軟件設計和編 程上，加上一些抗干擾模塊。 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。 :各工步都可單獨點動，按鈕釋放即停止運行 。 :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 。 :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 :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。與運行方式的設計相對應，還必須考慮停止運行方式的設計。可編程控制器的停 運方式有正常停運，暫時停運和緊急停運 三種。根據控制系統(tǒng)要求，由于包裝機運行期間采用循環(huán)工作方式，只有 在工作結束或接收到操作人員的停止運行指令或設備出現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、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。 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 12 控制系統(tǒng)硬件總體設計 總體結構關系 在前面己經說明，本系統(tǒng)采用可編程控制器 (PLC)和工控機兩級控制的結構。 PLC 負責按鈕、行程開關和其它開關量信號的輸入，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的修改與設定、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。 控制系統(tǒng)主要器件的選擇 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品 為依據，具體情況如下 : 工控機 本系統(tǒng)上位機選用研 華 IPC610 工控機， 128M 內存， lOG 硬盤，內部底板 上有 4 個 ISA總線插槽、 2 個 PCI 總線插槽和一個 CPU 插槽，可以方便地進行系 統(tǒng)擴展，另外選配飛利浦 105A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的不間斷電源 UPS供電，保證報表數據的完整記錄。 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。據統(tǒng)計，該包裝機控制系統(tǒng)需要配置如下的不同性 質的 I/0 點 : 80 個開關量輸入 。 50 個開關量輸出 。 巧個模擬量輸入 。 巧個模擬量輸出 。 根據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，應用領域相當廣泛。其模塊化、無 排風扇結構、和易于實現分布，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/0 擴展模塊，使用戶可以完全 根據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。 SIMATIC S7300 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 SINEC LANS 聯(lián)網的能力，適用于高速的過程處理 需要。本系統(tǒng)所用的主機模塊是 CPU 3152DP，可以通過 MPI 轉接電纜或通訊模 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，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 STEP?編程軟件 功能強大，使 用方便，也使開發(fā)過程變得簡單快捷。此外， S7300 系列 PLC 還 具有模塊點數密度高，結構緊湊，性價比高，性能優(yōu)越，裝卸方便等優(yōu)點。 根據 I/0 點數的確定要按照實際點數再加 20 Yo30%的備用量及其特性，配 置了如下的模塊 [V}l, 1. 2 個模擬量輸入模塊 SM331 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計論文 13 為 16 路的模數轉換通道 。 2. 4 個模擬量輸出模塊 SM332 為 16 路的模數轉換通道 。 3. 4 個數字量輸入模塊 SM321 輸入通道 。 4. 3 個數字量輸出模塊 SM322 關量輸出通道 。 CPU3152DP。 CP343 一 5 IM360 和 IM361 在本系統(tǒng)中， H 刃的主要任務是接受外部開關信號 (按鈕、行程開關、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 S7 300PLC 模板的型號和數量，下面對使用的這些模塊作具體介紹〔 }210 PLC 的中央處理器 CPU3152DP CPU31*)2DP 是 S7 一 300 的大腦，其裝載存儲器的基本容量為 48K 字節(jié)或 80K 字節(jié)，可用存儲卡擴充裝載存儲器，最大容量可達到 312。每執(zhí)行 1000 條二 進制指令約需 0JMS，最大可擴充 1024 點數字量 1/O 或 128 路模擬量通道。 CPU3152DP 內裝硬件實時時鐘。 CPU3152DP 的操作系統(tǒng)是事件驅動的用戶程序掃描過程。 CPU 響應哪個事 件，操作系統(tǒng)自動調用該事件的組織塊 OB o CPU315 可調用 128 個功能塊 FB (0 一 127)。 128 個功能調用 FC (0127)。 127 個數據塊 DB (127, 0 保留 )。 OB, F B, FC, DB 的容量均不大于 8KB。此外，還有 38 個系統(tǒng)功能塊 SFC 集成在操 作系統(tǒng)中供用戶調用 。有 9 個系統(tǒng)數據塊 SDB 裝載 S7300 系統(tǒng)參數。 CPU3152DP 適用于要求高速處理和中等 v0 規(guī)模的任務。它可以裝載中等 規(guī)模的程序，并具有中等的指令執(zhí)行速度。 接口模塊 IM360 和 IM361 當 PLC 系統(tǒng)的規(guī)模較大時，一個機架不能容納所有的模塊時，就要增添擴展 機架，這時裝有 CPU 的機架 稱為主機架。主機架和擴展機架之間通過接口模塊 IM360 和 IM361 形成統(tǒng)一的整體。每個機架的接口模塊通過總線連接器連接到 I/O 模塊。接口模塊是自組態(tài)的，無需進行地址分配。具有指示系統(tǒng)狀態(tài)和故障的發(fā) 光二極管 LED。如果 CPU 不確認此機架，則 LED 閃爍。一個系統(tǒng)可以有