基于plc的高速全自动包装机控制系统的设计毕业设计论文

基于plc的高速全自动包装机控制系统的设计毕业设计论文内容摘要：

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 设计了某些功能块的梯形图和 STL 程序，并用 S7PLCSIM simulator 模拟其运行结果。 为了实现监控，利用 SIEMENS 的工控组态软件设计了包装过程的监视界面。 长春工业大学本科毕业设计论文 9 第二章 PLC 构成的包装机控制系统的总体设计 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 长春工业大学本科毕业设计论文 10 由于这是一个典型的顺序控制，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 640)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. 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 1/0 控制系统 lv]。 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 长春工业大学本科毕业设计论文 11 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 图 23 集中控制系统 Fig 23 Concentration control system 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。 系统的运行方式 运行方式分为手动、单步、周期及自动等四种操作方式。 :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 回到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 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。 长春工业大学本科毕业设计论文 12 控制系统硬件总体设计 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 本系统上位机选用研 华 IPC610 工控机， 128M 内存， lOG 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。 巧个模拟量输入。 巧个模拟量输出。 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便功能的 I/0 扩展模块，使用户可以完全 根据实际应用选择合适的模块。 当任务规模扩大并且愈 加复杂时，可随时使用附 加的模块对 PLC 进行扩展。 SIMATIC S7300 所具备的高电磁兼容性和强抗振动， 抗冲击性，更使其具有最高的工业环境适应性。 它具有很强的计算能力和完善的 指令集，以及通过 MPI 接口和 SINEC LANS 联网的能力，适用于高速的过程处理 需要。 本系统所用的主机模块是 CPU 3152DP，可以通过 MPI 转接电缆或通讯模 块与计算机进行通讯，再加上其全面的诊断功能和完善的自我保护技术，使其具 有极高的可靠性，极其适合本系统的需求。 除此之外，它自带的 STEP?编程软件 功能强大，使 用方便，也使开发过程变得简单快捷。 此外， S7300 系列 PLC 还 具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性能优越，装卸方便等优点。 根据 I/0 点数的确定要按照实际点数再加 20 Yo30%的备用量及其特性，配 置了如下的模块 [V}l, 1. 2 个模拟量输入模块 SM331 长春工业大学本科毕业设计论文 13 为 16 路的模数转换通道。 2. 4 个模拟量输出模块 SM332 为 16 路的模数转换通道。 3. 4 个数字量输入模块 SM321 输入通道。 4. 3 个数字量输出模块 SM322 关量输出通道。 CPU3152DP。 CP343 一 5 IM360 和 IM361 在本系统中， H 刃的主要任务是接受外部开关信号 (按钮、行程开关、继电 器节点 )的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等器 件，以完成相应的控制任务。 除此之外，另一个重要的任务就是接受工控机 (上 位机 )的控制命令，以进行全自动包装循环。 图 24 给出了本项目中配置的 S7 300PLC 模板的型号和数量，下面对使用的这些模块作具体介绍〔 }210 PLC 的中央处理器 CPU3152DP CPU31*)2DP 是 S7 一 300 的大脑，其装载存储器的基本容量为 48K 字节或 80K 字节，可用存储卡扩充装载存储器，最大容量可达到 312。 每执行 1000 条二 进制指令约需 0JMS，最大可扩充 1024 点数字量 1/O 或 128 路模拟量通道。 CPU3152DP 内装硬件实时时钟。 CPU3152DP 的操作系统是事件驱动的用户程序扫描过程。 CPU 响应哪个事 件，操作系统自动调用该事件的组织块 OB o CPU315 可调用 128 个功能块 FB (0 一 127)。 128 个功能调用 FC (0127)。 127 个数据块 DB (127, 0 保留 )。 OB, F B, FC, DB 的容量均不大于 8KB。 此外，还有 38 个系统功能块 SFC 集成在操 作系统中供用户调用。 有 9 个系统数据块 SDB 装载 S7300 系统参数。 CPU3152DP 适用于要求高速处理和中等 v0 规模的任务。 它可以装载中等 规模的程序，并具有中等的指令执行速度。 接口模块 IM360 和 IM361 当 PLC 系统的规模较大时，一个机架不能容纳所有的模块时，就要增添扩展 机架，这时装有 CPU 的机架 称为主机架。 主机架和扩展机架之间通过接口模块 IM360 和 IM361 形成统一的整体。 每个机架的接口模块通过总线连接器连接到 I/O 模块。 接口模块是自组态的，无需进行地址分配。 具有指示系统状态和故障的发 光二极管 LED。 如果 CPU 不确认此机架，则 LED 闪烁。 一个系统可以有。