基于PLC的钢板定长剪切控制系统设计毕业论文.doc

II 基于基于 PLCPLC 的钢板定长剪切控制系统设计毕业论文的钢板定长剪切控制系统设计毕业论文 目录 摘要 .I ABSTRACT.II 第 1 章 绪论.1 1.1 课题背景和目的意义 .1 1.2 设计现状及发展趋势 .1 1.3 PLC 控制系统设计的原则 .2 1.4 方案论证 .3 第 2 章 系统总体设计.4 2.1 系统控制要求 .4 2.2 系统结构及工作原理 .4 第 3 章 系统硬件设计.6 3.1 光电编码器 .6 3.1.1 光电编码器的原理.6 3.1.2 光电编码器的选型.6 3.1.3 光电编码器脉冲数计算.8 3.2 PLC 控制原理及选型 .9 3.2.1 PLC 定义 .9 3.2.2 PLC 构成 .10 3.2.3 CPU 构成 .10 3.2.4 I/O 模块 .10 3.2.5 电源模块.10 3.2.6 PLC 特点 .10 3.3 PLC 选型 .12 3.3.1 PLC 的型号选择 .12 3.3.2 I/O 模块的选型 .13 IV 第 4 章 电气原理及软件设计.15 4.1 电气原理设计.15 4.2 系统控制方案.15 4.3 PLC I/O 分配 .16 4.4 PLC 硬件接线 .17 4.5 程序设计.17 第 5 章 总结.20 致谢.21 参考文献.22 附录 I .22 附录 II.22 IV 0 第 1 章 绪论 1.1 课题背景和目的意义 定长剪切机是一种精确控制板材加工尺寸，将大型板块进行定长剪切的设 备。传统定长剪切机采用继电器作为控制器件，其控制系统较复杂，参数改变 不灵活，大量接线使系统可靠性降低，维修率高，降低了生产效率。PLC 以其 灵活性、快速性、可靠性和性价比高等特点越来越受到企业或者团体设计者们 的欢迎，在各行各业的应用非常广泛。用 PLC 替代继电器设计剪切控制系统， 具有操作简单，运行可靠，抗干扰能力强，编程方便，控制精度高的明显优势。 基于以上 PLC 特点，本课题主要研究如何应用 FX2N PLC 设计一个薄钢板定长剪 切控制系统，设计的关键是如何提高定长剪切的精度。 1.2 设计现状及发展趋势 随着我国经济的持续高速增长，社会对各类板材的需求量不断增长，对板 材加工的精度提出了更高的要求，人们希望能够精确对板材进行定长切割。另 外，随着企业之间的竞争日益加剧和人力资源成本的上升，厂家为了在竞争中 占据有利地位，除了保证板材加工的精度外，对板材加工的效率也提出了更高 的要求。钢板剪切的主要设备是剪切机，而普通剪切机存在诸多不足。 (1) 加工精度不高 造成加工精度不高的主要原因，一方面是加工尺寸由操作人员用普通钢尺 手动测得，精度难以保证；另一方面采用异步电动机带动链条传动机构，这样 不仅定位精度低，而且易造成剪切面的机械偏差，这种偏差随加工板材宽度增 加而加大。 (2) 操作繁琐，容易出错 剪切机需要人工操作，剪切动作的控制需人工完成，占用人力资源，也容 易出错。 (3) 能耗大，效率低 1 剪切机的动力系统一般使用普通异步电机，在剪板过程中不断启停，能耗 大、效率低。 基于上述情况，面对板材生产加工企业迫切需要高精度、高效率的生产设 备，在可预见的未来，剪板机发展趋势和需求方向是：一些资金雄厚的企业， 出巨资购买全新数控剪切机；相当一批中小企业没有足够的资金，希望通过对 原设备的技术改造来满足要求。对普通剪切机或传统自动剪切机升级改造，提 高工作效率和剪板精度，降低能耗，这方面有较大的市场需求。 PLC 一直以来为各种工业设备提供了非常多的控制功能，不断完善和扩展 的网络功能，朝着高性能小型化发展。用可编程序控制器进行控制，省去了如 继电器之类的固体电子器件，简化了繁杂的硬件接线线路，使控制具有极强的 的柔性和功能的可拓展性；同时可编程序控制器具有性能稳定, 工作可靠，操 作简单，调节方便，自动保护等特点。 1.3 PLC 控制系统设计的原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效 率和产品质量为目的的。PLC 系统设计应遵循以下原则。 （1）满足要求原则 最大限度的满足被控对象的控制要求是设计控制系统的首要前提，也是设 计中最重要的一条原则。 （2）安全可靠原则 控制系统长期运行中能否达到安全、可靠、稳定，对设计控制系统来说至 关重要。为了达到这一点，要求在系统设计、器件选择和软件编程上全面考虑。 例如，在设计上应该保证 PLC 程序不仅在正常条件下能正确运行，而且在一些 非正常情况下也能正常工作。系统应该具有能接受并且只能接受合法操作，对 非法操作程序能予以拒绝的能力。 （3）经济实用原则 经济实用也是系统设设计的一项重要原则，这就要求不仅应该使控制系统 简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护既方便又低成本。 2 （4）适应发展原则 控制系统的要求也一定会不断的在提高和完善。在控制系统设计时，要考 虑今后的发展和完善，这就是要求选择的 PLC 机型和输入/输出模块要能适应发 展的需要，要适当留有发展余量。 1.4 方案论证 方案一： 在剪板机刀口后面安装一个接近开关，当钢板经过夹送辊，通过刀口到达 预定位置，接近开关检测到钢板头已经到达就启动刹车系统停车，并发送信号 给 PLC，PLC 发送信号启动冲压系统将钢板剪切。改变接近开关距离刀口的长度 就能够方便改变要剪切钢板的尺寸。此方案的好处是原理简单，安装和维护方 便，编程较容易。不足的是，钢板的长度只有到达位置和没有到达位置两种粗 略状态，系统不能够监测实际尺寸跟设定参数差距值，因此使 PLC 控制电机运 转幅度不好把握，很难得到预想结果，造成误差较大。 方案二： 针对方案一显现的不足，可用旋转光电编码器测量实际的钢板尺寸，安装 光电编码器和夹送辊同轴，根据夹送辊的周长和旋转数据能方便地计算出钢板 经过夹送辊的尺寸，将检测数据以脉冲形式反馈到 PLC 进行处理存储。当检测 到钢板尺寸与设定值一致，PLC 启动冲压系统将钢板剪切。本方案的优点是， 在不掉电情况下，计数器能够记录钢板的尺寸参数，控制精度比方案一较高。 相对方案一，方案二取消了接近开关，使用了旋转增量式光电编码器，成本上 较有上升，编程也较复杂，但其控制精度较高，且成本在可承受范围内，性价 比比较高，总体来说比方案一好。本设计采用方案二。 3 第 2 章 系统总体设计 2.1 系统控制要求 本设计的薄钢板定长剪切控制系统要达到以下控制要求： （1）待切材料从左向右牵引电动机前行，光电编码器信号用来测量牵引的 长度，待牵引长度达到预先设定的数值时，电动机制动且剪切机动作。 （2）通过 PLC 高速计数器控制指令和光电编码器实现精确定长切割。 2.2 系统结构及工作原理 钢板定长剪切生产线由开卷机、校平机、剪切机和堆垛机四部分组成，如 图 2-1 所示。钢卷经校平机压平，按照给定剪切长度定位后，剪切机将钢板剪 切成成品，再由堆垛机的皮带输送入框堆垛。开卷机无电机驱动，采用电磁抱 闸制动；校平机采用异步电机 M1 驱动，经皮带减速后由传动箱将运动传递给各 主动辊，上下辊的压紧力由分布在四角的四个螺栓施加，用于测量钢板长度的 光电编码器经传动连接在最后一根测长辊侧；剪板机采用下传动式剪板机，由 异步电机 M2 驱动,通过控制 M2 正反转来控制剪切机构的上下运动；堆垛机由输 送带和料框组成，输送带由异步电机 M3 驱动。 图 2-1 钢板定长剪切生产线结构示意图 4 工作原理：待切材料从左向右牵引电动机前行，光电编码器通过测量电动 机 M1的转速，输出与转速成一定关系的脉冲信号，通过 PLC 高速计数器记录 脉冲的个数用，间接测量出牵引的长度，待牵引长度达到在高速计数器中预先 设定的数值时，电动机制动且切刀动作，即实现定长切割。 5 第 3 章 系统硬件设计 3.1 光电编码器 3.1.1 光电编码器的原理 光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲 或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光 电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。 由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发 光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号6，其原理示意图 如图 3-1 所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机 的转速。 图 3-1 光电编码器的原理图 3.1.2 光电编码器的选型 在光电编码器的使用过程中，对于其技术规格通常会提出不同的要求，其 中最关键的就是它的分辨率、精度、输出信号的稳定性、响应频率、信号输出 形式。 （1）分辨率，光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信 号基本周期数来表示的，即脉冲数/转（PPR）。根据不同的应用对象，可选择 分辨率通常在 5006000PPR 的增量式光电编码器， （2）精度，精度是一种度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对 另一脉冲位置的能力。 （3）输出信号的稳定性，编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下， 保持规定精度的能力。影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器 件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。 6 （4）响应频率，编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线 路的响应速度。 （5）信号输出形式，推挽式输出方式由上下两个 NPN 型的三极管组成，当 其中一个三极管导通时，另外一个三极管则关断。电流通过输出侧的两个晶体 管向两个方向 流入，并始终输出电流。因此它阻抗低，而且不太受噪声和变形波的影响，主 要应用领域有自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。 下表 3-1 是 EPC-755A 型光电编码器的主要参数。 表 3-1 EPC-755A 型光电编码器的主要参数 主要参数参数说明 输入电压070和 085时为 4.7528.0VDC 0100时为 4.7524.0VDC 输入电流最大无负载电流为 100mA 输入波动在 0100KHz 时，峰峰之间为 100mV 输出波形增量式，正交输出，当转轴顺时针旋转时，A 通道的方波领先 B 通道 输出电路推挽输出每通道最大驱动电流 20mA， 基准脉冲每转一周输出 600 个脉冲。 频率响应标准 10KHz，可选高达 1MHz。 抗干扰性经 IEC 801-3 测试，符合欧洲标准。 分辨率 1-10000PPR 精度 2001999 PPR：0.017（1.0 弧度分）之内（机械角度） 20003000 PPR：0.01（0.6 弧度分）之内（机械角度） 3000 PPR 以上另附加插值误差 0.005（机械角度） 光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件，它是通过电转换将输出轴上 的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成的。旋转编码器分为绝对式和增量 式两种，绝对式编码器在码盘上分层刻上表示角度的二进制数码或循环码（格 雷码），通过接收器将该数码送入计算机。绝对式编码器常用于检测转角，若 7 需得到转速，必须对转角进行微分处理。增量式编码器在码盘上均匀地刻制一 定数量的光栅。光电编码器的光栅盘与电动机同轴，电动机转动时，光栅盘与 电动机同速旋转，经过发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉 冲信号，其原理如图所示。通过计算每秒钟光电编码器输出脉冲的个数就能得 到当前电动机的转速，此外为判断旋转方向，光栅还可以提供相位差 90的双 向脉冲正交信号。 增量式光电编码器输出两路相位相差 90的脉冲信号 A 和 B，当电动机正转 时，脉冲信号 A 的相位超前脉冲信号 B 的相位 90，经逻辑电路处理后形成高 电平方向信号；当电动机反转时，脉冲信号 A 的相位滞后于脉冲信号 B 的相位 90，经逻辑电路处理后的方向信号为低电平。因此根据超前和滞后的关系可 以确定电动机的转向，转向判别的原理如图 3-1 所示。 3.1.3 光电编码器脉冲数计算 为方便计算，采用 1:1 的同步带将测量辊的转动传动给编码器，即编码器 的转数与测量辊的转数相同。通过测量编码器的脉冲数即可测量钢板的长度， 在剪切定长钢板时，通过以下公式即可计算出定长钢板所对应的编码器脉冲数： n= 2 L R 600nN 600 2 L R 式中 n校平机辊子（编码器）旋转的转数； （a）正 转 （b）反 转 图 3-2 区分旋转方向的 A、B 两组脉冲序 列 8 L钢板长度； R测量辊子半径； N长度为 L 的钢板对应的光电编码器脉冲数。 3.2 PLC 简介及控制原理 3.2.1 PLC 定义 PLC 可编程序控制器：PLC 英文全称 Programmable Logic Controller ,中 文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为 在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储 程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令， 并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 3.2.2 PLC 的构成 从结构上分，PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC 包 括 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不 可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、 I/O 模块、内存、电源模块、 底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 3.2.3 CPU 的构成 CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫 描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中， 同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。 进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定 的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控 制及状态总线构成，CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内 存主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析 CPU 的内部电路，但对各部分的工作 机制还是应有足够的理解。CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、 9 解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字 或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间 结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度， IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 3.2.4 I/O 模块 PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O 模块 集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输 出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模 块相反。I/O 分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入 （AI），模拟量输出（AO）等模块。 开关量是指只有开和关（或 1 和 0）两种状态的信号，模拟量是指连续 变化的量。常用的 I/O 分类如下： 开关量：按电压水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式 分有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0- 10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 I/O 外，还有特殊 I/O 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等 模块。按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 3.2.5 电源模块 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还 为输入电路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC 或 110VAC），直流电源（常用的为 24VAC）。 3.2.6 PLC 特点 1.使用灵活、通用性强PLC 的硬件是标准化的，加之 PLC 的产品已系 列化，功能模块品种多，可以灵活组成各种不同大小和不同功能的控制系统。 在 PLC 构成的控制系统中，只需在 PLC 的端子上接入相应的输入输出信号线。 当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个 10 PLC 装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。 2.可靠性高、抗干扰能力强微机功能强大但抗干扰能力差，工业现场 的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能导致一般通用 微机不能正常工作；传统的继电器接触器控制系统抗干扰能力强，但由于存 在大量的机械触点（易磨损、烧蚀）而寿命短，系统可靠性差。PLC 采用微电 子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁 杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高，从实际使用情况来看， PLC 控制系统的平均无故障时间一般可达 45 万小时。PLC 采取了一系列硬件 和软件抗干扰措施，能适应有各种强烈干扰的工业现场，并具有故障自诊断能 力。如一般 PLC 能抗 1000V、1ms 脉冲的干扰，其工作环境温度为 060， 无需强迫风冷。 3.接口简单、维护方便PLC 的接口按工业控制的要求设计，有较强的 带负载能力（输入输出可直接与交流 220V，直流 24V 等强电相连），接口电 路一般亦为模块式，便于维修更换。有的 PLC 甚至可以带电插拔输入输出模块， 可不脱机停电而直接更换故障模块，大大缩短了故障修复时间。 4.体积小、功耗小、性价比高以小型 PLC 为例，它具有 128 个 I/O 接 口，可相当于 400800 个继电器组成的系统的控制功能，不带接口的空载功耗 为 1.2W，其成本仅相当于同功能继电器系统的 1020。PLC 的输入输出系统 能够直观地反应现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统 的运行状态，如内部工作状态、通讯状态、I/O 点状态、异常状态和电源状态 等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。 5.编程简单、容易掌握PLC 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考 虑了现场工程技术人员的技能和习惯。大多数 PLC 的编程均提供了常用的梯形 图方式和面向工业控制的简单指令方式。编程语言形象直观，指令少、语法简 便，不需要专门的计算机知识和语言，具有一定的电工和工艺知识的人员都可 在短时间内掌握。利用专用的编程器，可方便地查看、编辑、修改用户程序。 6.设计、施工、调试周期短用继电器接触器控制完成一项控制工程， 必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏（柜）的布置和接线 图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用 PLC 控制，由于其靠软 11 件实现控制，硬件线路非常简洁，并为模块化积木式结构，且已商品化，故仅 需按性能、容量（输入输出点数、内存大小）等选用组装，而大量具体的程序 编制工作也可在 PLC 到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时 进行。由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接 线工作，缩短了施工周期。PLC 是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户 的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都 很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。 3.3 PLC 选型 3.3.1 PLC 的型号选择 对 PLC 型号选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前 提下，力争最佳的性能价格比，选择时应考虑以下几点。 （1）PLC 的硬件功能 一些系统对 PLC 的功能有特殊要求,如通信、网络、PID 闭环控制,响应速 度快,高速计数和运动控制。模块化 PLC 应该考虑是否有相应的特殊功能模块。 对模拟输入/输出系统，PLC 需要考虑最大的模拟 I / O 是否可以满足要求,模 块的分辨率和转换时间，以及平均每点的价格。本系统不需要跨范围使用 PLC，对某些功能或信号也没有特殊的速度要求，不需要选用具有高速 I/O 功能 的 PLC。 (2）PLC 指令系统的功能 对于小型单台仅需要开关量控制的设备，一般的小型 PLC 便可以满足要求。 如果系统要求 PLC 完成某些特殊的功能，应考虑 PLC 指令系统是否有相应的 指令来支持。此系统只需用开关量控制，选用一般小型 PLC 即可。 （3）PLC 物理结构的选择 PLC 按结构分类，可分为整体式、组合式、叠装式和板式 4 类。整体式结 构的 PLC 把电源、CPU、存储器、I/O 系统都集成在一个单元内。整体式结构的 特点是非常紧凑、体积小、成本低、安装方便，其缺点是输入与输出点数有限 12 定的比例。小型机多为整体式结构。考虑此系统控制比较简单，应用于小批量 的生产线故此选择整体式 PLC 的结构形式较为合适。 （4）确定输入/输出（I/O）点数并以此选择 PLC 类型 综合对比三菱 FX 系列（包括 FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N 等）、 西门子系列、OMRON 系列中的 PLC,本系统可选择 PLC 型号为：FX2N 32MR，合计总数 32 点16 点输入，16 点继电器输出；其性能、价格都优于其 他 PLC。 PLC 的型号选好后，根据 I/O 表和可以供选择的 I/O 模块的类型，确定 I/O 模块的型号和块数。选择 I/O 模块时，I/O 点数一般应留有一定的余量，以备 今后系统改进或者扩充时使用。 3.3.2 I/O 模块的选型 （1）开关量输入模块的选择 开关量输入模块的输入电压为 AC220V DC24V。直流输入电路延迟时间较短,可 以直接和接近开关、光电开关和其他电子输入设备连接。交流输入模式适合于 在有油雾、灰尘的条件下使用,在这些条件下交流输入触点的接触较为可靠。 （2）开关量输出模块的选择 开关输出模块是低电压转换为驱动在 PLC 外部开关信号输出装置,实现 PLC 信号内部和外部电气隔离。在选择时应该考虑以下几个方面: 继电器型输出模块的工作电压范围广，触点的导通压降小，承受瞬时过电 压和瞬时过电流的能力较强，但是速度动作较慢，触点寿命（动作次数）有一 定的限制。如果系统的输出信号变化不是很频繁，优先选用继电器型的。 （3）输出方式 开关输出模块有继电器输出,晶闸管输出和晶体管输出三种方式。 继电器输出是便宜的,可以用来驱动交流负载,可用于直流负载,传导电压降 小,同时有更好的能力去承受暂态过电压和过电流,它属于接触单元,缓慢的速度 (驱动电感负载,接触行动频率必须小于 1 hz),短寿命和可靠性较差,只适合于 频繁的开启和关闭。 对于经常打开和关闭负载,应选择晶闸管输出或输出晶体管,他们属于非接 触式组件。但晶闸管输出只能用于交流负载,和晶体管输出只能用于直流负载。 13 本系统为中小型生产线自动控制系统，需要考虑价格相对要便宜，而本系统对 动作速度要求不高，所以选择继电器输出作为输出方式。 工艺流程的特点和应用要求是 PLC 选型的主要依据。控制系统中需要 12 个 输入端口，6 个输出端口。为了保证输出端的 COM 端不会交叉连接，所以选择 了 32 点的 I/O 点数的 PLC，其输出要驱动电磁线圈，属于是既有交流负载，又 有直流负载，所以应选择继电器输出方式。经综合考虑，选择日本三菱公司的 PLC 进行控制，FX2N 系列 PLC 的基本单元见表 3-1。 本设计选用的 PLC 型号为 FX2N-32MR。FX2N-32MR 速度块功能强，它的基本 指令执行时间高达 0.08us, 内置的用户存储器为 8K 步。I/O 点最多可扩展到 32 个，并提供多种特殊功能模块或功能扩展板，可实现多轴定位控制，机内有 实时钟。每个 FX2N 的基本单元可扩展 8 个特殊单元。通过通信扩展板或特殊适 配器可实现多种通信和数据链接，如 CC-Link，AS-IPROFIBUS，Devieenet 等开 放式网络通信，RS-232C，RS-422C 和 RS-485 通信，并行链接，计算机链接和 I/O 链接4。 表 3-1 FX2N 系列 PLC 的基本单元 型 号 继电器输出 晶体管输出 晶闸管输 出 输入点数 输出点数 扩展模 块可 （DC24V,点） （R、T，点） 用 点数（点） FX2N-16MR FX2N-16MT FX2N-16MS 8 8 2432 FX2N-32MR FX2N-32MT FX2N-32MS 16 16 2432 FX2N-48MR FX2N-48MT FX2N-48MS 24 24 48120 FX2N-64MR FX2N-64MT FX2N-64MS 32 32 48120 FX2N-80MR FX2N-80MT FX2N-80MS 40 40 48120 FX2N-128MR FX2N-128MT 64 64 14 第 4 章 电气原理及软件设计 4.1 电气原理设计 图 4-1 所示为电路电气控制原理图，其中，M1 为驱动校平机的异步电动机， 只需正转；M2 为驱动剪切机的异步电动机，需要正转 反转；M3 为驱动堆垛机 输送带的异步电机，只需正转; KM1 控制校平机电机 M1，KM2 和 KM6 分别控制 剪切机电机的正反转，YB1 和 YB2 分别是开卷机料架和校平机电磁抱闸制动用 的电磁线圈。 4-1 电气原理图设计 4.2 系统控制方案 15 钢板剪切生产线的控制系统硬件体系结构如图 4-2 所示，控制器采用三菱 的可编程控制器 FX2N-32MR ，其高速计数端子 X1 可用于接收光电编码器的高 速脉冲，以测量钢板长度，其开关量输入端子用于接收按钮等信号。 图 4-2 钢板定长剪切生产线控制系统硬件体系结 4.3 PLC I/O 分配 PLC I/O 分配如表 4-1 所示。 表 4-1 I/O 分配表 名称名称代号代号输入点输入点名称名称代号代号输出点输出点 热继电器 FR1FR8X0 校平电机接触器 KM1Y0 光电编码器光电编码器 X1 剪切电机正转接触器 KM2Y1 启动按钮 SB1X2 输送电机接触器 KM3Y2 剪切机启动 SB2X3 开卷制动接触器 KM4Y3 校平机停止 SB3X4 校平制动接触器 KM5Y4 剪切机停止 SB4X5 剪切电机反转接触器 KM6Y5 输送机停止 SB5X6 开卷机制动停止 SB6 X7 16 校平机制动停止 SB7X10 系统停止 SB8X11 剪切机下限位开关 SQ1X12 剪切机上限位开关 SQ2X13 4.4 PLC 硬件接线 根据 PLC I/O 分配表，设计了 PLC 控制系统接线图，如图 4-3 所示。图中， PLC 由单相 220VAC 供电；输入电路由开关电源 24VDC 供电，X001 端子接光电编 码器的脉冲输出端，急停按钮采用常闭触点，其它按钮采用常开触点；输出电 路中，控制接触器线圈的采用单相 220VAC 供电。 图 4-3 系统硬件接线图 4.5 程序设计程序设计 17 生产线在自动控制模式下可实现连续工作，无需人工干预，钢板剪切长度 在程序中设定，校平机的启动由启动开关控制，剪切机由上下两个限位开关控 制行程，系统在运行时输送带一直工作。图 4-4 为自动控制模式程序流程图。 图 4-4 自动控制模式程序流程图 系统工作流程：按下启动按钮 SB1，系统启动，校平机、输送机同时工 作； 当钢板长度达到预设值时，开卷机进行电磁制动，校平机断电并且电磁制动， 同时剪切机构开始工作，当剪切机构移动到下限位开关 SQ1 时，剪切电机开始 反转，剪切机构上升，当剪切机构上升至上限位开关 SQ2 时，剪切机构停止运 动；从而完成一次钢板定长剪切工作。在触碰 SQ2 同时，开卷机、校平机的电 磁制动断电，校平机开始工作，从而使整个系统循环工作。 根据钢板定长剪切系统的要求设计出梯形图，梯形图如图 3-4 所示。 18 图 4-5 系统硬件接线图 19 总 结 在陈老师的指导下进行了为期三个月的毕业设计，设计开始时， 就要 求我们可以通过这次毕业设计巩固我们的基础和专业知识，提高我们分析、设 计和开发工程的能力。通过这次设计，了解了钢板定长剪切行业概况，熟悉了 PLC 在工业控制系统中的开发和应用。在大学所学知识的基础上，我们尝试了 基于 PLC 的钢板定长剪切控制系统的设计，提高了使用已知知识和获取相关资 料的能力，进一步培养了我们踏实、勤奋、严谨的工作态度。 本设计基本达到了预定目的，将 FX2N 系列 PLC 应用到钢板定长剪切控制系 统中，通过合理的设备选型、参数设置和软件设计，改善传统剪切机的性能， 还通过高速计数器和光电编码器的结合提高了定长切割精度，提高了生产速率， 节省电能，降低故障。但本次设计中还存在诸多不足，还有待完善。 毕业设计所要求知识的综合性较高，各方面都要用到一点，但是我的知识 是不能达到这样的水平，在设计的过程中遇到了很多困难，但我们在困难面前 并没有低头认输，而是通过各种方法来解决。方法之一就是我们在平时里没有 注意到的自学能力。通过这次设计，培养了自己的自学能力，为以后的继续学 习也奠定了一定的基础。当然一个好的毕业设计并不是一个人所能完成的，它 需要一个团体，而这个团体也需要有一种敢于向一切困难挑战的精神。 通过对本例的设计使我们认识到 PLC 在工业生产中的重要作用。在本例中， 使我们学习到了如何对系统进行设计，以及在元件选择方面的许多知识。在对 20 系统进行设计时，必须首先了解该系统的功能和任务，在搞清楚这点以后才能 对整个系统的设计方案有一个初步的认识，然后才能根据系统的需要来进行元 件的选取和系统的模块化细分。 近年来随着电子技术和计算机技术应用领域不断扩大，PLC 技术已成为电 子技术领域中的一个新的亮点，使 PLC 技术成为一门综合应用技术，也是电子 技术发展也革新的一个潮流。 随着我们对 PLC 控制系统的认识的不断加深，相信在以后的工作和生产中 我们会更加深入透彻的利用 PLC 来解决一些更加实际的问题。 致 谢 四年的大学，匆匆而过，毕业设计是我们四年所学的一个体现，经历半年 的努力，此次毕业设计即将结束。在设计的过程中，慢慢的学习，逐渐的巩固 大学所学的知识，期间有艰苦，有辛酸，也有欣喜，有快乐。 通过这次毕业设计，我们把以前所学都综合起来，感觉自己的水平提高很 多。我们了解到了做一个系统的基本常识，为我们以后从事技术工作打下良好 的基础。 本设计的顺利完成,首先要感谢我的指导老师 。在论文的写作过程 中，老师们给了我许许多多的帮助。在评阅中，两位老师还指出了我设计中的 许多不足，使我的设计更加完善合理，使我不仅学到了扎实的专业知识，也学 到了很多待人处事道理。老师们严谨的治学态度、缜密的思维方式、踏实的工 作作风和对事业的执着，以及对我的谆谆教诲都给我留下了深刻的印象，并使 我终身受益。谨此对两位老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。 同时也感谢许多同学对我的支持和鼓励，感谢你们在学习和生活上给我的 帮助，和我一起解决各种各样的困难。此外，我还要感谢我的父母，谢谢他们 一直以来对我的学业的支持和帮助。 最后，祝所有关心、帮助和支持我的人们 身体健康、工作顺利！ 21 参考文献 1 郭爱芳，王恒迪.传感器原理及应用M.西安：西安电子科技大学出 版社，2007.281290. 2 陈有根,危韧勇.可编程序控制器概述J.大众用电杂志,2003.1. 3 殷洪义，吴建华.PLC 原理与实践.北京：清华大学出版社，2008.10 4 孙兵,赵斌,施永辉.基于 PLC 的机械手混合驱动控制J.液压与气动, 2005,(3):37-39. 5 陈伯时. 电力拖动自动控制系统M. 北京：机械工业出版社， 2003：117-209. 6 侯崇开. 光电编码器在剪切钢板长度测量中的应用A. 传感器技术， 2005，24(7)：76-77. 7 张万忠，周渊深.可编程控制器应用技术M.北京：化学工业出版社， 2001.4 8 王洪猛.基于 PLC 的过程控制系统设计与实现J .自动化技术与应用, 2004,23(7):25-27. 9 Dierks, Henning. PLC - automata: a new class of imple-mentable realtime automataJ.TheoreticalComputer Sci-ence, 2001, 253(2) 10 Deepak Alur, JohnCrup,i Dan Malks. J2EE 核心模式M,北京:机械工 业出版社,2005 22 附录 I Lathes Lathes are machine tools designed primarily to do turning, facing and boring, Very little turning is done on other types of machine tools, and none can do it with equal facility. Because lathes also can do drilling and reaming, their versatility permits several operations to be done with a single setup of the work piece. Consequently, more lathes of various types are used in manufacturing than any other machine tool. The essential components of a lathe are the bed, headstock assembly, tailstock assembly, and the leads crew and feed rod. The bed is the backbone of a lathe. It usually is made of well normalized or aged gray or nodular cast iron and provides s heavy, rigid frame on which all the other basic components are mounted. Two sets of parallel, longitudinal ways, inner and outer, are contained on the bed, usually on the upper side. Some makers use an inverted V-shape for all four ways, whereas others utilize one inverted V and one flat way in one or both sets, They are precision-machined to assure accuracy of alignment. On most modern lathes the way are surface-hardened to resist wear and abrasion, but 23 precaution should be taken in operating a lathe to assure that the ways are not damaged. Any inaccuracy in them usually means that the accuracy of the entire lathe is destroyed. The headstock is mounted in a foxed position on the inner ways, usually at the left end of the bed. It provides a powered means of rotating the word at various speeds . Essentially, it consists of a hollow spindle, mounted in accurate bearings, and a set of transmission gears-similar to a truck transmissionthrough which the spindle can be rotated at a number of speeds. Most lathes provide from 8 to 18 speeds, usually in a geometric ratio, and on modern lathes all the speeds can be obtained merely by moving from two to four levers. An increasing trend is to provide a continuously variable speed range through electrical or mechanical drives. Because the accuracy of a lathe is greatly dependent on the spindle, it is of heavy construction and mounted in heavy bearings, usually preloaded tapered roller or ball types. The spindle has a hole extending through its length, through which long bar stock can be fed. The size of maximum size of bar stock that can be machined when the material must be fed through spindle.The tailsticd