【正文】 根據分散控制、集中管理的原則， PLC 控制系統的 i／ o模塊將直接安裝在控制現場，通過通信電纜或光纖與主 CPU進行數據通信。 8．控制與管理功能一體化 為了滿足現代化大生產的控制與管理的需要， PLC 將廣泛采用計算機信息處理技術、網絡通信技術和圖形顯示技術，使 PLC 系統的生產控制功能和 信息管理功能融為一體。 2．智能分布式控制是可編程控制系統基于現場總線的新型控制思想。 6 5．通用性、高度專業(yè)化的融合是可編程控制系統的新特征。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、經濟的新型包裝機是市場的迫切 需求。為此，我們開發(fā)了“卷紙包裝機控制系統”，我在其中負責控制系統的研究與設計工作。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。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。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、各種包裝機上已經大量地采用了 PLC 來取代傳統的繼電器控制屏，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，則可以簡化機械結構，機械和電氣設計都可以得到簡化。通過對各種控制系統的分析比較，我們決定采用 PLC 控制系統。 2．卷紙包裝機各動作控制工藝的研究?？偨Y各機構的動作順序，將其用流程圖的形式表示出來，為實現高速全自 動運動控制做準備。 第二章 PLC 構成的包裝機控制系統的總體設計 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。在設計控制系統之前，首先得了解其生產工 藝。 工藝盤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。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。切好的紙片經整理后放入紙片庫中，等待推紙空心臺送紙片。 簡單的工藝流程如圖 21 所示。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。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。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。 10 2． 2可編程控制系統控制方案的設計 利用 PLC 可以構成多種控制系統：單機控制系統，集中控制系統，分散型控制系統和遠程 I／ O 控制系統。集中控制系統如圖 23 所示，每個被控制對象與可編程控制器指定 I／ O 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。單主機控制方式，對主機要求較高，危險相對集中。 圖 22 集中控制系統 PLC 作為一種控制設備，用它單獨構成一個控制系統是有局限性的，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。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。 1．手動：各工步都可單獨點動，按鈕釋放即停止運行； 11 2．單步：按下啟動按鈕，運行一個工步，到位即停。 4．自動：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)。 根據卷紙包裝機的實際運行情況，本系統采用自動運行和手動運行兩種方式?？删幊炭刂破鞯耐＿\方式有正常停運，暫時停運和緊急停運?三種。 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。 2． 4總體結構關系 在前面己經說明，本系統采用可編程控制器 (PLC)和工控機兩級控制的結構。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。 2． 4． 1控制系統主要器件的選擇 12 卷紙包裝機控制系統主要器件包括工控機 (另配顯示器 )、 PLC、變頻器等。工控機由一臺 500VA的不問斷電源 UPS 供電，保證報表數據的完整記錄。然后確定系統的規(guī)模、機型和配值。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。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。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SINECLANS 聯網的能力，適 用于高速的過程處理需要。除此之外，它自帶的 STEP7 編程軟件功能強大，使13 用方便，也使開發(fā)過程變得簡單快捷。根據 I/O點數的確定要按照實際點數再加 20％一 30％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(M8*12Bit)：可提供具有 12 位分辨率的總數為 16路的模數轉換通道； 2． 4個模擬量輸出模塊 SM332(AO4*12Bit)：可提供具有 12 位分辨率的總數為 16路的模數轉換通道； 3． 4個數字量輸入模塊 SM321(D132*24VDC)：可提供總數為 128 路的開關量輸入通道； 4． 3個數字量輸出模塊 SM322 D032*24VDC／ 0． 5A：可提供總數為 96 路的開關量輸出通道； 5．中央處理單元 CPU315— 2DP； 6．通訊處理器 CP343— 5 7．接口模塊 IM360 和 IM361。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)。 數字輸入模塊 SM321 向外提供電源，將位于現場的開關觸點的狀態(tài)經過14 光電隔離和濾波，將從過程傳輸來的外部數字信號轉化為內部 S7300 信號電平。 SM321 數字輸入模塊具有 32 位獨立的輸入點，用于連接開關或 2線接近開關 (BERO)。模塊的每個輸出點有一個綠色發(fā)光二極管 LED 顯示輸入狀態(tài)。 32 位數字輸出模塊 SM322D032*24DC／ 0． 5A 數字輸出模塊將 s7— 300的內部信號電平轉化為控制過程所需的外部信號電平。 SM322： D03224DC／ 0． 5A 屬于晶體管輸出方式的模塊，只能帶直流負載： 32 個輸出點，分成 8組； 0． 5A 的輸出電流；該模塊輸出具有短路保護功能，適用于連接電磁閥、接觸器、小功率電機燈和電機啟動器。模塊主要是由 A／ D轉換部件、模擬切換開關、補償電路、恒流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成。積分式 A／ D轉換的積分時間直接影響到 A／ D轉換時間和 A／ D轉換精度。 SM331 可選的積分時間有： 25ms， 167ms， 20ms和 l00ms。 S7— 300 的 CPU用 16 位的二進制補碼表示模擬量的值，其中最高位為符號位“ 0”表示正值，“ 1”表示負值。它用于不帶附加放大器的模擬執(zhí)行元件和傳感器，可以將擴展過程中的模擬信號轉化為 S7300 內部處理用的數字信號。即通過模擬切換開關，各個輸入通道按順序一個接一個轉換。循 環(huán)時間是對外部模擬信號的采樣間隔。 SM331 的每兩個輸入通道構成一個輸入通道組，可以按通道組任意選擇測量方法和測量范圍。模塊與 S7300CPU及負載電壓之間是光電隔離的。 電源模塊 PS307(5A)及其容量計算， PS307電源模塊的輸入接單相交流，輸入電壓為 120／ 230V、 50／ 60HZ；輸出電壓 24VDC，輸出電流 5A；在輸入和輸出之間有可靠的隔離。如果正常輸出額定電壓 24V，則綠色 LED 點亮；如輸出電路過載，則LED 閃爍；輸出電流長期在 5A到 7A之間時，輸出電出短路，則輸出電壓為 0V， LED 變暗，在短路消失后電壓自動恢復。如能把接地和屏蔽正確結合起來使用，可以解決大部分干擾問題。其選擇準則是電源模塊的輸出功率必須大于 CPU模塊與所有 I／ O 模塊之和，并且要有 30％左右的余量。 2． 5本章小結 本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。另外幾臺小功率輔助電機分別用于驅動開卷機構，切紙機構，送料機構，插紙板，夾鉗機械手等。工藝盤的轉動是由三相異步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，以壓縮空氣、氮氣推動氣缸，從而帶動機械結構移動來實現的。其控制部分則用一個1KW的變壓器 (TC2)將 380V 的電壓變?yōu)?220V，并且在輸出側分成五路，分別提供給工控機、 PLC、 PLC 輸入回路、 PLC 輸出回路和繼電器回路。在 QS1 前引出的一路電源是為了給空調器和照明燈供電用，因為它們屬于附屬設備，與控制無關所以從 QSl之前引出，以便在檢修時也不影響其正常使用。若所有的檢測和控制條件均有效，則按下啟動按鈕可使主電機輕載低速啟動，并在一定時間延遲后自動控制變頻器的高速運轉。 2．變頻器的運轉控制 變頻器的運轉控制主要有運轉啟動、速度自動設定、故障報警停機故障提示和解除故障狀態(tài)。當主機停下來時，送卷紙電機不應馬上停止，必須經過～段延時后再停，否則將會出現下紙道短時缺紙或紙道堵塞的現象，影響主電機的再次啟動。步進電機從靜止加速到工作轉速 (一般為每分鐘幾百轉 )需要 200～ 400 毫秒。因此我們選用交流伺服電機作為裝料機構的執(zhí)行電機。卷紙和包裝紙已進入該工位，電機帶動工藝盤繼續(xù)轉動，同時插紙板向前運動，托盤推桿和推紙空心臺退回原位。 19 圖 32 裝料工位控制線路圖 為了在正式工作前調整推紙空心臺和卷紙托盤推桿的位置，本線路設有操作選擇控制，由按鈕 SB2 和中間繼電器 KA 組成。推板位置調準后 ，按下 SB2 使 KA 得電，其常開觸點閉合，電動機的正反轉控制電路才能實現連續(xù)動作。 當工藝盤轉到 V3 或 v7 槽時，壓動行程開關 SOa，KTl 得電，當延時到，其常開觸點閉合，放紙空心臺和托盤推桿同時上升，重復上述操作， SQp為到工 位 1 時的行程開關，延時 150 毫秒后，工藝盤轉動，同時放紙空心臺和托盤推桿下降。 20 、旋轉、窩邊工位 2 如圖 3． 3所示，當到達 V2 或 V6 槽時，由該位的行程開關發(fā)出信號，央鉗機構軸向電機動作，打開氣缸電磁閥，使兩端的夾鉗機構沿軸向運動，到限位開關時，軸向運動停止，夾鉗機構徑向運動電磁閥打開，三個夾桿同時順著導軌徑向運動，當觸到抓緊開關時，抓緊動作結束。然后徑向電機反轉，夾緊裝置松開，同時軸向電機反轉，使夾鉗機構退回的原位。 21 3 當到達此工位時，由于已越過卷紙的支撐平臺，包裝好的卷紙由于重力作用，自動落入成品庫中。從放卷到切斷，包裝紙是連續(xù)的，當機器起動時，由上位機發(fā)出命令，主速節(jié)點的電機開始轉動，同時通知其它各節(jié)點開始協調動作，以保證各段包裝紙的線速度一致，從而使張力趨于穩(wěn)定，停機時同樣如此。當某一段張力出現允許范圍內的抖動時，系統也應該作出上述反應。機器運行過程中，一旦某個部分出現故障，其測控節(jié)點應將信息立即傳往上位機，上位機發(fā)出急停命令使下位機各節(jié)點同時對各自電機進行直流制動。而采取基于 PLC的自適應控制方法則可消除系統轉動慣量變化的影響，達到優(yōu)良的控制效果。包裝紙分切機是一種采用 調節(jié)輥的張力控制系統。工作時首先根據紙厚通過上位機設定所需張力，該張力是通過22 氣壓加至調節(jié) 輥上而產生的。是重力和氣壓力的合力，該力是一個恒定的力，調節(jié)輥所受到的向上的力則是包裝紙的張力 T1和 T2。分切機主傳動變頻器控制主傳動電機跟隨控制面板上速度電位器的設定值運動，放卷機變頻器及傳動電機的作用是控制包裝紙的放卷速度，使調節(jié)輥穩(wěn)定在平衡點附近，以 間接地控制張力。 PLC內部根據分切機主傳動的速度、調節(jié)輥的位置、以及放卷輥的直徑等數據，經運算得到并輸出放卷機變頻器的給定頻率，控制放卷機的運行。從而使調節(jié)輥保持在中間位置。角加速度推導可得： 在開卷中，必須使送材力均勻，張力取值范圍由該材料的工藝要求決定對于紙張的開卷張力一般為紙張的抗拉強度 (或由拉斷力換算 )的 20％左右， (拉斷