【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 技術(shù)和控制技術(shù)而開發(fā)的控制產(chǎn)品。相信在 21世紀(jì)里，以 PLC 作為控制系統(tǒng)核心的機(jī)電一體化生產(chǎn)線及設(shè)備必將主導(dǎo)自動(dòng)化控制、設(shè)備制造等大規(guī)模自動(dòng)化控制領(lǐng)域。西門子公司生產(chǎn)的 S7200小型 PLC 在我國工業(yè)控制方面有著廣泛的應(yīng)用 [4]。如果單從價(jià)位考慮，單片機(jī)控制最為便宜，但是在切紙機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中對(duì)可靠性要求較高，并且還要求有可擴(kuò)展的能力及通訊能力。恰恰 PLC 作為控制核心具有這些方面的優(yōu)點(diǎn)，所以成為最佳選擇。 本課題研究的意義 本課題研究是基于 PLC 控制的自動(dòng)切紙機(jī)的控制系統(tǒng)，通過步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)切紙機(jī)的自動(dòng)化控制，同時(shí)以組態(tài)畫面作為監(jiān)控系統(tǒng)。這樣就形成了控制及監(jiān)控一體化的機(jī)電控制產(chǎn)品。在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中生產(chǎn)效率決定了一個(gè)企業(yè)的生存能力，一個(gè)生產(chǎn)效率低下的企業(yè)必將被淘汰。 而且，輕巧、方便、快捷已經(jīng)越來越得到大眾的認(rèn)可。如今自動(dòng)化控制已經(jīng)深深的進(jìn)入了人們?cè)谏畹姆椒矫婷?。而自?dòng)切紙機(jī)恰好滿足了人們對(duì)生活用紙、工業(yè)用紙等各方面的需求。 自動(dòng)切紙機(jī)的產(chǎn)生代替了傳統(tǒng)的手工操作，大大的減少了人力、物力，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，改變了市場(chǎng)產(chǎn)品緊缺的現(xiàn)狀。從以前的小規(guī)模生產(chǎn)到大規(guī)模批量生產(chǎn)，這一切都離不開微電子技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展。步進(jìn)電機(jī)作為切紙機(jī)的動(dòng)力元件，大大增強(qiáng)了切紙機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。步進(jìn)電機(jī)是一種常用的電氣執(zhí)行元件，是一種將脈沖信號(hào)變化成直線或者角位移的 數(shù)字電磁執(zhí)行裝置。步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率也成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各組繞組的相序有關(guān)（步進(jìn)電機(jī)的頻率不能超過最高頻率，否則力矩迅速減小電機(jī)不轉(zhuǎn)）。步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無累積誤差、跟蹤性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)，廣泛用于數(shù)控加工設(shè)備、自動(dòng)生產(chǎn)線、自動(dòng)控制儀表、計(jì)算機(jī)及辦公室自動(dòng)化設(shè)備。 如今對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制通常采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的微處理器，通過一些大規(guī)模集成電路來實(shí)現(xiàn)脈沖輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。這種控制方法所需的周邊器件比較多，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可 靠性和處理速度有較大的影響。而采用 PLC 作為控制器，結(jié)合步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)組合的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，就可以大大的減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性和快速性。 現(xiàn)代 自動(dòng)化技術(shù)也離不開 模具制造工藝技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，內(nèi)容包括：概論、模具的機(jī)械加工、模具的特種加工、典型模具制造工藝、模具的裝配工藝、模具的使用與維修等 [5]。 可編程控制器經(jīng)過十幾年的發(fā)展，如今已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。它的連接不需要大量的活動(dòng)元件和電子元件連線，連線的減少有利于故障的減少且維修簡(jiǎn)單維修時(shí)間短。 PLC 采用冗長的設(shè)計(jì)，如斷電保護(hù)、 故障診斷、信息保護(hù)即恢復(fù)，大大的提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。 PLC 還有較高的易操作性，它是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制而專門設(shè)計(jì)的控制裝置，它具有比普通計(jì)算機(jī)控制更簡(jiǎn)單的編程語言和更可靠的硬件，它的編程簡(jiǎn)單，操作方便，維修簡(jiǎn)單，而且不容易發(fā)生操作和編程錯(cuò)誤。 PLC 的程序輸入可以直接顯示，若發(fā)現(xiàn)有誤，可以根據(jù)所需要的地址編號(hào)或者接點(diǎn)號(hào)進(jìn)行搜索，或者程序?qū)ふ也⑦M(jìn)行更改。根據(jù)其硬件和軟件的自診斷能力，維修人員可以很快的找到故障發(fā)生的部位。再者， PLC 采用的匯編語言有梯形圖、功能圖表、功能模塊和語句描述編程語言。編程方法的多樣性 是使編程變得簡(jiǎn)單且廣泛的應(yīng)用和擴(kuò)展。 加強(qiáng)了 機(jī)械傳動(dòng) 裝置設(shè)計(jì)方案的基本訓(xùn)練和設(shè)計(jì)方法 [6]。 以 PLC 為控制核心的自動(dòng)化控制系統(tǒng)一定會(huì)成為顯示社會(huì)發(fā)展 3 的主流。 綜上所述，研究基于 PLC 為控制核心的自動(dòng)切紙機(jī)的應(yīng)用更加變得切合實(shí)際而有意義。通過對(duì)一系列問題的剖析，提高對(duì)機(jī)電一體化知識(shí)的應(yīng)用能力，有機(jī)的將理論與實(shí)踐結(jié)合在一起 [7]。在 專業(yè)課程中必須掌握的知識(shí)、技能，由簡(jiǎn)到繁、由淺入深展開講解，這不僅使學(xué)生較系統(tǒng)地學(xué)習(xí)相應(yīng)的理論知識(shí)，還通過一些實(shí)例來介紹生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)既能學(xué)到電工基礎(chǔ)的知識(shí)，又 能與實(shí)際相結(jié)合，達(dá)到學(xué)以致用的目的 [8]。 4 第二章 切紙機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 切紙機(jī)控制系統(tǒng)的控制要求 （ 1） 監(jiān)控畫面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，指示燈顯示綠色，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，指示燈紅綠相間閃爍。當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 （ 2） PC 機(jī)和主站、從站之間采用 N:N 模式建立連接。 （ 3）紙張所設(shè)定規(guī)格為 50 毫米，要求達(dá)到一定數(shù)量自動(dòng)停止整個(gè)系統(tǒng)。 切紙機(jī)的加工工藝如下： （ 1）啟動(dòng)設(shè)備，切紙機(jī)導(dǎo)輥從造紙機(jī)上接到紙板傳到預(yù)想的位置； （ 2）導(dǎo)輥停止導(dǎo)紙， 當(dāng)紙板完全靜止在切紙機(jī)到預(yù)定的位置時(shí)，切刀開始切割，刀車運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)后，刀車電機(jī)與切刀電機(jī)停止； （ 3）導(dǎo)輥向接紙傳送切割完畢的紙板； （ 4）紙張傳送結(jié)束，切紙機(jī)導(dǎo)輥又恢復(fù)高速，等待造紙機(jī)下一副紙板的到來。刀車再由另一側(cè)向原方向運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行下一次的切割過程，如此反復(fù)。 切紙機(jī)控制的硬件選型 PLC 的類型選擇 可編程控制器簡(jiǎn)稱 PLC，它的種類很多，可以從不同的角度進(jìn)行分類。按照控制規(guī)模大致可分為微型機(jī)、小型機(jī)、中型機(jī)、大型機(jī)和特大型機(jī)。 微型機(jī)的控制點(diǎn)僅有十幾點(diǎn)， 比如德維森公司的 V80 系列 PLC 本體從 16 點(diǎn)到 40 點(diǎn)，西門子的 LOGO 僅 10 點(diǎn)。小型機(jī)控制點(diǎn)可達(dá) 100 多點(diǎn)，如 OMRON 公司的 C60P 可達(dá) 148點(diǎn)， CQM1 可達(dá) 256 點(diǎn)。而中型機(jī)的控制點(diǎn)可達(dá) 500 點(diǎn)以致幾千點(diǎn)，比如德國西門子公司的 S7300 機(jī)最多達(dá) 521 點(diǎn)等。大型機(jī)的控制點(diǎn)數(shù)一般在 1000 點(diǎn)以上，比如德維森公司的 PPC22 系列可擴(kuò)展到 2048 點(diǎn)， OMRON 公司的 C1000H、 CV1000，當(dāng)?shù)嘏渲每蛇_(dá) 1024 點(diǎn)，比如美國的 GE 公司的 9070 機(jī)，其控制點(diǎn)數(shù)可達(dá) 24000 點(diǎn)，另外還有 8000 路的模擬量。 按 照結(jié)構(gòu)，可編程控制器可分為模塊式和箱體式兩大類。模塊式是按照功能分為若干模塊，比如輸入模塊、輸出模塊、電源模塊等。模塊式功能單一，便于系統(tǒng)配置，使PLC 更能物盡其用，達(dá)到更高的使用效率。箱體式的 PLC 是把電源、 CPU、內(nèi)存、 I/O 系統(tǒng)都集中在一個(gè)小箱子內(nèi)。一個(gè)是主體箱，一個(gè)是擴(kuò)展箱。 目前市場(chǎng)上 PLC 的主流產(chǎn)品主要來自歐美日等國家。國內(nèi)的 PLC 生產(chǎn)廠家規(guī)模都不是太大，而且技術(shù)和機(jī)器性能和國外比起來有一定的差距。考慮到顯示條件的制約，我們采用三菱 FX 系列 PLC。三菱系列 PLC 對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力比較強(qiáng)，在惡劣的環(huán) 境下運(yùn)行也比較穩(wěn)定。其外部通信業(yè)比較簡(jiǎn)單。同時(shí)由于是利用 PLC 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，能提高高速脈沖，所以應(yīng)當(dāng)要選擇晶體管輸出型的。所以我們選擇 FX1N40MT，如圖 21 所示。 5 圖 21可編程控制器 步進(jìn)電機(jī)的的工作原理及分類 。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn) 子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無累積誤差、跟蹤性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控加工設(shè)備、自動(dòng)化生產(chǎn)