【正文】 80486一級。這樣PLC執(zhí)行指令的速度將達到納秒級。 （4）系統(tǒng)的開放性和兼容性 開放性和兼容性是不可分割的而且是相輔相成的概念。當今可編程控制產(chǎn)品種類繁多，加上自動化項目越來越大，致使常常在一個工程項目中出現(xiàn)不同廠家的產(chǎn)品做主從站的現(xiàn)象，這就要求每一廠家的產(chǎn)品族中，都要考慮到和其他廠家產(chǎn)品的兼容性問題；另一方面，可編程控制器與工業(yè)控制機等其他裝置的通信難易也體現(xiàn)了開放性的特點。 （5）通用性和專業(yè)化的結(jié)合 可編程控制產(chǎn)品是通用的。怎樣才能使一個系統(tǒng)既具有通用性又具備專業(yè)化呢?硬件系統(tǒng)的模塊化便是解決這一矛盾的鑰匙。常用的專用模塊包括：定位模塊、溫度測量模塊、高速采樣模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊等。硬件冗余的容錯技術(shù)將進一步得到應(yīng)用，不僅會有CPU單元冗余、通信單元冗余、電源單元冗余、1/0單元冗余、而且整個系統(tǒng)都會實現(xiàn)冗余。要保證整個系統(tǒng)的可靠運行，首先要求系統(tǒng)各單元的質(zhì)量要得到保證?？v觀各著名廠商，其PLC產(chǎn)品都有不同程度的冗余功能，而且發(fā)展越來越完善。這樣使控制更有效，系統(tǒng)更可靠。綜上所述，我們不難得出下面幾個結(jié)論：①工控機、計算機集散控制系統(tǒng)及PLC正在走著一條相互融合的道路。③系統(tǒng)的智能性將越來越重要，因此系統(tǒng)的分析運算能力將越來越強。⑤通用性、高度專業(yè)化的融合是可編程控制系統(tǒng)的新特征[3]。如電機的啟動與停止，電磁閥的開閉，工件的位置、速度、加速度的測定，產(chǎn)品的計數(shù)以及溫度、壓力、流量等物理量的設(shè)定和控制等等。這種控制方式雖然造價便宜，但卻存在許多致命的弱點：只適用于簡單的邏輯控制，僅適用某種控制項目，缺乏通用性，一旦要實現(xiàn)改動或者優(yōu)化，只能通過硬件的重新組合來實現(xiàn)。 PLC與繼電器控制系統(tǒng)的比較 繼電器控制是采用硬接線邏輯，利用繼電器觸點的串、并聯(lián)及時間繼電器的延遲動作來組成控制邏輯，其缺點是一個系統(tǒng)一旦確定就很難輕易再改動。而PLC是利用其內(nèi)部的存儲器以數(shù)據(jù)形式將控制邏輯存儲起來的，所以只要改變PLC內(nèi)存儲器的內(nèi)容，也就可以實現(xiàn)更改控制邏輯的目的。至于PLC對外部的聯(lián)系，只有I/O點，只要輸入輸出對象不變，就無須對硬接線作任何改動。工作頻率很低。對于復(fù)雜的控制，使用的繼電器越多，反應(yīng)就越慢。并且內(nèi)部有嚴格的同步，所以不會出現(xiàn)抖動的問題。由于時間繼電器是利用空氣阻力，半導(dǎo)體延時電路來實現(xiàn)延時的，所以其定時精度低，調(diào)整不方便。而PLC則是由晶體振蕩器所產(chǎn)生的脈沖經(jīng)多次分頻后得到的時基脈沖進行計數(shù)來定時的，精度一般高于10毫秒，只要根據(jù)需要由編程器送入時間常數(shù)即可實現(xiàn)定時時間的設(shè)定或更改?，F(xiàn)代的PLC一般都具有定時器和計數(shù)器功能。而PLC則采用了無觸點的電子電路來替代繼電器觸點，確切地說是用存貯器內(nèi)的數(shù)據(jù)來代替觸點，因此不存在上述缺點。PLC一般還具有步進控制指令，可以進行步進控制，而繼電器邏輯就比較困難。而PLC除了具有開關(guān)量控制功能外，有些功能較全的 PLC還具有A/D, D/A轉(zhuǎn)換裝置，可以用來對模擬量進行控制。 PLC與單片機控制系統(tǒng)比較 雖然單片機的配置較微機系統(tǒng)簡單，成本也較易接受，但它仍然不是為工業(yè)控制而設(shè)計的。盡管其有較強的數(shù)據(jù)處理能力，但工業(yè)控制都為開關(guān)量控制，所以其長處仍得不到發(fā)揮。因此，它具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。用單片機作控制部件在成本方面具有優(yōu)勢。雖然PLC也有必不可少的軟件開發(fā)過程，但兩者所用的語言差別很大，單片機主要使用匯編語言開發(fā)軟件。前者復(fù)雜而易出錯，開發(fā)周期長。 單片機控制系統(tǒng)僅適用于較簡單的自動化項目。一般說來單片機或單片機系統(tǒng)的應(yīng)用只是為某個特定的產(chǎn)品服務(wù)的。 PLC與計算機控制系統(tǒng)的比較 PLC是專為工業(yè)控制所設(shè)計的。此外，使用面向工業(yè)控制的專用語言而使編程及修改方便。而微機系統(tǒng)則不具備上述特點，一般對運行環(huán)境要求苛刻，使用高級語言編程，要求使用者有相當水平的計算機硬件和軟件知識。因此PLC顯然較微機系統(tǒng)更適合于工業(yè)控制。而集散控制系統(tǒng)DCS（Distribution Control System）是由回路儀表控制系統(tǒng)發(fā)展起來的分布式控制系統(tǒng)，它在模擬量處理，回路調(diào)節(jié)等方面有一定的優(yōu)勢。并開始與小型計算機聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了以PLC為重要部件的分布式控制系統(tǒng)。由于以上的原因，可以預(yù)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。尤其是對生產(chǎn)流水線、動作復(fù)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(nèi)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。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)濟的新型包裝機是市場的迫切需求。為此，我選擇了關(guān)于卷紙包裝機控制系統(tǒng)設(shè)計的課題。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)部的輔助繼電器進行編程后來取代。一般的PLC都有上百點內(nèi)部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進行編程。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。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。如果能用PLC來取代的話，則可以簡化機械結(jié)構(gòu)，機械和電氣設(shè)計都可以得到簡化[6]。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)。 （2）卷紙包裝機各動作控制工藝的研究。總結(jié)各機構(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備。 設(shè)計的安排 本設(shè)計共分六章。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(shè)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。第四章主要是對控制系統(tǒng)的供電線路及包裝機各工位元件的設(shè)計。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。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。在設(shè)計控制系統(tǒng)之前，首先得了解其生產(chǎn)工藝。包裝紙按照卷筒的形式安裝在原料架上方，一旦上位機釋放命令，放卷電機開始動作，放卷開始。切紙機構(gòu)用的是交流變頻調(diào)速電機，帶動一個凸輪旋轉(zhuǎn)，進而帶動切斷刀上下進行運動，在凸輪上放置一個位置傳感器，當凸輪轉(zhuǎn)到某一固定位置時，切刀開始向上運動，二刀分離，當出現(xiàn)色標信號時，刀又開始向下進行運動。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。包裝過程依靠包裝工藝盤及其輔助機構(gòu)來實現(xiàn)。工藝盤的轉(zhuǎn)動是借助交流電機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)行機構(gòu)動作的。原包裝紙防卷切紙 紙片空心臺紙片庫 工位3工位2工位1 V型槽 紙片整理 托紙盤 卷紙庫 卷紙包裝工藝流程圖 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)。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度變化后夾鉗機構(gòu)軸接著向前運動，完成窩邊后，這個機構(gòu)就向后運動。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?？删幊炭刂破魈囟↖/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。打印報表等功能在PLC中無法實現(xiàn)。上位機的功能是對數(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、預(yù)判限值或報警信號，根據(jù)實時需要打印報表。 （1）手動：每道工序都單獨運作，按開關(guān)按鈕即可控制。又按開始鍵，就是下一道工序的運作。（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)。從卷紙包裝機的實際出發(fā)，自動運行和手動運行是我們最佳選擇[7]。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。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的運作，指示燈的顯示也得到了控制工控機的作用是參數(shù)的修改和設(shè)置、全自動控制、在線監(jiān)督、輸送信號。 控制系統(tǒng)主要器件的選擇 工控機、PLC、變頻器是卷紙包裝機控制系統(tǒng)的主要零件。達到報表數(shù)據(jù)完善性。這樣才可以明確系統(tǒng)的機型，規(guī)模，與配值。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。根據(jù)I/0點數(shù)的確定要按照實際點數(shù)再加20Yo30%的備用量及其特性，配置了如下的模塊： （1）2個模擬量輸入模塊SM331為16路的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道； （2）4個模擬量輸出模塊SM332為16路的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道； （3）4個數(shù)字量輸入模塊SM321為輸入通道； （4）3個數(shù)字量輸出模塊SM322關(guān)量輸出通道； （5）中央處理單元CPU3152DP； （6）通訊處理器CP3435； （7）接口模塊IM360和IM361。另外，還有一個艱巨任務(wù)就是收集工控機的控制命令，達到全自動包裝循環(huán)的效果。這個系列的變頻器控制和動態(tài)感應(yīng)度都很好。完善了各種各樣控制工程的需求。MICROMASTER 440系列變頻器作用穩(wěn)定，可以適合各類環(huán)境的應(yīng)用需求[9，10]。配備數(shù)臺小型電機依次輔助驅(qū)動提供動力源，切紙機構(gòu)，送料機構(gòu)，插紙板，拿放操作手等[11]。工藝盤的轉(zhuǎn)動的動力源由三相異步電機用皮帶傳動提供的，電磁發(fā)給各道工序帶來外加的動力轉(zhuǎn)向從而帶動機械結(jié)構(gòu)移動來完成的。（TC2）將380V的電壓變?yōu)?20V，還要分5條回路輸出，依次向工控機、PLC, PLC輸入回路、PLC輸出回路與繼電器回路輸送電源。在QS1前導(dǎo)出的一路電源的目的是給空調(diào)器與照明燈提供電源，由于它們都是屬于附屬設(shè)備，和控制無關(guān)，因此可以從QS1之前引出，為了在檢修時也不干涉它的正常運作[12]。步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要的時間大約為200400毫秒。因此我們選用交流伺服電機作為裝料機構(gòu)的執(zhí)行電機。卷紙與包裝紙已進入這一工位，電機帶動工藝盤繼續(xù)不停轉(zhuǎn)動，與此同時插紙板向前作運動，托盤推桿以及推紙空心臺退到原來位置。 為了能夠在正式工作開始前合理調(diào)整推紙空心臺與卷紙托盤推桿的位置，本線路設(shè)置的有操作選擇控制，由按鈕SB2以及中間繼電器KA構(gòu)成。推板位置調(diào)準后，按下SB2使KA得電，其常開觸點閉合，電動機的正反轉(zhuǎn)控制電路才可以實現(xiàn)連續(xù)的動作。當工藝盤轉(zhuǎn)到V3或V7槽時，壓動行程開關(guān)SQa,，KT1得電，當延時到，其常開觸點閉合，放紙空心臺與托盤推桿一起往上升起，重復(fù)以上操作，SQp為到工位1時的行程開關(guān)，延時150毫秒之后，工藝盤開始轉(zhuǎn)動，同時放紙空心臺與托盤推桿開始下降。 KMF得電自鎖，推紙空心臺上升 當壓動SQb KMF失電，上升停止 先按SBF KM得電自鎖，托盤推桿上升 當壓動SQc KM失電，上升停止 夾鉗抓緊、旋轉(zhuǎn)與窩邊工位2 ，當運行到V2和V6槽的時候，先是由這一位的行程開關(guān)釋放信號，夾鉗機構(gòu)軸向電機開始動作，此時打開氣缸的電磁閥，讓兩邊的夾鉗機構(gòu)能夠沿軸進行運動，到達限位開關(guān)時，軸向運動便停止，夾鉗機構(gòu)徑向運動電磁閥打開，三個夾桿一起沿著導(dǎo)軌作徑向運動，當?shù)竭_抓緊開關(guān)時，抓緊動作正式結(jié)束。接著徑向電機反轉(zhuǎn)，同時松開夾緊裝置，軸向電機進行反轉(zhuǎn)，讓夾鉗機構(gòu)退回到原來位置。如此自動循環(huán)。 放卷、分切部分的張力控制 卷紙包裝機有一套傳動系統(tǒng)，包括放卷，切斷，每個部分由一臺電動機帶動。在升降速過程中，主速節(jié)點必須發(fā)送升降速標志給其它各節(jié)點，使他們在控制各自張力時作出相應(yīng)的補償，這個過程要求響應(yīng)快。由主速節(jié)點測量到的包裝紙線速度必須實時傳到放卷節(jié)點，當某一軸上的包裝紙即將放完時，該部分的另一軸應(yīng)該提前轉(zhuǎn)動起來，并且線速度和主速節(jié)點傳過來的速度值保持一致，這樣才能實現(xiàn)無速度差轉(zhuǎn)接，以減少廢料。 在分切的過程中，由于放卷輥上包裝紙的直徑越放越小，放卷機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量的變化范圍很大，采用一般的控制方法難以取得滿意的控制效果。