（机械工程专业论文）聚合物锂电池极片冲裁机自动控制系统设计及编程.pdf

摘要 摘要 被称为“新一代锂电池”的聚合物锂电池由于其优良的性能将得到广泛的 应用，与传统镍镉电池和液态锂电池相比，聚合物锂电池具有高能量密度和优 异的安全性能。据统计，锂电池每年销量按3 0 9 6 递增，其中5 0 9 6 为聚合物锂电池 的增加。2 0 0 1 年聚合物锂电池项目被国家经贸委列为“国家重点新产品试产计 划项目”，因此聚合物锂电池的生产也将扩大，其相关部件的自动生产设备需求 将增加。本文对电池极片自动冲裁机的控制系统进行了研究，工作重点是对该 控制系统的设计。 本文主要研究内容是利用可编程控制器( p l c ) 的逻辑控制功能、定时计 数控制功能、数据处理功能和运动控制功能等应用于电池极片自动冲裁机的自 动生产控制系统和料边自动纠偏控制系统中。在w i n d o w s 环境下，利用 f p w i n g r 开发环境( 日本松下公司开发的p l c 编程软件) 开发了主控制程序 和纠偏控制程序，并取得了以下进展： 1 根据电池极片的生产工艺特点，实现了极片冲裁从送料至产品的取出全 过程自动化。 2 采用光纤传感器检测料边，再利用p l c 的位置控制功能实现了对料边 的自动纠偏。 本文的工作对电池极片冲裁机的制造有着重要意义，并为企业带束经济效 益。 关键词：聚合物锂电池：光纤传感器；可编程控制器；自动纠偏 a bs t r a c t b e c a u s eo fe x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，l i t h i u mp o l y m e rb a t t e r yw h i c hi s t i t l e da s n e wg e n e r a t i o no fl i t h i u mb a t t e r y ”w i l lb ew i d e l yu s e d c o m p a r i n gt ot r a d i t i o n a l n i c k e l c a d m i u mc e l la n dl i q u i ds t a t el i t h i u mc e l l ，l i t h i u mp o l y m e rb a t t e r yp o s s e s st h e p r o p e r t yo fh i g he n e r g yd e n s i t ya n ds e c u r i t y s t a t i s t i c a l d a t ai n d i c a t et h a t s a l eo f l i t h i u mb a t t e r yi n c r e a s eb y3 0 e v e r yy e a ra tp r e s e n t ，a m o n gw h i c ht h el i t h i u m p o l y m e rb a t t e r yt a k eu pa l m o s t5 0 o ft h ea d d i t i o n t h ep r o j e c to fd e v e l o p i n g l i t h i u mp o l y m e rb a t t e r yw a sr a n k e d n a t i o n a le m p h a s i sn e wp r o d u c tt r i a l p r o d u c i n g p l a np r o j e c t b yt h en a t i o n a le c o n o m i ca n dt r a d ec o m m i t t e ei n2 0 0 1 ，i t sp r o d u c t i o n w i l lb ee x p a n d e d ，c o n s e q u e n t l y , t h er e q u i r e m e n t f o ra u t o m a t i o np r o d u c t i o n e q u i p m e n to fi t sc o m p o n e n t sw i l lb ei n c r e a s e d ai n v e s t i g a t i o na b o u tt h ec o n t r o l s v s t e mo fb a t t e r ye l e c t r o d ea u t o m a t i cb l a n k i n gm a c h i n eh a v e b e e nd o n ei nt h i sp a p e r , t h em a i nw o r ki sc o n c e n t r a t e do nt h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h el o g i cc o n t r o lf u n c t i o n 、t i m i n g c o u n t i n gc o n t r o lf u n c t i o n 、d a t a p r o c e s s i n gf u n c t i o na n dl o c o m o t i o nc o n t r o lf u n c t i o n o fp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ( p l c ) ，u t i l i z i n gf p w i n g rs o f t ( w h i c hh a db e e nd e v e l o p e d f o rp l cp r o g r a m m i n g b yp a n a s o n i cc o m p a n y ) o nt h ew i n d o w s e n v i r o n m e n t ，am a r ec o n t r o l l i n gp r o g r a m a n dae d g ec o r r e c t i o nc o n t r o l l i n gp r o g r a ma r ed e s i g n e df o rt h eb a t t e r ye l e c t r o d e a u t o m a t i cb l a n k i n gm a c h i n ea n dt h ef o l l o w i n gp r o g r e s s e sa r ea c h i e v e di l lt h i sp a p e r ： f i r s t l y , a c c o r d i n gt om a n u f a c t u r ep r o c e s so fb a k e r ye l e c t r o d e ，t h ea u t o m a t i z a t i o n o fo v e f u l lp r o c e s sf r o mr a wm a t e r i a lu n r e e l i n gt op r o d u c tt a k i n go u ti sr e a l i z e d s e c o n d l v ，u t i l i z i n g 胁e rs e n s o ra n dt h e l o c o m o t i o nc o n t r o lf u n c t i o no fp l c ， a u t o m a t i ce d g ec o r r e c t i o ni sr e a l i z e d t h ep r o g r a m sr u ns u c c e s s f u l l yd u r i n gp r o d u c t i o np r o c e s so fb a t t e r ye l e c t r o d e a u t o m a t i cb l a n k i n gm a c h i n e k e y w o r d s ：l i t h i u mp o l y m e rb a k e r y , f i b e r s e n s o r , p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r , a u t o m a t i ce d g ec o r r e c t i o n n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者繇多1 帕彳吼州 肘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囹，在j 一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者繇计辛弘彳 导师签名： 日期：7 州夕年1 ，月f 目 日期：年月 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀 下匕 1 1 自动控制的基本原理及应用 1 1 1 自动控制的发展与应用 简单地说，自动控制是利用装置自动地对某些物理量的变化规律进行控制 的技术。早在7 世纪，人们就在钟表机构，水轮机及风车的速度控制方面使用 了自动控制技术。然而真正在工业上应用自动控制的例子是1 7 8 4 年瓦特( j w a t t ) 发明的第一个蒸气机离心调速器，它的作用是当负载或其它因素使蒸气机的转 速发生变化时，以维持蒸气机的转速基本保持不变。1 9 3 0 年左右，自动控制进一 步应用到化工、冶金等工业部门。在第二次世界大战期间，自动导引、高射火 炮位置控制、雷达天线跟踪、飞机自动驾驶仪以及导弹制导等系统先后出现， 这些装置的出现表明自动控制技术到了一个新的水平。 随着自动控制技术的发展，控制理论也相应得到了很大发展。1 8 6 8 年马 克斯威尔( j c m a xw e l l ) 从描述系统的微分方程的解中用有无增长指数函数 项来判断稳定性；1 8 7 7 年劳斯( e r o u t h ) 和1 8 9 5 年赫尔维茨( a h u r w i t z ) 分别独 立地提出关于系统稳定性的代数判据；1 9 3 2 年奈奎斯特( h n y q u i s t ) 在研究负反 馈放大器时提出了有名的稳定性准则及稳定裕度的概念；在此基础上，伯德 ( h w b o d e ) 于1 9 4 5 年提出用图解法来分析和综合反馈控制的方法，形成了控制 理论的频率法。与此同时，1 9 4 8 年伊文斯( w r e v a n s ) 提出有名的根轨迹法。频 率法和根轨迹法对自动控制技术的发展起了重要作用，建立在这两种方法上的 理论就是我们通常说的经典控制理论。 由于空间技术的发展，要求高精度地处理多变量和非线性控制问题，以及 数字计算机的发展成熟，于上世纪5 0 年末6 0 年代初形成了现代控制理论。现 代控制理论的基础为：1 9 5 6 年庞特里亚金( j 1 c 1 10htp h r1 4 h ) 提出了极 大值原理，1 9 5 7 年贝尔曼( r b e l l m a n ) 提出了动态规划，1 9 6 1 年卡尔曼 ( r e k a l m a n ) 提出了优滤波理论以及状态空间方法的应用。现代控制理论的特点 是：不仅研究系统的输入、输出特性，而且还研究系统的内部特性；所用的数 学工具为矩阵理论等近代数学；所设计的系统对给定指标基本上是最优的，并 且一般用计算机来实现控制。从1 9 6 0 年代至今，现代控制理论又有巨大的发展， 并形成了若干分支学科，如线性系统理论、最优控制理论、动态系统辩识、自 适应控制、大系统理论等。 控制理论的发展进一步促进自动控制技术和其它学科的发展。现在自动控 华南理丁大学工程硕十学位论文 制技术及理论已经普遍应用于机械、冶金、石油、化工、电力、航空、航海、 宇航、核反应堆、导弹、工业管理及生物学等各个科学领域，并为各学科之间 的相互渗透起了促进作用i l l 。 1 1 2 自动控制的基本原理 自动控制有两种基本的控制方式：开环控制和闭循环控制。对应于两种控 制方式有两种基本的自动控制系统：开环控制系统和闭环控制系统。 开环控制是一种较简单的控制方式，其特点是，在控制器与被控对象间只 有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对控制量没有影响。开 环控制系统的示意框图如图1 1 所示： 图1 1 开环控制系统 f i g u r e1 1o p e nl o o pc o n t r o ls y s t e m 在开环控制系统中，对于每一个参考输入量，就有一个与之相对应的工作 状态和输出量。系统的精度取决于元、器件的精度和特性调整的精度。当系统 的内扰和外扰影响不大，并且控制精度要求不高时，可采用开环控制方式。 闭环控制的特点是，在控制器与被控制对象之间，不仅存在着正向作用， 而且存在着反馈作用，即系统的输出量对控制量有直接影响。将检测出来的输 出量送回到系统的输入端，并以输入信号比较的过程称为反馈。若反馈信号与 输入信号相减，则称为负反馈，反之，若相加，则称正反馈。输入信号和输出 信号之差，称为偏差信号。偏差信号作用于控制器上，使系统的输入量趋向于 给定的数值。闭循环控制的实质，就是利用负反馈的作用来减小系统的误差， 因此闭循环控制又称为反馈控制，其示意框图如图1 2 所示： 反馈量 测量元件 控制量 控制对象 输出量 图1 2 闭环控制系统 f i g u r e1 2c l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m 反馈控制是一种基本的控制规律，它具有自动修正被控制量偏离给定值的 2 第一章绪论 作用，因而可以抑制内扰和外扰所引起的误差，达到自动控制的目的即i 。 1 2 可编程控制器的原理及应用 可编程控制器p l c ( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 在现代工厂的生产中有着广 泛的使用。可编程控制器起源于2 0 世纪6 0 年代，美国通汽车公司为适应汽车 型号不断翻新的需要而提出要发展一种新的控制设备。从1 9 6 9 年第一台可编程 控制器产生以来，随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，极大地推动了p l c 的发展，使得p l c 功能日益增强。p l c 可进行模拟量控制、位置控制和p i d ( p r o p o r t i o ni n t e g r a ld i f f e r e n t i a l ) 控制等。 1 2 1p l c 的基本结构 p l c 采用了典型的计算机结构( 如图1 3 ) ，主要包括c p u 、r a m 、r o m 和输入输出接e l 等，其内部采用总线结构进行数据和指令的传输。 图1 3p l c 典型结构 f i g u r e1 3t y p i c a ls t r u c t u r eo fp l c 华南理工大学工程硕七学位论文 1 2 2p l c 的工作原理 p l c 采用循环扫描工作方式。先将用户程序按先后顺序存放在p l c 中，对 于每个程序，c p u 从第一条指令开始执行，直至遇到结束符号后又返回第一条 指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期，一个扫描周期 大致可分为i o 刷新和执行指令两个阶段，即 i o 刷新执行指令i 0 刷新 执行指令 专第一个扫描周期专第二个扫描周期七 所谓i o 刷新是指，p l c 先将上一次扫描结果送到输出端，再读取当前输 入的状态，也就是将存放输入、输出状态的寄存器内容进行一次更新，故称为 “i ( 输入i n p u t ) o ( 输出o u t p u t ) 刷新”。 1 2 3p l c 的主要功能 1 条件控制功能 条件控制( 或称逻辑控制、顺序控制) 功能是指用p l c 的与、或、非指令 取代继电器触点的串联、并联及其他各种逻辑连接、进行开关控制。 2 定时计数控制功能 定时计数控制功能是指用p l c 提供的定时器、计数器指令实现对某种操作 的定时或计数控制，以取代时间继电器和计数继电器。 3 步进控制功能 步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前 一道工序完成后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进 控制器。 4 数据处理功能 数据处理功能是指p l c 能进行数据传递、比较、移位、数制转换、算术运 算、逻辑运算以及编码和译码等操作。 5 a d 与d a 转换功能 a d 与d a 转换功能是指通过a d 、d a 模块完成模拟和数字量之关的转 换。 6 运动控制功能 运动控制功能是指通过高速计数模块和位置控制模块等进行单轴运动控 4 第一章绪论 制。 7 过程控制功 过程控制功能是指通过p l c 的p i d 控制指令或模块实现对温度、压力、速 度、流量等物理参数的闭环控制。 8 扩展功能 扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元( 即v o 扩展单元) 模块来增加 输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高p l c 的控制 能力。 9 远程i o 功能 远程i o 功能是指通过远程i o 单元将分散在远距离的各种输入、输出设 备与p l c 主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。 1 0 通信联网功能 通信联网功能是指通过p l c 之间的联网、p l c 与上位计算机的链接等，实 现远程u o 控制或数据交换，以完成较大规模的系统控制。 1 1 监控功能 监控功能是指p l c 能监视系统各部分的运行状态和过程，对系统中出现的 异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序 中的定时器、计数器等设定值或强制i o 状态。 1 2 4p l c 的主要特点 1 可靠性高、抗干扰能力强 为保证p l c 能在工业环境下可靠工作，在设计和生产过程中采取了一系列 硬件和软件的抗干扰措施： ( 1 ) 隔离。p l c 的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递 信号。使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效地抑制外部干扰源 对p l c 的影响，同时防止外部高电压串入，减少故障和误动作。 ( 2 ) 滤波。在p l c 的电源电路和输入、输出电路中设置了多种滤波电路， 用以对高频干扰信号进行有效抑制。 ( 3 ) 对p l c 的内部电源还采取了屏蔽、稳压、保护等措施以减少外界干 扰、保证供电质量。另外使输入、输出接口电路的电源彼此独立，以避免电源 间的干扰。 ( 4 ) 内部设置连锁、环境检测与诊断、w a t c h d o g ( “看门狗”) 等电路，一 旦发现故障或程序循环执行时间超出了警戒时钟w d t 规定时间( 预示程序进 入死循环) ，立即报警。以保证c p u 可靠工作。 5 华南理工大学工程硕士学位论文 ( 5 ) 利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测、 并采取信息保护和恢复措施。 ( 6 ) 对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或 信息不丢失。 ( 7 ) 采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。 另外，p l c 是以集成电路为基本元件的电子设备，内部处理过程不依赖于 机械触点，是保障可靠性高的重要原因；而采用循环扫描的工作方式，也提高 了抗干扰能力。 2 可实现三电一体化 p l c 将电控( 逻辑控制) 、电仪( 过程控制) 和电结( 运动控制) 这三电集 于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应工 业控制的需要。 3 编程简单、使用方便、控制程序可变、具有很好的柔性 p l c 继承传统继电器控制电路清晰直观的特点，充分考虑电气工程技术人 员的读图习惯，采用面向控制过程和操作的“自然语言 梯形图为基本编程 语言，容易学习和掌握。p l c 控制系统采用软件编程来实现控制功能，其外围 只需将信号输入设备( 按钮、开关等) 和接收输出信号执行控制任务的输出设 备( 如接触器、电磁阀等执行元件) 与p l c 输入、输出端子相连接，安装简单、 工作量少。当生产工艺流程改变或生产线设备更新时，不必改变p l c 硬设备， 只需改编程序即可，灵活方便，具有很强的“柔性”。 4 体积小、重量轻、功耗低 由于p l c 是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固、体积小巧、易于 装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 1 2 5p l c 的应用范围 随着微电子技术的快速发展，p l c 的制造成本不断下降，而其功能却大大 增强。目前在先进工业国家中p l c 已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆 盖了所有工业企业，诸如钢铁、冶金、采矿、水泥、石油、化工、轻工、电力、 机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保、交通、建筑、食品、娱乐等各行 各业，日益跃居现代工业自动化三大支柱( p l c 、r o b o t 、c a d c a m ) 的主 导地位“儿5 】【a l 【7 儿”。 美国著名的商业情报公司f r o s ts u l l i v a n 公司在1 9 8 2 年曾对该国的石 油、化工、冶金、机械等行业的4 0 0 多个工厂企业进行统计调查，结果表明p l c 在企业中的应用相当普及( 见表1 1 ) 。p l c 的销售额的年增长率超过2 0 。 6 第一章绪论 表1 1 各种工业控制设备的使用情况 t a b l e1 1a p p l i e ds t a t u so fv a r i o u si n d u s t r i a lc o n t r o le q u i p m e n t 工业自动化设备名次所占比例( ) 可编程控制器l8 2 自动化仪表 2 7 9 计算机 34 3 专用控制器 4 3 6 数据采集系统 52 7 能源管理系统62 4 自动材料处理系统 72 3 分散控制系统 8 2 2 自动检查与测试 91 8 数控( d n c 和c n c ) 1 01 5 材料供应计划系统 1 11 4 传送机械 1 2 9 c h d | c a m1 38 机器人、机器手 1 46 1 3 课题背景 我国从改革开放以来，由于优惠政策、低廉而丰富的劳动力资源、广阔的 市场，逐渐受到越来越多国际制造企业的青睐。随着市场竞争的加剧以及追求 高效率等，越来越多的制造企业使用自动化设备，我国已经加入w t o ，由于劳 动力成本低的优势，其作为“世界工厂 的作用将更加得以体现，东莞作为一 个重要的制造业城市，她将越来越多的承接世界发达国家的产业转移。 东莞的制造业范围非常广泛，即有中低端的制衣制鞋业，也有高端的电子 产品和1 1 r 产品的制造业。在众多的电器和电子产品中都要用电池，如手机、 d v d 、笔记本电脑、飞机模型、摄像机、电动玩具、通讯设备和机器人等。被 称为“新一代锂电池”的聚合物锂电池，其核心技术一直被日本、韩国等企业 控制，与传统镍镉电池和液态锂电池相比，聚合物锂电池具有高能量密度和优 异的安全性能，可做到薄如纸，而且物理形态可变，这样更增加了其使用的范 7 华南理工大学工程硕士学位论文 围。据统计，锂电池每年销量按3 0 递增，其中5 0 为聚合物锂电池的增加。 2 0 0 1 年聚合物锂电池项目被国家经贸委列为“国家重点新产品试产计划项目”， 国内一些企业，如t c l 已在生产聚合物锂电池方面正逼近日本和韩国企业，并 已打破了日、韩企业的技术垄断。 作为一家主要为电池制造行业设计和制造自动化设备的企业，能接到来自 海外聚合物锂电池生产企业的定单，若能出色地完成该项目，将为其在国内外 业务发展提供一个更好的前景。 1 4 课题内容 本课题来源于自动化设备制造企业的一个设计制造项目，应用于聚合物锂 电池的极片冲裁生产中。本论文研究课题是聚合物锂电池极片自动冲裁机的自 动控制系统及程序设计，其主要内容包括： 1 自动控制系统中各主要器件的确定：根据整体的生产过程要求，选用p l c 作为控制器，力矩电机、步进电机和伺服电机等作为执行元件 9 - q s l ，光电感 应器作为检测元件 1 6 - - 1 9 i ，这样既可保证使用要求，同时控制在较低的成本。 2 生产过程自动控制主程序设计：利用梯形图进行程序编制。由于梯形图直观 清晰，编程容易，可读性强，使用户操作方便，很受用户欢迎h 1 1 2 0 1 。 3 纠偏控制程序设计：由于在生产过程中，使用的材料为薄带状，容易发生偏 移，而用户对产品的尺寸要求严格，所以设计一个伺服系统对其进行纠偏， 以保证正常生产。 本论文的内容安排如下： 第一章介绍了自动控制原理和p l c 的原理及其应用现状。 第二章介绍了冲裁机的总体构思及概念设计。 第三章介绍了冲裁机控制系统的主要硬件和针对纠偏伺服系统的p l c 位置 控制指令。 第四章介绍了主控制程序及其功能。 第五章介绍了纠偏控制程序。 1 5 本章小结 本章主要介绍了自动控制的基本原理及其应用，并且重点介绍了p l c 在工业自 动化控制中的应用，同时阐明了本课题的背景和研究内容。 8 第二章电池极片冲裁机总体构思 第二章电池极片冲裁机总体构思 2 1 产品生产的特点及要求 本机所冲裁的电池极片( e l e c t r o d e ) 材料为薄片，要求在生产过程中需要 成卷送料和成卷收废料，而且极片在冲裁时须垫一层保护薄膜( p r o t e c t i v e m y l a r ) ，薄膜也需要成卷放料和收料。放料和向冲裁工位进给料时采用可编程 的步进送料。采用液压进行冲裁，并且不能损坏保护膜。成型的电池极片用抽 真空吸嘴从余料中取出。由于材料为薄片，在冲裁过程中须保证料边位置精度 在+ o 1 0 2 m m ，所以需要一个伺服纠偏机构 2 1 1 。 2 2 主要模块及概念设计 基于产品生产特点的要求，本机器主要由以下模块组成： 1 电极放料 2 电极自动步迸送料 3 保护膜( p r o t e c t i v em y l a r ) 收放 4 自动纠偏 5 极片冲裁 6 产品吸取 机器的概念设计如下图所示： 9 华南理工大学工程硕士学位论文 e ie c t r o d e 薄膜放料 薄膜收料 图2 1 功能模块概念设计图 f i g u r e2 1c o n c e p t u a ld e s i g nd i a g r a m o ff u n c t i o nm o d u l e s 电极放料：通过电机和传感器将成卷的电极材料定量放出。 电极自动步进送料：用步进电机根据设定的节距向冲裁工位送料。 保护膜收放：通过力矩电机将成卷薄膜放出并卷起。 自动纠偏：利用伺服电机在冲裁之前对电极进行自动纠偏到要求位置。 极片冲裁：用液( 气) 压缸进行冲裁，使极片至规定的形状和尺寸要求。 产品的吸取：使用真空吸盘将冲裁好的产品吸放到指定的地方。 2 3 产品的尺寸规格 极片材料一部分有涂层( c o a t i n gl a y e r ) ，一部分没涂层，冲裁成型后如下 图所示： 1 0 第二章电池极片冲裁机总体构思 图2 2 产品概念图 f i g u r e2 2p r o d u c tc o n c e p t u a ld i a g r a m a = 2 m m ，b = 2 m m ，c = + 一0 1 m m ，d = 5 m m ( m i n i m u m ) 2 4 本章小结 q y e r 本章主要介绍了聚合物锂电池极片冲裁机的生产使用要求和产品的规格 要求，同时分析了机器的组成模块。 华南理工大学工程硕士学位论文 第三章自动控制系统主要硬件 3 1 总体概念设计 根据机器使用要求，选择松下( p a n a s o n i c ) f p 0 微型p l c 作为系统主控器。 按各功能模块的要求，分别选择力矩电机( t o r q u em o t o r ) 、电磁制动电机 ( e l e c t r o m a g n e t i cb r a k em o t o r ) 、步进电机( s t e pm o t o r ) 、伺服电机( s e r v o m o t o r ) 、气缸( c y l i n d e r ) 等作为主要的驱动元件。用光电传感器和光纤传感器 等作为主要的检测元件。 e l e c t r o ma g ne t ic 力矩电机力矩电机 图3 1 驱动元件的概念设计图 f i g u r e3 1c o n c e p t u a ld e s i g nd i a g r a mo fd r i v ec o m p o n e n t s de r t o r t o r 本机主要是通过自动控制系统对各功能模块动作进行控制使其按规定的顺 序和要求进行，从而达到生产出符合规格的产品，其总体框图如下所示。 1 2 第三章自动控制系统主要硬件 p c 机 触摸屏 图3 2 冲裁机总体框图 f i g u r e3 2o v e r a l lc o n c e p t u a ld i a g r a mo fb l a n k i n gm a c h i n e 先在p c 机上利用编程软件编好程序，通过电缆输入到p l c 中，同时可通 过触摸屏对一些参数进行设置传送至p l c 。p l c 根据编好的程序和设置好的参 数控制机器进行动作从而生产出所需的产品。 3 2 松下( p a n a s o n ic ) f p 0 微型p l c 的特点及其功能 松下电工推出的f p o 微型p l c ， r s 2 3 2 通信口可直接与计算机通信， 选其作为主控器。 其特点是体积小巧，功能强大，而且带有 无需适配器。基于其特点和强大功能，故 华南理丁大学t 程硕七学位论文 3 2 1f p o 的外形结构及特点 f p o 机型小巧精致，其外形尺寸高9 0 m m ，长6 0 r a m ，一个控制单元只有 2 5 r a m 宽，甚至i 0 扩充至1 2 8 点，总宽度也只有1 0 5 r a m 。其安装面积在同类 产品中 “呻、* 十v 一 是最小的，所以可安装在较小的机器和控制板上。飞 其主要特点如下： 1 扩展方便 f p 0 除主控单元外，还可轻松地扩展i o 模 块，i o 点从最小1 0 点可增至最大的1 2 8 点，扩 展单元不需任何电缆即可直接接到主控单元上。 2 运行速度快 f p 0 的运行速度在同类产品中是最快的，每 个基本指令执行速度为0 9 s 。5 0 0 步的程序只需 0 5 m s 的扫描时间。还可读取短至5 0 l t s 的窄脉冲， 即f p o 有脉冲捕捉功能。 3 程序容量大 f p 0 具有5 0 0 0 步的大容量内存及大容量的数 据寄存器，可用于复杂控制及大数据量控制。 4 特殊功能 f p o 具有两路脉冲输出功能，可单独进行运 动位置控制，互不干扰。具备双相、双通道高速 计数功能。此外，f p o 具备脉宽调制( p w m ：p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 输出功能，利用它可以容易地 实现温度控制。 5 通信功能 l 一状态指示发光二极管 加模式开关卜编程口 。4 一电源连接器 5 - - 输出指示发光二极管 6 - - 辕出璐予( 9 脚) # “ - 7 - - 输入指示发光二檄管一 $ - - 辘人磺子9 辫 图3 3f p 0 主机外形结构图 f i g u r e3 30 u t l i n eo ff p 0 f p 0 可经r s 2 3 2 口直接连接调制调解器。松下电工的各种编程工具软件都 适用于f p o ，由于f p o 的编程工具接口是r s 2 3 2 c ，所以仅需一根电缆就可和个 人电脑连接。 6 其他性能 f p 0 维护简单，程序内存使用e e p r o m ，无需备用电池，另外还增加了程 序运行过程中的重写功能m 蚴棚。 1 4 第三章自动控制系统主要硬件 3 2 2f p o 的i 0 配置及分配 表3 1 为f p o 寄存器配置情况。表3 2 是i 0 地址分配情况。 表3 1f p o 寄存器i 0 配置一览表 t a b l e3 1i od i s t r i b u t i o nl i s to ff p or e g i s t e r 符号编号功能 xx o x 1 2 f 输入寄存器 yy o y 1 2 f 输出寄存器 r 0 一r 6 2 f内部通用寄存器( 继电器) r r 9 0 0 0cr 9 0 3 f特殊寄存器( 继电器) tt o t 9 9 定时器 cc 1 0 0 c 1 4 3 计数器 、v xw x o w x l 2 “字”输入继电器 w yw y o w y l 2“字”输出继电器 l 你w r l w r 6 2通电“字”寄存器( 继电器) d t 0 一d t l 6 5 9 ( c l o c 1 6 ) 通用数据寄存器 d t d t o d t 6 1 4 3 ( c 3 2 ) 专用数据寄存器 s vs v o s v l 4 3设定值寄存器 e ve v 0 一e v l 4 3 经过值寄存器 i x 索引寄存器 l y索引寄存器 k十进制常数寄存器 h 十六进制常数寄存器 1 5 华南理工大学丁程硕+ 学位论文 表3 2f p 0i o 地址分配一览表 t l b l e3 2f p 0i oa d d r e s sd i s t r i b u t i o nl i s t 品种输入编号输出编号 cl o r s ，cl o r mx o x 5y o y 3 c1 4 r s c1 4 r mx o x 7y 0 一y 5 主控单元 c 1 6 r s c 1 6 r mx o x 7y o y 7 c 3 2 t c 3 2 px o x fy o y f e 8 rx 2 0 一x 2 3y 2 0 x 2 3 第一扩展 e 1 6 r 厄1 6 t e 1 6 px 2 0 x 2 fy 2 0 y 2 f e 3 2 t e 3 2 px 2 0 x 2 fy 2 0 y 2 f e 8 r x 4 0 一x 4 3y 4 0 y 4 3 第二扩展 e 1 6 r e 1 6 t e 1 6 px 4 0 一x 4 7y 4 0 一y 4 7 e 3 2 t e 3 2 px 4 0 一x 4 fy 4 0 一y 4 f e 8 rx 6 0 x 6 3 y 6 0 y 6 3 第三扩展 e 1 6 r ，e 1 6 t e 1 6 px 6 0 一x 6 7y 6 0 y 6 7 e 3 2 t e 3 2 px 6 0 一x 6 fy 6 0 y 6 f 3 2 3f p 0 指令系统 f p 0 具有丰富的指令系统，达到2 0 0 多条，通常分为二类：基本指令、高 级指令。 1 基本指令 ( 1 ) 顺序指令，是指对继电器和继电器的触点进行逻辑操作的指令，如s t ( 初始加载) 、o r ( 或) 、d f ( 1 - - 升沿微分) 、s e t ( 置位) 等指令。 ( 2 ) 基本功能指令，包括一些具有定时器、计数器和移位寄存器功能的指 令。 ( 3 ) 控制指令，包括结束指令、主控指令、跳转、循环指令、步进指令。 ( 4 ) 条件比较指令，是带有逻辑运算功能的比较指令。它们既有基本指令 的逻辑功能，又有高级指令的运算功能。 2 高级指令 ( 1 ) 数据传输指令，包括字、位传送，块传送或复制以及数据在寄存器之 1 6 第三章自动控制系统主要硬件 间交换等指令。 ( 2 ) 数据运算及比较指令，包括b i n 码( 二进制) 算术运算、逻辑运算以 及数据比较指令。 ( 3 ) 数据转换指令，包括各种数制、码制之间的相互转换以及数据求反、 求补、取绝对值、编码、译码、组合、分离等数据变换指令。 ( 4 ) 数据位移指令，包括位( b i t 或d i g i t ) 、字( w o r d ) 、字段( w o r d s ) 的 左位移指令和右位移指令。 ( 5 ) 位操作指令，包括位设置、位清除、位求反、位测试和位计算等指令。 ( 6 ) 特殊功能指令，指f p 0 中一组专门和高速计数器( h s c - h i g hs p e e d c o u n t e r ) 和脉冲输出功能相配合的高级指令，如f 1 6 8s p d l ( 速度及位置控制 指令) 。 3 2 4f p o 位置控制的实现 特殊功能指令f 1 6 8s p d l 和高速计算器h s c 相配合可方便地实现速度及位 置控制。 3 2 4 1f p o 的内置高速计数器h s c f p o 的内置高速计数器有四个输入通道，即c h 0 、c h l 、c h 2 和c h 3 ，它 们既可设为加计数、减计数或双相输入，并且有方向控制计数方式。h s c 的计 数范围为+ 8 3 8 8 6 0 7 8 3 8 8 6 0 8 。 表3 3 是f p 0 的h s c 所使用的i o 及寄存器分配情况。 表3 3f p o 中h s c 点用的i o 及寄存器分配表 t a b l e3 3d i s t r i b u t i o nl i s to fi oa n dr e g i s t e ru s e db yh s ci nf p 0 通道号输入端硬复位标志继电器经过值寄存器目标值寄存器 c h 0x 1x 2r 9 0 3 ad t 9 0 4 4 一d t 9 0 4 5 d t 9 0 4 6 一d t 9 0 4 7 c h lx 2x 2r 9 0 3 bd t 9 0 4 8 d t 9 0 4 9d t 9 0 5 0 一d t 9 0 5l c h 2x 3x 5r 9 0 3 cd t 91 0 4 一d t 91 0 5d t 91 0 6 - d t 91 0 7 c h 3x 4x 5r 9 0 3 dd t 91 0 8 d t 9 01 9d t 9 1 1 0 d t 9 l l l 表中特殊继电器r 9 0 3 a 、r 9 0 3 b 、r 9 0 3 c 和r 9 0 3 d 分别作为c h 0 、c h i 、 c h 2 和c h 3 的标志继电器。当某通道的h s c 计数时，则相应通道的标志继电 器接通，而当h s c 停止计数时，则该标志继电器断开。利用高速计数器可实现 高速计数器功能和脉冲输出功能。 1 高速计数器功能。可以对外部输入( 如传感器或编码器) 进行计数，当 计数值达到目标值时，可以使所需的输出变为o n 或o f f 。 1 7 华南理工大学工程硕士学位论文 c u 扯- r d m o t o r e n o o d o r 1 器n p 馨u to黧hsooadut 嘴o r il 廿1 0 a h i n r b 柏| d 州一t a p e c u t t e rb l a d ee o n t r ds i g n a l 图3 4 高速计数器功能示例图 f i g u r e3 4e x a m p l ed i a g r a mo fh s c f u n c t i o n 2 脉冲输出功能。和电机的驱动器相结合，可实现位置控制。 8 t a p p i n gm o t o rs e r v om o t o r s t o p p i n gr l l o t o f s a r v om o t o r 图3 5h s c 脉冲输出功能示例图 f i g u r e3 5e x a m p l ed i a g r a m o fh s c p u l s eo u t p u tf u n c t i o n 3 2 4 2f p 0 的速度及位置控制 f 1 6 8 ( s p d l ) 为f p o 中的位置控制指令，它是根据给定的参数表白动执行 梯形控制来实现，如下例所示。 图3 6f 1 6 8 程序示例l f i g u r e3 6p r o g r a me x a m p l elo ff 1 6 8 以上程序通过输出端y o 输出的脉冲初始速度为5 0 0 h z ，最高速度为 第三章自动控制系统主要硬件 5 0 0 0 h z ，加减速时间为2 0 0 m s ，总移动量为1 0 0 0 0 个脉冲，其速度曲线图如下。 5 0 0 h z a h z 图3 7 程序示例1 的速度曲线图 f i g u r e3 7s p e e dc h a r to fp r o g r a me x a m p l el 这时，高速计数器经过值( d t 9 0 4 4 和d t 9 0 4 5 ) 会随脉冲数增加。使用梯 形控制时，设定的初始速度值不应超过5 0 0 0 h z 。 f 1 6 8 ( s p d l ) 进行位置控制的方式分为两类，一类是相对值位置控制，一类是 绝对值位置控制。在参数表中首地址的低两位为控制代码，如表3 4 所示： 表3 4f 1 6 8 控制代码说明 t a b l e3 4s p e c i f i c a t i o no ff16 8c o n t r o lc o d e 控制代码工作方式 h