定位剪PLC控制系统设计方案

1 定位剪 制系统设计 方案 毕业设计成绩单 学生姓名 学号 班级 专业 自动化 毕业设计题目 定位剪 指导教师姓名 指导教师职称 副教授 评 定 成 绩 指导教师 得分 评阅人 得分 答辩小组组长 得分 2 成绩： 院长 （ 主任 ） 签字： 年 月 日 毕业设计任务书 题 目 定位剪 学生姓名 学号 班级 专业 自动化 承担指导任务单位 电气工程 系 导师姓名 陈 导师职称 副教授 3 一、主要内容 以 控制核心 ,结合继电接触器及位置传感器等设计定位剪 制系统，实现定位剪生产线开卷电机、喂料电机、剪切电机、运料小车、轨道电机的顺序控制。还设计板材剪切长度和剪切张数的检测。 二、基本要求 自动方式，按下启动按钮，开卷电机 喂料电机 电运转，把钢板送入剪切处，同时飞轮电机开始通电运转，当达到设定钢板长度 150 , 止 ,同时电磁离合器 电吸合 ,剪刀落下进行剪板。当剪刀落下时，电磁离合器 电剪刀回到原位 （ 即重新抬起 ） ,同时 电旋转 ,再把钢板向前送入剪切处进行剪切。当剪切的钢板数达到预定张数 50 张时，此时 转 ,同时电磁离合器 失电 ,使剪刀回到原位 （ 即重新抬起 ） ,运料小车运转使小车向右运行 ,当运行到位时压合运料小车右极限限位开关 ,小车停转 ,同时小车上轨道电机通电运转 ,把其上面的钢板向右传输到下一个工序的料道台上。当钢板通过该平台时，使小车上轨道电机停止运转，同时运料小车电机得电运转，使小车向左 运行。返回到位后小车压合运料小车左极限限位开关，使小车断电停转。此时 行下一组剪切动 作，如此循环自动运行。 手动方式则是对各个电机进行点动操作 ,以便调试时使用 三、主要技术指标 （ 或研究方向 ） 制 I/O 接线图 ） ，列出 I/O 对照表 。 ，选择电器元件。 制 序。 四、应收集的资料及主要参考文献 1.可编程控制器原理及应用实例 张进秋 机械工业出版社 五、进度安排 设计各阶段名称 完 成日期 准备、查找资料 写开题报告 第 1 分析、确定方案 第 3 设计、绘图、编程 第 5 编写设计说明书 第 13 上交论文、 准备答辩 第 15 周 答辩 第 16 周 教研室主任签字 时 间 年 月 日 毕业设计开题报告 题 目 定位剪 学生姓名 马 学号 班级 专业 自动化 4 一、课题的研究背景： 在工业生产过程中，自动剪切生产线应用十分广泛。它能将金属卷料加工成一定尺寸的板料，可实现自动开卷、定长送料和自动剪切，其生产效率高、适应性强，适合较大规模生产。随着计算机技术、自动控制技术的高速发展，如何采用先进的控制技术设计性价比优异的剪切控制系统，是人们关注的焦点。可编 程逻辑控制器是一种综合了计算机技术、电气控制技术、自动控制技术的自动控制装置，具有高可靠性，控制功能极强，编程方便、易于使用等特点。将可编程序控制器应用于定位剪生产线，这样可以把计算机功能完备、适应性强的优点和继电器控制简单、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，这是一条低成本、高效益，符合我国国情的自动化技术发展应用新途径。 二、国内外研究现状： 顺序控制是工业控制中不可缺少的环节，几乎任何一个过程控制和生产管理都是有步骤地进行的，因此都可以采用 据国外资料统计，在工业控制中 80%都采用 完 成。目前国外 用于自动控制这一领域占 60%。在我国使用 行自动控制，至今还没有形成主流。定位剪生产线要求板料的开卷、喂料、剪切和运料等过程必须按一定的节拍控制动作，以确保精确度。 对于这样的控制要求 ，传统的控制系统复杂，功能不完善、效率低、可靠性差；自动化程度不高，安全系数低。为此，采用可编程控制器 （ 实现对定位剪设备的控制 ,可获得了较好的控制效果。 三、主要工作： 以 控制核心 ,结合继电接触器及位置传感器等设计定位剪 制系统，实现定位剪生产线开卷电机、喂料电机、剪切电 机、运料小车、轨道电机的顺序控制，设计板材剪切长度和张数的检测，具体如下： 制 I/O 接线图 ） ，列出 I/O 对照表 。 ，选择电器元件。 制 序。 四、方法和手段： 找关于定位剪和可编程控制器的资料 。 整体上采用 步进指令实现 对定位剪生产线的顺序控制 ； 为了保证剪切精度，喂料电机采用双速电机，为了保证系统高效、平稳运行，采用变频器控制送料小车的运行，飞轮电机采用 动运行方式 ； 由光电编码器确定板料剪切长度，计数器设定剪切张数 ； 实现对整个定位剪生产线的自动 /手动控制。 图、 程 。 5 备答辩 。 五、预期结果： 实现对定位剪生产线整个生产线工艺流程的顺序控制， 采用可编程控制器对定位剪设备进行控制，较好地解决传统控制中存在的控制 系统复杂、可靠性和工作效率低等问题。充分体现将 有操作简单、运行可靠、抗干扰能力强和控制精度高的特点。 指导教师签字 时 间 年 月 日 6 摘 要 为实现定位剪生产线的安全、可靠和高效的自动控制，通过对定位剪生产线的结构、工作原理及控制特点进行全面的分析，以 可编程控制器 ） 为控制核心 ,结合继电接触器及位置传感器等设计了以三菱 定位剪生产线自动控制系统。 本文对定位剪 制系统的设计思路进行了详细的介绍，阐述了系统 的硬件组成和软件设计。由 成的控制系统可对生产现场的设备状态实施监控，实现了定位剪生产线开卷电机、喂料电机、剪切电机、运料小车、轨道电机的顺序控制 ；并且设计了对板材剪切长度和剪切张数的检测，为了方便调试还实现手动操作，对各个电机进行 手 动控制，从而保证设备工作在最佳状态。实践证明， 制系统工作可靠，操作简单，能有效的对定位剪设备进行控制，达到较高的生产效率。 关键词 ： 可编程控制器 定位剪 控制系统 7 In to of of is of so LC as In LC in It by LC of on of of of It of of to in LC is a to I 目 录 第 1 章 绪论 1 题研究的目的和意义 1 位剪工业控制的研究及发展现状 1 文研究内容及要求 2 第 2 章 定位剪的结构原理及控制要求 3 位剪的结构原理 3 位剪的结构 3 位剪的工作原理 3 统的主要控制要求 4 第 3 章 系统硬件设计 5 选型 5 感器的设计 6 电编码器的设计 7 位置传感器的设计 8 磁离合器的设计 9 磁离合器的简介 9 磁离 合器的选型 10 频器设计 10 频调速原理 10 频器的选型 10 动机的设计 11 动机的基本常识及选择依据 11 动机的选型 12 切刀的选型 14 置开关的设计 14 置开关的简介 14 动式行程开关的选型 14 气控制的设计 15 回路电路图 15 回路的分析 16 第 4 章 可编程控制器及顺序控制 18 编程控制器 18 编程控制器的简介 18 编程控制器应用领域 18 可编程控制器发展现状及发展趋势 19 进指令简介 19 进指令 19 态转移图与梯形图 19 进指令的使用说明 20 序控制设计法 21 第 5 章 系统软件设计 22 体设计思路 22 入输 出点分配 22 统的控制流程图 23 件设计分析 24 件设计中元器件的分布 24 料精确定长分析 24 位剪控制系统的状态转换图 25 位剪控制系统的指令程序表 25 第 6 章 结论与展望 28 论 28 望 28 参考文献 29 致谢 30 附录 31 附录 A 外文资料 31 附录 B 定位剪 形图设计 40石家庄铁道大学四方学院毕业设计 1 第 1 章 绪 论 题研究的目的和意义 在工业生产过程中，自动剪切生产线应用十分广泛。它能将金属卷料加工成一定尺寸的板料，可实现自动开卷、定长送料和自动剪切，其生产效率高、适应性强，适合较大规模生产。但是传统的生产设备与系统多以机械为主，是电气液压或气动控制的机械设备，存在送料不够精确、生产效率低下等诸多不足，已不能满足所有的生产需要。随着工业水平 的不断发展，生产设备已逐步地由手动操作改为能够进行大规模生产的自动控制 1。本文设计的 制系统，使用了双速电动机及变频装置，充分发挥其控制精度高、响应速度快和运行平稳等优点，有效地提高剪切的精度和效率，提升生产过程的自动化程度，具有十分广阔的应用前景。 随着计算机技术、自动控制技术的高速发展，如何采用先进的控制技术设计性价比优异的剪切控制系统，是人们关注的焦点。可编程逻辑控制器是一种综合了计算机技术、电气控制技术、自动控制技术的自动控制装置，具有高可靠性，控制功能极强，编程方便、易于使用等特点 。 将可 编程序控制器应用于定位剪生产线，这样可以把计算机功能完备、适应性强的优点和继电器控制简单、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，这是一条低成本、高效益，符合我国国情的自动化技术发展应用新途径。 位剪工业控制的研究及发展现状 在工业生产过程中， 定位剪 生产线应用十分广泛。它能将金属卷料加工成一定尺寸的板料，可实现自动开卷、定长送料和自动剪切，其生产效率高、适应性强，适合较大规模生产。由于 定位剪生产线 是一种可按加工要求将金属板材剪开、自动计数、并由送料车送到下一工序的顺序控制的设备。它要求其控制设备 具有很强的抗干扰能力 ，整个 过程必须按一定的节拍控制精确度动作， 而 传统的控制系统复杂，功能不完善、效率低、可靠性差；自动化程度不高，安全系数低 ，已经不能满足生产需要 2。随着近几年的发展， 计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广泛等优点与控制系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点很好的结合起来而其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点，较好地解决了这 些 问题 ,充分发挥其控制精度高、响应速度快和运行平稳等优点，有效地提高剪切的精度和效率，提升生产过程的自动化程度，具有十分广阔的应用前景。在 工业过程控制中的应用越来越广泛。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 2 文研究内容及要求 设计题目： 定位剪 制系统的设计 主要内容： 以 控制核心 ,结合继电接触器及位置传感器等设计定位剪 制系统 。设计并绘制自动剪板机控制系统硬件接线图 ； 设计并绘制电气控制外部接线图 ()， 列出 I/O 对照表 ； 设计 I/O 电路，选择电器元件 ； 绘制电气原理图及梯形图，编制 序。 设计目的： （ 1） 熟练掌握 指令系统，学会一些特殊设备在生产实际中的应用。 （ 2） 能使用 件编程，本设计采用三菱的 （ 3） 通过设计牢固掌握设计梯形图的方法、步骤及绘制梯形图所遵循的规则和设计技巧 ， 学会 顺序 控制程序的设计和调试方法。 （ 4） 能够绘制传动系统的电气图。 （ 5） 学会 入 /输出点的分配、接线 ， 对 系统的了解。 设计要求： 实现定位剪生产线开卷电机、喂料电机、剪切电机、运料小车、轨道电机的自动控制，设计板材剪切长度和剪切张数的检测和手动方式对各个电机进行 手 动操作 ,以便调试时使用。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 3 第 2 章 定位剪的结构原理及控制要求 位剪的结构原理 位剪的结构 定位剪是一种精确控制金属板料加 工尺寸，将大块卷筒板料进行自动循环剪切加工，并由运料小车运送到下一工序的自动加工设备，其结构及原理如 图 2示。设备由开卷、喂料、剪切、自动传送四个部分组成，分别由开卷电动机 料电动机 轮电动 机 料小车电动机 道电动机 台电动机拖动。采用 1 个光电编码器和 4 个开关来检测各部分的工作状态。其中，光电编码器 来确定板料剪切长度，限位开关 1K 和 2K 用来检测运料小车是否到达左、右极限位置，剪刀落下检测开关 4K 检测剪刀的状态，钢板通过开关 3K 控制轨道电机的运转。设备未投入工作时，运料小 车左极限限位开关 1K 闭合，运料小车右极限限位开关 2K、钢板通过开关 3K、剪刀落下检测开关 4K 均断开。 位剪的工作原理 在自动方式下，按下自动 起 动按钮，开卷电机 喂料电机 电运转，把钢板送入剪切处，且同时飞轮电机 开始通电运转，给剪刀提供势能。此时通过光电编码器 量钢板长度 ,即 射一个脉冲。为了保证钢板剪切的长度达到设计要求，在钢板达到 145 保持高速旋转 ,使钢板快速接近剪切处；达到 145 变为低速运转，当钢板长度达到设定值 150 ,开卷电机 喂料电机止 ,同时电磁离合器 电吸合 ,剪刀落下进行剪板。当剪刀落下时， 4K 行程图 2位剪 生产线结构示意图 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 4 开关压合 ,电磁离合器 电剪刀回到原位 （ 即重新抬起 ）， 同时开卷电机 喂料电机 电旋转 ,再把钢板向前送入剪切处进行剪切。当剪切的钢板数达到预定张数 50 张时，此时开卷电机 喂料电机 转 ,同时电磁离合器 失电 ,使剪刀回到原位 （ 即重新抬起 ） ， 运料小车 转使小车向右运行 ,当运行到位时压合行程开关 2K， 小车电机 止运转 ,同时小车上轨道电机 电运转 ,把其上面的钢板向右传输到下一个工序的料道 台上。当钢板通过该平台时压合行程开关 3K，使小车上轨道电机 止运转，同时运料小车电机 电运转，使小车向 左 运行。返回到位后小车压合行程开关 1K，使小车电机 电停转，小车停止。此时开卷电机 喂料电机 次通电旋转，进行下一组剪切动作，如此循环自动运行。 手动方式则是分别对送料、剪切、送料小车左行、送料小车右行、轨道电机运行设置 起 动按钮对各个电机进行点动操作以便调试时使用 3。 统的主要控制要求 （ 1） 上电后，检测各部分的工作状态，控制各部分处于初始位置。 （ 2） 送料，由控制电机 控制送料机构，将待剪板料自动传送到位。 （ 3） 剪切，当剪板料长度达到设定值后由飞轮电动机带动剪刀进行剪切。 （ 4） 运料小车的运行，包括卸载后自动返回 。 （ 5） 轨道电机将钢板传送到下一个工序的料 道 台上 。 （ 6） 剪切板料的尺寸确定 ， 自动计数。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 5 第 3 章 系统硬件设计 选型 工艺流程的特点和应用要求是 型的主要依据。控制系统中需要 12 个输入端口， 13 个输出端口。其中输出端中有 2 个输出给变频器用以控制电动机的 运行 ，为了保证输出端的 不会交叉连接，所以选择 了 32 点的 I/O 点数 的 其输出不仅要驱动变频器，而且要驱动电磁 离合器 ，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 行控制，基本单元见表 3 本设计选用的 号为 度块功能强 ， 它的基本指令执行时间高达 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 开 放 式网络通信， 信，并行链接，计算机链接和 I/O 链接 4。 表 3基本单元 型 号 输入点数 输出点数 扩展模块可 （ ） （ R、 T，点） 用点数（点） 继电器输出 晶体管输出 晶 闸管输出 8 8 24 32 16 16 24 32 24 24 48 120 32 32 48 120 40 40 48 120 64 64 48 120 本设计中输入点设置为 12 个，输出点设置为 13 个 ，为了满足设计的控制要求选用了 ，其硬件电路如图 3示。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 6 图 3位剪 制系统硬件接线图 感器的设计 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息 ， 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理 、 存储、显示、记录和控制等要求 。 它是实现自动检测和自动控制的首要环节 5。 新技术革命的到 来 ， 世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是 如何 获取准确可靠的信息， 比如， 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中 ，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量 。可见， 传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 如果 没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 显然 ， 要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度 的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。石家庄铁道大学四方学院毕业设计 7 一些传感器的发展 往往是一些边缘学科开发的先驱。 电编码器的设计 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电编码器的原理图 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 （ 。根据不同的应用对象，可选择分辨率通常在 500 6000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。 （ 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 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 ， 主要应用石家庄铁道大学四方学院毕业设计 8 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光电编码器的主要参数。 表 3光电编码器的主要参数 主要参数 参数说明 输入电压 0 70和 0 85时为 100时为 入电流 最大无负载电流为 100入波动 在 0 100 峰 峰之间为 100出波形 增量式，正交输出，当转轴顺时针旋转时， 通道 输出电路 推挽输出每通道最大驱动电流 20 基准脉冲 每转一周输出一个脉冲。 频率响应 标准 10选高达 1 抗干扰性 经 01合欧洲标准。 分辨率 1度 200 1999 度分 ） 之内 （ 机械角度 ） 2000 3000 度分 ） 之内 （ 机械角度 ） 3000 机械角度 ） 位置传感器的设计 位置传感器也叫位移传感器 ， 直线位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。为了达到这一效果，通常将可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的 阻值。传感器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，滑片和始端之间的电压，与滑片移动的长度成正比。将传感器用作分压器可最大限度降低对滑轨总阻值精确性的要求，因为由温度变化引起的阻值变化不会影响到测量结果。 位置 传感器的选型原则 主要应从 以下 几 个方面来 考虑 ： （ 1） 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 ； （ 2） 灵敏度的选择 ； （ 3） 频率响应特性 ； （ 4） 线性范围 ； （ 5） 稳定性 ； （ 6） 测量精度 ； 根据具体的测量工作 ，至少应从 以上六个方面综合考虑，以选择 最 合适的 位置 传石家庄铁道大学四方学院毕业设计 9 感器。 本设计所选位置传感器为 列 直线位移传感器，其主要参数如表 3 表 3T 系列直线位移传感器主要参数 主要参数 参数说明 有效电气行程 (50/100/130/150/175/200/225/275/300/375/400 独立线性 (围之内 ) 位移速度 标准 5m/s(可选择 10m/s) 位移力 2N 10N 动 5 0g 冲击 50g， 11作加速度 200m/0g) 电阻公差 20% 推荐指针电流 最大指针电流 10大应用电压 60V 损耗 (在 120时为 0W) 3W 电阻的温度系数 200 输出电压的实际温度系数 / 工作温度范围 100 磁离合器的设计 磁离合器的简介 基本原理 ： 线圈通电时产生磁力吸合 “ 衔铁 ” 片，离合器处于接合状态；线圈断电时 “ 衔铁 ” 弹回，离合器处于分离状态。 应用场合： 适用于 机床 、包装、印刷 等 高频动作的机械 传动系统 ，可在主动部分运转的情况下，使从动部分与主动部分结合或分离。 特点 ： （ 1） 高速响应 ， 扭力的传达很快，可以达到便捷的动作。 （ 2） 耐久性强 ， 散热情况良好，而且使用了高级的材料，即使是高频率，高能量的使用，也十分耐用 . （ 3） 组装维护容易 ， 属于滚珠轴承内藏的 磁场 线圈静止形，所以不需要中 芯 取出也不必利用碳刷，使用简单。 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 10 （ 4） 动作 结 实 ， 使用板状弹片，虽有强烈震动亦不会产生松动，耐久性佳。 磁离合器 的选型 综合定位剪生产线的需要和电磁离合器的特点，选择 干式单片电磁离合器，其主要参数见表 3 表 3式单片电磁离合器的主要参数 型号 电压 V 功率 W 扭矩 N*m 最高转速 5 100 5000 频器 设计 频调速原理 由电机学原理可知电动机转速表达式为： n=60f(1 s)/p （ 3 式中： n 为电机转速 （ r/； f 为电源频率； p 为电机定子绕组的极对数； s 为转差率。 从上式可看出：在电机定子绕组的极对数 p 及转差率 s 恒定的前提下，电机转速与频率 f 成正比，即只 要调节频率 f，则可改变电机的转速。 频器的选型 变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源 的 控制装置 。 变频器集成了 高压 大功率晶体管技术和电子 控制技术 ，得到广泛应用 。 变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器 和三相异步 电动机组合替代了大部分原先只能用 直流电机 完成的工作， 能实现对交流异步电机的软起动、 变频调速 、提高运转 精度 、改变功率因素 、 过流 /过压 /过载保护等功能。 由于 用 达到更好的