基于plc高速全自动包装机的控制系统应用全套设计

基于plc高速全自动包装机的控制系统应用全套设计内容摘要：

展趋势及其在包装机械上应用 的可能性及前景，分析了 PLC 控制系统与其他控制系统的区别，介绍了本课题的研究内容。 第二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。 第三章主要对控制系统的供电线路及包装各工位的电气图进行设计，并根据放卷分切部分的受力分析，建立模型，然后依据自适应控制原理设计和实现了张力控制，同时也实现了送料过程中的同步控制并绘出了电路图。 第四章根据 PLC 原理用 SIEMENS 的 STEP7 设计包装机的软件。 下面就具体结合卷纸包装机电控系统的实际来看一下它的应用。 这里需要说明的是，正如前面所提到的那样，可编程控制技术并非单纯是指 PLC 本身，而是包括其在内的一系列自动化控制产品和技术的应用。 本系统在电气控制部分设计时，充分考虑到用户的功能需求和与本系统机械部分的配合需求，在具体实现的过程中，又以系统的可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于使用的包装机设备。 在设计控制系统之前，首先得了解其生产工艺。 第 １３ 页 共 42 页 第二章卷纸包装机控制系统的总体设计 第一章介绍了可编程控制技术的一些概要 情况，下面就具体结合卷纸包装机电控系统的实际来看一下它的应用。 这里需要说明的是，正如前面所提到的那样，可编程控制技术并非单纯是指 PLC 本身，而是包括其在内的一系列自动化控制产品和技术的应用。 本系统在电气控制部分设计时，充分考虑到用户的功能需求和与本系统机械部分的配合需求，在具体实现的过程中，又以系统的可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于使用的包装机设备。 在设计控制系统之前，首先得了解其生产工艺。 卷纸包装机生产工艺概述 卷纸包装机主要功能是将来自卷纸库的卷纸以 每分钟 60 个的速率包装成合格的卫生卷筒纸。 简单的工艺流程如图 21 所示。 包装纸以卷筒的形式放在原料架上，当上位机发出命令时，放卷电机动作，开始放卷。 放卷到一定长度 (长度由色标来检测 )时，通过色标信号向切纸机构发出指令。 切纸机构采用交流变频调速电机，带动一个凸轮旋转，以带动切断刀上下运动，在凸轮上安装一个位置传感器，当凸轮转到某一位置时，切刀向上运动，二刀分离，当有色标信号时，刀又向下运动。 切刀上、下的工作频率可由变频调速电机来调整，操作简便。 切好的纸片经整理后放入纸片库中，等待推纸空心台送纸片。 同时卷纸库的卷纸经过整理等待托盘推杆送卷纸球。 包装过程通过包装工艺盘及其辅助机构来实现。 包装工艺盘共有八个 V形槽三个加工工位，当包装纸和待包装的卷筒纸放入槽中后，由工艺盘载着其转动，依次送入各加工工位。 工艺盘的转动是由交流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进而带动执行机构动作的。 工件从 1 号工位装入。 在 2 号工位由夹钳机构完成前进，抓紧，旋转，窝边的动作，同时分别向托盘和推纸空心台发出送纸球和送纸片信号。 在 3 号工位，包装好的产品由于重力作用落入成品库。 第 １４ 页 共 42 页 由于这是一个典型的顺 序控制⒂，利用移位寄存器操作最为方便。 设定一个 8 位移位寄存器，每位移位寄存器相应于一个 V 形槽，每 120ms 移位一次，控制相应的操作。 当到 2 号工位时发出上料信号，推纸空心台推动纸片 (其总的上升时间大于490ms 小于 640ms)，托盘推动纸球 (其总的上升时间略小于 640ms)同时以相同的速度前进，当工艺盘 V 形槽到达第一工位时，工艺盘停止，在此延时 150ms，待放纸空心台压到纸片到位行程开关，停止，托盘压到托盘到位行程开关，托盘停止，完成了上料操作，当延时到，托盘和放纸空心台后退，同时，插纸板前进，托住纸球与工艺盘一同运动。 当到达 2 号工位时，工艺盘停止，延时 250ms,同时发出上料信号，在此时段内，插纸板在工艺盘停止后也相继停止，但由于惯性，会使包装纸带着纸球旋转一个较小的角度，使包装纸能完全包住纸球，然后再后退，同时夹钳机构轴向运动，碰到限位开关时，轴向运动停止，而三个夹杆同时径向运动，抓紧包装纸的两端，当碰到抓紧限位开关时，夹钳机构轴旋转 90 度后继续向前移动，进行窝边。 窝边到位，该机构就后退。 到达 3 号工位时，成品落下，完成一次包装，这样如此循环，直到发出停止信号。 从图 22 的时序图分析，包装一个卫生卷纸只需 880ms，可为什么在 1分钟内却只能包 60 个啦，这里还有个 PLC 扫描周期的问题，本包装程序中 PLC 扫描周期为 120 ms。 卷纸包装机速度影响的分析和提高 随着中国改革开放与 WTO 的加入，中国的工业正向高速化、流水化发展，而中国的传统包装业以手动与半自动为主，大大阻碍了高速化发展。 目前国外已有卷纸包装机，而且速度已经达到 120 个 /分，而我们国家的卷纸包装还是半自动甚至有的小作坊还是手动操作，平均包装速度仅仅能达 20 个 /分。 如果引进国外产品，除了价格昂贵外而且也不利于本国的发展。 因此研制高速包装机 已成为社会发展的必然。 第 １５ 页 共 42 页 为了满足厂方的要求，本设计的高速卷纸包装机包装能力要求达到 60 个 /Min。 我们知道包装机速度越高，要求稳定性和可靠性愈强。 这就要求包装材料供送速度快、精度高、定位准确，包装材料质量标准要符合规格，停机率低，以减少包装材料损耗，且包装材料的装卸都要自动化等。 一 . 影响卷纸包装机高速化的包装材料的性质有： (拉 )强度要大 在高速包装机中，包装材料运动的线速度可达 500m / min 以上，同时包装机都是间歇式运动，材料直径大，材料运动惯性力大，所以应具有 足够的抗拉强度，防止被拉断。 在现行的卷纸包装机材料供送机构中可通过增加冲击力缓冲装置来解决。 包装材料在运行中，由于卷筒直径大、包装运行速度大，使之受到很大的拉力和惯性冲击力，易造成包装材料拉伸，影响包装纸定位准确性，所以材料的伸缩性要小，以保证包装机工作的可靠性和包装质量。 卷筒包装材料在卷曲和使用过程中，易产生静电。 当包装材料按定长切断后，在移送过程中，一旦发生静电粘附时；就需马上停机，所以静电性越小越好。 二 .机械结构的影响。 传统的包装机 在包装材料切断后迅速离开的办法是用不等速机构。 常见的不等速机构有 :偏心链轮机构，偏置曲柄导杆机构，凸轮、齿轮组合机构，凸轮一四连杆组合不等速转动机构以及非圆齿轮机构等。 由于偏心链轮机构的变速范围有限，结构复杂，高速时易引起链条的跳动，而且传递的力不易过大，因此它只适合于一些速度不太高、传递的力不太大的小袋包装机。 而凸轮齿轮组合机构，凸轮一四连杆组合机构因结构复杂，调整不方便，运动冲击又大，因此不常用。 其中偏置曲柄导杆机构是目前高速包装机中应用较多的一种不等速机构。 它的结构比较简单，加工方 便，调节容易，成本低。 但体积比较大，调整环节比较长。 传动过程中，传动角 Y 不等于 90 度，因此传力特性不太好。 当速度超过 300r/ min 时，整个机构的动力性能变坏，动载振动和动平衡较难解决。 在设计中我们利用控制精度高，动态响应快的 6SE70 系列变频器及其配套电机来替代不等速机构，从而达到变速的目的，且使包装机结构紧凑，惯性小。 在包装过程中，通过严格的时序分析，知道要达到要求的速度，电机的启动、停止的时间一定要快，也就是电机的响应速度要快。 一般的步进电机从上升到运行平稳第 １６ 页 共 42 页 的时间约需 200400ms，达不到 120 ms的要求。 通过各种资料的查询，发现松下 MSMA 400W 交流伺服电机从静止加速到其额定转速 3000RPM 仅需几毫秒。 因此，我们在要求快速启停的控制场合⒃，利用松下 MSMA400W 交流伺服电机作为执行电机。 整个控制系统以西门子 S7300 系列 PLC 作为基础，其扫描速度在其他工业控制系统中处于领先地位，每 1000 条指令约需 0. 3 ms。 通过材料，机械，电气的综合考虑，我们的设计达到了预期目标，且在实验室也调试成功。 可编程控制系统控制方案的设计 利用 PLC 可以构成多种控 制系统 :单机控制系统，集中控制系统，分散型控制系统和远程 I/0 控制系统⑺。 由于卷纸包装机控制对象较多，有放卷分切中的张力控制，包装过程控制，送料过程中的同步控制，且被控对象比较集中，因此我们采取集中控制系统方案。 集中控制系统如图 23 所示，每个被控制对象与可编程控制器指定 I/0相连接，因此各被控对象之间的数据、状态的变换不需要另外设置专门的信号线路。 该控制系统多用于控制对象所处的地理位置比较接近，且相互之间的动作有一定联系的场合。 单主机控制方式，对主机要求较高，危险相对集中。 远程 I/0 控制系统的控制结构比较 独特，类似于集中控制系统，又具有分散型控制系统的特点，经常用于控制规模中等，控制对象比较分散、工程费用较低的场合。 PLC 作为一种控制设备，用它单独构成一个控制系统是有局限性的，主要是无法进行复杂运算，无法显示各种实时图形和保存大量历史数据，也不能显示汉字和打印汉字报表，没有良好的界面。 这些不足，我们选用上位机来弥补。 上位机完成监测数据的存贮、处理与输出，以图形或表格形式对现场进行动态模拟显示、分析限值或报警信息，驱动打印机实时打印各种图表。 为提高 PLC 及系统的抗干扰能力，在硬件配置 与安装上，交流电源使用双层隔离，输入信号光电隔离，远离强电布线，模拟量信号和脉冲信号采用屏蔽线传递，采用放射性一点接地等措施，消除或减弱共模和瞬变干扰。 在软件设计和编程上，加上一些抗干扰模块。 第 １７ 页 共 42 页 运行方式分为手动、单步、周期及自动等四种操作方式⑻。 ：各工步都可单独点动，按钮释放即停止运行； ：按下启动按钮，运行一个工步，到位即停。 再按启动，则进入下一工步运行； ：从初始位置开始，按启动按钮，程序自动完成一个周期的动作后返回第一步开始位置停止。 ：按启 动按钮，程序完成一个周期的动作后又接着从第一步开始运行，自动循环。 在自动方式下，中途若按下复位按钮，则系统要继续运行到第一步开始位置才停止；若按下停止按钮，则运行立即停止，此时若再按启动，系统即从该位置运行到第一步开始处停止。 根据卷纸包装机的实际运行情况，本系统采用自动运行和手动运行两种方式。 与运行方式的设计相对应，还必须考虑停止运行方式的设计。 可编程控制器的停运方式有正常停运，暂时停运和紧急停运⑼三种。 根据控制系统要求，由于包装机运行期间采用循环工作方式，只有在工作结束或接收到操作人员的停止运行指令或设 备出现故障或异常情况时才停止，因此本系统采用硬件切断电源，使系统立即停车。 包装机控制功能要求 ： 手动运行 可以用按钮对包装机的各个部分进行单独控制，主要用于故障 恢复与检修 全自动运行 按下启动按钮，系统即可连续、协调、周期性地循环完成各包装动作，直到系统接收到停止运行信号。 总体结构关系 在前面己经说明，本系统采用可编程控制器 (PLC)和工控机两级控制的结构。 PLC负责按钮、行程开关和其它开关量信号的输入，以及发出信号去控制接触器、继电器、变频器等电气元 件，进而控制各电机的运行，同时控制相应指示灯的显示。 工控机用来进行参数的修改与设定、全自动控制、在线监视、传送信息等工作。 工控机通过串行口与 PLC 相连，进行相互通信，所以工控机是通过发出命令去控制 PLC 的运行以达到进行全自动控制的目的。 控制系统主要器件的选择 卷纸包装机控制系统主要器件包括工控机 (另配显示器 )、 PLC、变频器等。 它们的选择都是以在保证功能的前提下尽可能地选择可靠性高和使用方便的产品为依据，具体情况如下： 工控机 第 １８ 页 共 42 页 本系统上位机选用研华 IPC610 工控机， 128M 内存， 10G 硬盘，内部底板上有4 个 ISA 总线插槽、 2 个 PCI 总线插槽和一个 CPU插槽，可以方便地进行系统扩展，另外选配飞利浦 105A 型显示器，可清晰地显示各种图形和文字，运行 WINDOWSNT操作系统，外接打印机，打印报表。 工控机由一台 500VA 的不间断电源 UPS 供电，保证报表数据的完整记录。 下位 PLC 的选型及其模块配置 在进行这项工作之前，需要对控制对象和控制任务进行统计和分析。 然后确定系统的规模、机型和配值。 据统计，该包装机控制系统需要配置如下的不同性质的 I/0点： 80 个开关 量输入； 50 个开关量输出； 15 个模拟量输入； 15 个模拟量输出； 根据对上述控制任务的分析，本项目选择了 Siemens 的模块化中小型 PLC 系统S7300，它能满足中等性能要求的应用，应用领域相当广泛。 其模块化、无排风扇结构、和易于实现分布，易于用户掌握等特点使得 S7300 成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的方案。 S7300 系列所具有的多种性能递增的 CPU和丰富的且带有许多方。