基于plc的高速全自动包装机本科毕业论文(编辑修改稿)

基于plc的高速全自动包装机本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

SM322D032*24DC／ 0． 5A 数字输出模块将 s7— 300的内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平。 按负载回路使用的电源不同分为：直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块。 SM322： D03224DC／ 0． 5A 属于晶体管输出方式的模块，只能带直流负载： 32 个输出点，分成 8组； 0． 5A 的输出电流；该模块输出具有短路保护功能，适用于连接电磁阀、接触器、小功率电机灯和电机启动器。 8路 12 位分辨率模拟量输入 模块 SM331： A18*12Bit是 8通道的模拟量输入模块，在系统中用于输入主传动电机转速、放卷机转速、放卷辊直径等的测量值。 模块主要是由 A／ D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。 A／ D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法。 积分式 A／ D转换的积分时间直接影响到 A／ D转换时间和 A／ D转换精度。 积分时间越长，被测值的精度越高。 SM331 可选的积分时间有： 25ms， 167ms， 20ms和 l00ms。 在我国为了抑制工频及谐波干扰，一般选用 20ms的积分时间，相应精度为 12 位。 S7— 300 的 CPU用 16 位的二进制补码表示模拟量的值，其中最高位为符号位“ 0”表示正值，“ 1”表示负值。 S7300 模拟输入模块的输入测量值范围很宽，可直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号。 它用于不带附加放大器的模拟执行元件和传感器，可以将扩展过程中的模拟信号转化为 S7300 内部处理用的数字信号。 SM331 的 8 个模拟量输入通道共用一个积分式 A／ D转换部件。 即通过模拟切换开关，各个输入通道按顺序一个接一个转换。 某一通道从开始转换模拟量输入值起，一直持续到再次开始15 转换的时间称为输入模块的循环时间。 循 环时间是对外部模拟信号的采样间隔。 对于一个积分时间设定为 20ms， 8个输入通道都接有外部信号且都需断线监视的 SM331，其循环时间为 (22+10． 8=256ms。 SM331 的每两个输入通道构成一个输入通道组，可以按通道组任意选择测量方法和测量范围。 模块上需接 24VDC 的负载电压 L+，有反接保护功能。 模块与 S7300CPU及负载电压之间是光电隔离的。 另外，为了使模拟量输入模块获得最佳的抗干扰性能，可以将不使用的通道与 M短接。 电源模块 PS307(5A)及其容量计算， PS307电源模块的输入接单相交流，输入电压为 120／ 230V、 50／ 60HZ；输出电压 24VDC，输出电流 5A；在输入和输出之间有可靠的隔离。 电源输出指示器用一个 LED 指示 24 伏直流输出。 如果正常输出额定电压 24V，则绿色 LED 点亮；如输出电路过载，则LED 闪烁；输出电流长期在 5A到 7A之间时，输出电出短路，则输出电压为 0V， LED 变暗，在短路消失后电压自动恢复。 在实时控制系统中，接地是抑制干扰使系统可靠工作的主要办法。 如能把接地和屏蔽正确结合起来使用，可以解决大部分干扰问题。 在确定所有的模块并组建 S7300 系统时要选择合适的 电源模块。 其选择准则是电源模块的输出功率必须大于 CPU模块与所有 I／ O 模块之和，并且要有 30％左右的余量。 故在设计系统时卷纸包装机控制系统中主要的传感器以开关量提供给PLC，作为操作决策的依据，这些开关输入量有： 1． 上位机启动信号： 2． 色标信号 3． 产品供送信号 4． 纸片上行程开关 5． 纸球上行程开关 6． 工艺盘到达 3工位的行程开关 7． 送料机、皮带、推纸机的自动停用和工作信号 8． 皮带、电磁阀等的电源信号等 PLC 的控制输出大多是一些开关输出信号，如送料机、工艺盘电机， 皮16 带的启动等，这些信号经功率放大驱动对应的包装执行机构。 2． 5本章小结 本章分析了卷纸包装机工艺流程和包装各动作的时序及包装机速度的影响因素及提高方法，设计了包装机控制系统的控制方案、运行方式及硬件的选择和组态，并详细介绍了组态的各模块。 第三章 电控系统电路及各功能模块的设计 卷纸包装机用三相异步电动机驱动，由专用的变频器电源供电，转速通过变频调速实现。 另外几台小功率辅助电机分别用于驱动开卷机构，切纸机构，送料机构，插纸板，夹钳机械手等。 对于该包装机的控制系统，主要有原包装纸放料 过程中的张力控制，送料过程中的同步控制，包装过程控制等。 工艺盘的转动是由三相异步电机通过皮带传动带动的，各加工工位的动作是通过顺序逻辑控制电磁阀，以压缩空气、氮气推动气缸，从而带动机械结构移动来实现的。 17 3． 1供电线路 图 31 供电线路 如图 3— 1所示，三相电源由滑线引入电气柜中，经由一个总进线空气开关 (OS1)后供给系统的控制回路及电机主电路部分。 其控制部分则用一个1KW的变压器 (TC2)将 380V 的电压变为 220V，并且在输出侧分成五路，分别提供给工控机、 PLC、 PLC 输入回路、 PLC 输出回路和继电器回路。 这样便于将故障分散，并且有利于调试和检修。 在 QS1 前引出的一路电源是为了给空调器和照明灯供电用，因为它们属于附属设备，与控制无关所以从 QSl之前引出，以便在检修时也不影响其正常使用。 1．主电机的启动控制 主电机启动前，主操纵离合器应处于拉开状态，确保主电机轻载启动。 若所有的检测和控制条件均有效，则按下启动按钮可使主电机轻载低速启动，并在一定时间延迟后自动控制变频器的高速运转。 若机器出现故障，则应立即切断电源，并且进行机械制动，确保机器的安全。 2．变频器的运转控制 变频器的运转控制主要有运转启动、速度自动设定、故障报警停机故障提示和解除故障状态。 3．送卷纸电机的控制 18 在主电机启动后，送纸电机应自动运转，保证下纸道中有充足的卷纸供推纸板使用，并且要求在 JS3 传感器 (检测推纸板是推还是退 )的控制下有高低速自动切换功能。 当主机停下来时，送卷纸电机不应马上停止，必须经过～段延时后再停，否则将会出现下纸道短时缺纸或纸道堵塞的现象，影响主电机的再次启动。 3． 2主要控制功能模块的设计 1 要达到高速包装，纸片和纸球需要快速地送到 1工位，因此就必须考虑电机的速度响应性。 步进电机从静止加速到工作转速 (一般为每分钟几百转 )需要 200～ 400 毫秒。 交流伺服系统的加速性能较好，以松下 MSMA400w交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速 3000RPM 仅需几毫秒，可用 于要求快速启停的控制场合。 因此我们选用交流伺服电机作为装料机构的执行电机。 在这个工位上，推纸空心台推动已切好的包装纸片，托盘推杆推动纸球同时以相同的速度前进，当压到纸片到位行程开关时，推纸空心板停止，当压到托盘到位行程开关时，托盘停止。 卷纸和包装纸已进入该工位，电机带动工艺盘继续转动，同时插纸板向前运动，托盘推杆和推纸空心台退回原位。 包装纸推纸空心台和 卷纸托盘推杆要 自动往返于工艺盘和地面之间以完成送料动作，其控制线路如图 3— 2所示。 19 图 32 装料工位控制线路图 为了在正式工作前调整推纸空心台和卷纸托盘推杆的位置，本线路设有操作选择控制，由按钮 SB2 和中间继电器 KA 组成。 若要调整他们的位置，就不能按选择按钮 SB2，这样 KA 不得电其常开触点断开，电动机正反转控制电路只能完成点动控制。 推板位置调准后 ，按下 SB2 使 KA 得电，其常开触点闭合，电动机的正反转控制电路才能实现连续动作。 工艺盘的底部装有行程开关 SQa， SQb， SQc， SQp，包装机底部装有行程开关 SQd， SQg(推板处在装料位 )， 当 KT2 延时到，即在 1 工位装料完成时， KT2 常开触点闭合， KMd，KMr得电并互锁，两电机反转，推纸空心台和托盘推杆同时下降，分别压动SQd、 SOg时，下降停止。 当工艺盘转到 V3 或 v7 槽时，压动行程开关 SOa，KTl 得电，当延时到，其常开触点闭合，放纸空心台和托盘推杆同时上升，重复上述操作， SQp为到工 位 1 时的行程开关，延时 150 毫秒后，工艺盘转动，同时放纸空心台和托盘推杆下降。 SQa为到工位 2时的行程开关，当到达此处时，发出进料信号，放纸空心台和托盘推杆上升。 20 、旋转、窝边工位 2 如图 3． 3所示，当到达 V2 或 V6 槽时，由该位的行程开关发出信号，央钳机构轴向电机动作，打开气缸电磁阀，使两端的夹钳机构沿轴向运动，到限位开关时，轴向运动停止，夹钳机构径向运动电磁阀打开，三个夹杆同时顺着导轨径向运动，当触到抓紧开关时，抓紧动作结束。 延时 50ms，在此时问段中，主电机带动该机构轴旋转 90 度，延时结束，轴向电机继续动作，完成窝边动作。 然后径向电机反转，夹紧装置松开，同时轴向电机反转，使夹钳机构退回的原位。 按下 SBl， KA 得电， KMr2 得电， M2 正转，轴向电机前进，前进到位 夹紧结束松开 SBl， KA断电， KMrl通电， M1 反转 (放松 )，放松到位，如此自动循环。 21 3 当到达此工位时，由于已越过卷纸的支撑平台，包装好的卷纸由于重力作用，自动落入成品库中。 3． 3放卷、分切部分的张力控制 卷纸包装机有一套传动系统，包括放卷，切断，每个部分由一台电动机带 动。 从放卷到切断，包装纸是连续的，当机器起动时，由上位机发出命令，主速节点的电机开始转动，同时通知其它各节点开始协调动作，以保证各段包装纸的线速度一致，从而使张力趋于稳定，停机时同样如此。 在升降速过程中，主速节点必须发送升降速标志给其它各节点，使他们在控制各自张力时作出相应的补偿，这个过程要求响应快。 当某一段张力出现允许范围内的抖动时，系统也应该作出上述反应。 由主速节点测量到的包装纸线速度必须实时传到放卷节点，当某一轴上的包装纸即将放完时，该部分的另一轴应该提前转动起来，并且线速度和主速节点传过来的速度值保 持一致，这样才能实现无速度差转接，以减少废料。 机器运行过程中，一旦某个部分出现故障，其测控节点应将信息立即传往上位机，上位机发出急停命令使下位机各节点同时对各自电机进行直流制动。 在分切的过程中，由于放卷辊上包装纸的直径越放越小，放卷机系统的转动惯量的变化范围很大，采用一般的控制方法难以取得满意的控制效果。 而采取基于 PLC的自适应控制方法则可消除系统转动惯量变化的影响，达到优良的控制效果。 在分切时，为了使包装纸平整、伏贴，必须使包装纸保持一定的张力。 包装纸分切机是一种采用 调节辊的张力控制系统。 其放卷机控制系统原理如图 3— 4所示。 工作时首先根据纸厚通过上位机设定所需张力，该张力是通过22 气压加至调节 辊上而产生的。 由于调节辊所受到的向下的力 F。 是重力和气压力的合力，该力是一个恒定的力，调节辊所受到的向上的力则是包装纸的张力 T1和 T2。 因此，只要调节辊处于静止或匀速运动状态，包装纸的张力就是该恒定力的一半，亦即张力亦是一个恒定的力。 分切机主传动变频器控制主传动电机跟随控制面板上速度电位器的设定值运动，放卷机变频器及传动电机的作用是控制包装纸的放卷速度，使调节辊稳定在平衡点附近，以 间接地控制张力。 调节辊的位置通过电位器检出 后送 PLC，放卷辊的直径通过超声波测距仪检出后送 PLC。 PLC内部根据分切机主传动的速度、调节辊的位置、以及放卷辊的直径等数据，经运算得到并输出放卷机变频器的给定频率，控制放卷机的运行。 使其线速度与分切机的线速度同步。 从而使调节辊保持在中间位置。 放卷部分恒张力控制的变化是由于原卷材半径的变化，造成放卷电机转矩的变化，根据放卷半径的检测方法，以放卷筒为研究对象，根据图 35受力关系，建动态力矩平衡方程： 23 为轴承的摩擦系数， R为轴承半径， N 为轴上总重量 (包括卷材重量 )， Mo空载转矩由电机冷却风扇的空气阻力损耗等构成。 角加速度推导可得： 在开卷中，必须使送材力均匀，张力取值范围由该材料的工艺要求决定对于纸张的开卷张力一般为纸张的抗拉强度 (或由拉断力换算 )的 20％左右， (拉断24 力可由实验测得 )。 则由上式可求得发电机阻力矩 Mi。 又根据发电机原理 1)基本控制思想 由于带膜放卷辊的直径变化范围很大，放卷辊的转动惯量变化范围很大，亦即控制对象的参数变化范围很大，若控制器采用定参数的 PID调节方 法必定得不到满意的控制效果。 因此系统中采用了自适应控制原理。 y(t)_参数模型输出。