（电气工程专业论文）基于plc控制的编织带自动切带机电气系统设计.pdf

a b s t r a c t t h i st o p i co r i g i n a t e df r o mt h ec o o p e r a t i o np r o j e c tb e t w e e nc h a n g z h o uw e iy up r e c i s i o n m a c h i n e r yc o a n dc h a n g z h o ui n s t i t u t eo fl i g h ti n d u s t r yt e c h n o l o g y f o rt h ee l e c t r i cc o n t r o lt o t h ea u t o m a t i cc u t t i n gm a c h i n eo fb r a i d t h ep a p e ra p p l i e sd e l t aa s d a a bs e r v oc o n t r o l l e ra n d e l e c t r o n i cc o m m u t a t i o n t y p et h r e e p h a s ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u se c m aa cs e r v om o t o r t o c o n s t i t u t eas e m i c l o s e dl o o pp o s i t i o ns e r v oc o n t r o ls y s t e mf o rr u n n i n gc o n t r o l a n du s e s m i t s u b i s h if xisp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e ra n dt o u c hp a n e lm t 4 3 0 0t oc o n s t i t u t et h em a i n c o n t r o l l e r t oc o n t r o lt h eo r d e ro fr u n n i n g r b ia n dc u t t i n g t h ee n t i r es y s t e mc a na c h i e v em a n u a l a u t o m a t i cr u n n i n go p e r a t i o na n dp r e p r o c e s sp a r a m e t e r sa n do t h e rf u n c t i o n s t h ed e s i g nu s e st h et o u c hp a n e la sm a n m a c h i n ei n t e r f a c e e x c h a n g e sd a t aw i t ht h ep l c t h r o u g ht h es e r i a lp o r t a n da c h i e v e si n p u to p e r a t i o na n dd a t as h o w i ta c h i e v e st h er u n n i n gc o n t r o l o fc u t t i n gm a c h i n eb yu s i n gp l cc o n t r o ls y s t e mw i t hp n e u m a t i cs o l e n o i dv a l v ea n do u t p u t r u n n i n gp u l s e st ot h es e r v os y s t e m t h el e n g t h p o s i t i o nc o n t r o lo fr u n n i n gb yu s i n ga cs e r v o s y s t e mi m p l e m e n t a t i o n a n dt e m p e r a t u r ec o n t r o lo fk e e nk n i f eb yu s i n gs e p a r a t et e m p e r a t u r e c o n t r o l l e r t h ep a p e rd e s i g n st h eo v e r a l lp r o g r a mo fe l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m g i v e st h el i s to fh a r d w a r e c i r c u i t sa n de l e c t r i c a lc o m p o n e n t s i l l u s t r a t e st h ed e s i g no ft o u c h s c r e e nc o n f i g u r a t i o ns c r e e na n d s e r v oc o n t r o l l e rp a r a m e t e rs e r i n gm e t h o d a n da n a l y s i st h ep r o g r a md e s i g ni d e a sa n dm a i nc o n t r o l f u n c t i o n sb yc o m b i n i n gp l cl a d d e rp r o g r a m b a s e do nt e c h n i c a la n a l y s i st op l co nt h ee l e c t r i c s y s t e mo fr u n n i n gm a c h i n ea n ds e r v os y s t e m s i n c et h ep r o t o t y p ei si n s t a l l e d t h es i m u l a t i o na n do n l i n ed e b u g g i n ga r ec o n d u c t e d t e s t i n g r u n n i n gs p e e d c u t t i n gp r e c i s i o na n dr u n n i n gt h e m t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ee l e c t r i cs y s t e m a p p l i c a t i o no nt h ec u t t i n gm a c h i n eo ft h ed e s i g nc a nc o n t r o lw i t hh i g hp r e c i s i o n o p e r a t es i m p l y a n di n t u i t i v e l y w o r kr e l i a b l y a n dh a v eh i g hp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s m e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s n o wt h ed e s i g ni si ns m a l lb a t c hp r o d u c t i o n a n d s u p p l i e s m a r k e t t h e r e f o r e t h ec o n t r o ls c h e m ep r o p o s e di nt h i sp a p e rc a nm e e tt h en e e df o rm a n ys i m i l a r o c c a s i o n so fi n d u s t r i a lc o n t r o l a n dp r o v i d ean e ww a yf o rc u t t i n gm a c h i n e k e y w o r d s c u t t i n gm a c h i n e s e r v oc o n t r o l l e r s e w om o t o lp l c h m i i i 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进 行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容以外 本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 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 声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 乓呛衩 日期 呵年p 月 7 e l 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 本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内 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 保密口 在年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名搀b 乒文 导师签名 签字日期 扣芦年p 月 7 日 硝芝析 黼期加7 年脚 7 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 电话 通讯地址 邮编 江苏大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着近年来工业和经济的发展 常州地区逐步形成了自动打包机 注塑拉丝 机 涂布机 圆织机 织带机 切带机 裁剪机 清理机 折叠机等塑料包装机 械的生产基地 本课题来源于常州伟宇精密机械有限公司与我单位的合作项目 本人负责编织带切带机的电气系统设计 经过1 年多的设计与调试 目前已经完 成设计 由厂家生产出合格的产品供应市场 编织带切带机主要应用在轻工 机械与包装等行业中 可切断各种惧热材料 编织的吊带 围带 腰带 提带等 通过对编织带进行定长打点与切断 供后续 工艺加工成各种塑料包装袋 传统的切带机采用人工定尺 计量 并由人工或机 械切断 存在生产效率低 定尺精度低 断头有毛刺及产品质量差等缺点 l 因 而如何实现编织带的自动进料 定尺 打点与切断 提高切带机的可靠性与控制 精度 实现人性化的易用操作 提高生产效率是一个亟待解决的具有很强现实工 程意义的重要课题 国外企业制造的产品相继推出采用独立驱动技术的产品 国 内对分切机 切带机的研究主要在主机驱动控制等方面 2 3 切带机电气控制系 统主要应解决的问题有 切带速度的控制 走带精度的控制 工艺参数的调整 4 针对上述情况 本文设计了一台由p l c 控制并能自动供料的切带机 由人 机界面 h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e 设定工艺参数并实时监控 伺服控制器和伺 服电机控制切带速度与走带精度 实现了整机的自动控制 提高了产品质量和劳 动生产率 人机界面 h m i 设备允许以图形形式显示所连接的p l ci 作状态 当前 过程数据及故障信息 用户可使用h m i 方便地操作和观测正在监控的设备或系 统 目前已经成为现代工业控制系统中不可缺少的设备之一 得到越来越广泛的 应用 5 1 在控制系统中配合使用h m i 与p l c 既可以减少按钮 指示灯 继电 器 显示仪表等的数量 又可以大大简化硬件电路设计 优化硬件布局 提高系 统的可靠性 伺服系统是使物体的位置 方位 状态等被控量能够跟随输入目标 或给定 兰苎苎芏三墨塑 壁垒垒墨 值 而任意变化的自动控制系统 其主要任务是按控制命令的要求 对功率进行 放大 变换与调控等处理 使驱动装置输出的力矩 速度和位置控制得非常灵活 方便嘲 本文设计的切带机采用交流伺服电机驱动 利用其运行效率高 转动惯 量小和转矩脉动小等特点 6 1 7 j 配合光电编码器 使系统具有精度高 可控性好 稳定性高和响应速度快等基本性能 1 2 编织带切带机控制技术的发展与现状 随着国内制造业的兴起及先进技术的普及 切带机 分切机等的应用日益广 泛 但与国外相比 国产设备还存在一定差距 其主要表现在稳定性 提速 降 速以及加工精度等方面 在自动化控制部分 国产切带机的自动化水平还停留在 中下等水平上 虽说国内控制器运用已非常普及 价格也较低廉 但国内切带机 厂家在使用的深度上远远落后于国外发达国家水平 特别是在控制系统上与切带 机的结构及所分切的物料上缺乏有机的结合 从这个层面上讲 国产切带机绝大 多数还停留在粗线条水平上 还没有深入领会切带机控制系统的严密性和合理性 嘲一 镪篚 盯 q d 5 0 l h 型切带机小型台式切带机 手动 半自动切带机手摇切带机 囤1l 国内主要切带机外彤图 必叁塑程硕士学位论文 切带机主要有手动切带机 半自动切带机 全自动微电脑切带机三大类 其 主要机械组成部分主要有进带压辊 走带压辊 热刀装置 打点气动装置等 电 气系统部分组成主要有热刀电路 走带电气控制线路 打孔电气控制线路等 图 1 1 是目前市场上主要切带机外形图 本次设计的是w y q d 5 0 l h 型切带机 传统的切带机一般以继电器 接触器控制和微电脑控制为主 驱动部分采用 普通异步电动机加气动装置 大量使用按钮操作与普通仪表指示 尽管近几年来 先进控制技术的应用取得了可喜的进展 逐步应用了伺服控制器和变频器控制 但基本上是局部改进 应看到控制系统仍不具备先进性 系统的精度与运行可靠 性不能满足要求 随着数字化 信息化 自动化等新技术的发展和应用 切带机 分切机的制造面临着巨大机遇和严峻挑战 9 1 0 l 本文提出的h m i p l c 伺服控制系 统的控制方案 在成本增加较少的前提下 无论从控制精度与可靠性 操作简便 与直观性 先进技术的应用性上 都有着明显的提升 伴随着计算机技术在工业控制领域应用的日益广泛与深入 国产切带机电气 控制系统必将全面提升 外形简洁 操作人性化 维护方便 高效节能是切带机 今后的发展趋势 1 1 1 1 3p k o 及h m i 技术在切带机上应用的可能性与前景 p l c 具有可靠性高 编程简单 通用性好 抗干扰能力强 功能完善 接口 功能多等特点 是实现机电一体化的理想控制设备 l 引 目前 在国内外p l c 已经 在冶金 化工 机械制造 电力 轻工等各行业得到广泛应用 其应用类型大致 可归纳为开关量控制 运动控制 过程控制 数据处理和通信联网等方面 满足 工厂自动化 f a 系统的应用需要l l 引 由于p l c 无法单独构成监控系统 无法显示各种控制图标和曲线 1 4 1 可采 用触摸屏作为人机界面 实现简单 方便 自然的 种人机交互界面 架起操作 人员和机器设备之间双向沟通的桥梁 用户可通过触摸屏以自由的组合文字 按 钮 图形 数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化的信息情况 h m i 能 够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况 使操作变的简单生动 并且可以 减少操作上的失误 即使是新手也可以很轻松地操作整个机器设备 使用h m i 还可以使机器的配线标准化 简单化 能减少p l c 控制器所需的i o 点数 使 7 江苏大学工程硕士学位论文 面板控制小型化和高性能化 在降低生产成本的同时相对地提高了整套设备的附 加价值1 1 5 j 自动切带机要求能够自动进料 打点与切断 可以设定人i 自动控制方式 并要求预存多种材料的切带长度 切带带数 打孔数目 进给速度与打点距离等 参数 虽然输入 输出信号不是很多 但是通过p l c 编程可以方便地实现较为复 杂的逻辑控制 通过h m i 方便地实现与p l c 的沟通 减少继电器 按钮 指示仪 表的使用 操作更加人性化 系统的电气硬件设备也大大得到简化 这种场合能 够体现p l c h m i 的经济性 易用性与可靠性 同时运算速度也可以得到提高 能够实现某些继电器无法实现的功能 利于实现智能化 使设备故障率大大降低 维护更为简便 提高切带机的整机性能 符合切带机控制技术的发展趋势 l 6 1 4 交流伺服技术在切带机上应用的可能性与前景 交流伺服系统由伺服控制器和交流伺服电机组成 从7 0 年代后期到8 0 年代 初期 随着微处理技术 大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造 工艺的发展 交流伺服技术的性能价格比日益提高 交流伺服电机和交流伺服控 制系统逐渐成为主导产品 1 7 由于交流伺服电机采用无刷结构 几乎不需修理 且体积较小 有利于功率和转速的提高 1 8 目前 高性能的伺服系统大多采用 永磁同步型交流伺服电机 由永磁取代绕线式转子中的励磁绕组所带来了一系列 优点 具有低速运行平稳 调速范围大 运行效率高和响应快等特点 已获得了 广泛应用 伺服控制器是用来控制伺服电机的一种器件 是伺服系统的核心 它的精度 决定了系统的整体精度 伺服控制器一般是通过位置 速度和力矩三种方式对伺 服电机进行控制 实现高精度的传动系统定位 目前主流的伺服控制器均采用数 字信号处理器 d s p 作为控制核心 可以实现比较复杂的控制算法 实现数字 化 网络化和智能化 1 9 功率器件普遍采用以智能功率模块 i p m 为核心设计 的驱动电路 i p m 内部集成了驱动电路 同时具有过电压 过电流 过热 欠压 等故障检测保护电路 在主回路中还加入软启动电路 以减小启动过程对驱动器 的冲击 8 江苏大学工程硕士学位论文 在伺服系统中通常需要测量位置反馈信号 可以用光电旋转编码器来完成伺 服电机转子运动情况的测量1 2 0 1 一般直接把编码器安装在电机的转子同轴上 使编码器的码盘跟随转子同步旋转 随着被测轴的转动 透过码盘的光束产生间 断 通过光电器件的接收和电子线路的处理 产生特定电信号的输出 并计算出 位置和速度信息f 2 l 交流伺服技术应用到切带机上 应用功能强大的伺服控制器 伺服电机和编 码器 充分利用其控制精确与响应迅速的特点 更好地控制切断精度和增加可切 断长度 使切带机走带定位准确 2 2 1 并可根据不同要求在很大的范围内调节走 带速度 同时与p l c 连接与配合也非常方便 使设计简化 所以伺服技术在切带 机中应用是非常合理的 1 5 本文内容的安排 本文共分为七章 第一章为绪论 介绍了本课题研究的目的和意义 编织带切带机控制技术的 的发展概况 另外对p l c 及交流伺服技术在切带机上应用的可能性与前景也进行 了一些介绍 第二章介绍了p l c 及伺服控制技术 主要包括p l c i 作过程 主要功能 与 其它工业控制系统的比较 p l c 控制系统设计的基本内容 以及位置伺服系统的 基本形式和半闭环位置伺服系统的工作原理 第三章介绍了编织带切带机生产工艺 电气系统的设计要求 对电气系统的 控制方案与主要控制器件也进行了简单的选型介绍 第四章依次分析了切带机电气系统的电源线路 p l c 及伺服控制线路和电磁 阀驱动线路 并选择了电气元件参数 给出了元件的具体型号 对系统的硬件设 计进行了具体描述 第五章介绍了切带机控制系统的软件设计 包括触摸屏与p l c 的参数定义 h m i 组态画面设计 伺服控制器参数设置 以及p l c 程序设计等 第六章通过仿真实验与现场测试 分析了电气系统的控制效果 并对调试过 程中出现的现场问题与解决方法进行了说明 验证了本次电气系统设计的有效性 和先进性 9 江苏大学工程硕士学位论文 第七章总结本文所做的主要工作 并对今后需要进一步研究的问题进行了简 述和展望 l o 江苏大学工程硕士学位论文 第二章p l c 及伺服控制技术 本文论述的切带机主要应用了p l c 及交流伺服控制技术 代替原先人工送 带 人工计算进带距离 人工打点和人工切断等操作 实现全自动可靠运行 并 提高产量与精度 2 1p l c 控制技术 2 1 1p l c 控制概述 可编程控制器 p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r 简称p c 或p l c 是6 0 年代末发明的工业控制器件 它采用了可编程的存储器 用来在其内部存储执行 逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作指令 并通过数字式和模拟 式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 2 3 1 p l c 内部有许多不同功 能的器件 实际上这些器件是由电子电路和存储器组成的 例如输入继电器x 是由输入电路和映象输入接点的存储器组成 输出继电器y 是由输出电路和映 象输出接点的存储器组成 定时器t 计数器c 辅助继电器m 状态器s 数 据寄存器d 变址寄存器v z 等都是由存储器组成的 p l c 采用循环扫描技术 可以分为3 个阶段 输入阶段 执行程序阶段和输出阶段 2 4 扫描过程如图2 1 所示 一个扫描周期 图2 1 循环扫描 1 输入阶段 p l c 读取输入信号的状态和数据 并把它们存入相应的输 入存储单元 l l li 厂 li 江苏大学工程硕士学位论文 2 执行程序阶段 p l c 按照由上到下的次序逐步执行程序指令 从相应 的输入存储单元读入输入信号的状态与数据 然后根据程序内部继电器 定时器 计数器 数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算 得到运算结果 并将这些结果 存入相应的输出存储单元 这一阶段执行完后 进行输出阶段 在这个执行中 输入信号的状态和数据保持不变 3 输出阶段 p l c 将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上 并通过输出模块向外部设备传送输出信号 开始控制外部设备 近年来p l c 渗透到了位置控制 温度控制 数控加工中心等各种工业控制 中 2 0 世纪末期 可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要 这 个时期发展了大型机和超小型机 从控制能力上来说 诞生了各种各样的特殊功 能单元 用于压力 温度 转速 位移等各式各样的控制场合 从产品的配套能 力来说 生产了各种人机界面单元 通信单元 2 5 1 随着我国现代化进程的深入 p l c 在我国将有更广阔的应用天地 因为从技 术上看 计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上 会 有运算速度更快 存储容量更大 智能更强的品种出现 从产品规模上看 会进 一步向超小型及超大型方向发展 从产品的配套性上看 产品的品种会更丰富 规格更齐全 完美的人机界面 完备的通信设备会更好地满足各种工业控制场合 的需求 从市场上看 各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而 打破 会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面 会出现国际通用的编程语言 从网络的发展情况来看 可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控 制系统是可编程控制器技术的发展方向 2 6 1 2 1 2p l c 的主要功能 1 条件控制功能 条件控制 或称逻辑控制或顺序控制 功能是指用p l c 的与 或 非指令取代继电器接触的串联 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 数据处理功能 数据处理功能是指p l c 能进行数据传送 比较 移位 1 2 江苏大望工程硕士学位论文 数制转换 算术运算 逻辑运算以及编码和译码等操作 4 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以后 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 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 成模拟量和数字量之间的转换 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 进行单轴或多轴运动控制 7 过程控制功能 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i 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 的控制功能 9 远程i o 功能 远程i o 功能是指通过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 机的链接等 实现远程i o 控制或数据交换 以完成较大规模系统的复杂控制 1 1 监控功能 监控功能是指p l c 能监视系统各部分的进行状态和进程 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 2 6 1 随着计算机网络的发展 可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络 的重要组成部分 将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用 2 1 3p l o 与其它工业控制系统的比较 在现代工业设备及自动化项目中 遇到大量的开关量 脉冲量及模拟量等控 制装置 目前 工业界比较有代表性的控制方式主要有以下几个类别 继电器控 制系统 单片机控制系统 微型计算机系统 集散型控制系统 1 6 1 1 p l c 与继电器控制系统的比较 继电器控制是采用硬接线逻辑 利用继电器触点的串 并联及时间继电器的 江苏大学工程硕士学位论文 延迟动作来组成控制逻辑 其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动 如果 要在现场做一些更改和扩展更是难以实行 而p l c 是利用其内部的存储器以数据 形式将控制逻辑存储起来的 其对外部的联系只有i 0 点 只要输入输出对象不 变 就无须对硬接线作任何改动 只要改变p l c 内存储器的内容 也就可以实现 更改控制逻辑的目的 另外 p l c 的运行速度为每个指令步数十微秒 对于高速p l c 则是5 微秒以 下 并且内部有严格的同步 不会出现抖动的问题 p l c 内部有丰富的定时器 和计数器资源 还具有a d d a 转换装置 可以用来对模拟量进行控制 而且 体积小 功耗小 寿命长 可靠性高 还具有监控功能和自检功能 使程序的运 行过程透明化 这些都是继电器控制无法比拟的 但是在逻辑比较简单的场合 p l c 价格略贵些 2 p l c 与单片机控制系统比较 虽然单片机的价格低廉 但它存在着编程难 不易掌握 需要做大量的接口 工作 可靠性仍较差等缺点 尽管其有较强的数据处理能力 但在开关量较多的 工业控制中其长处得不到发挥 现代p l c 的核心就是单片微处理器 是专门设计 的工业控制装置 虽然p l c 也有必不可少的软件开发过程 但与单片机相比 编 程简单 开发周期短 现场就可以开发调试 单片机控制系统仅适用于较简单的自动化项目 硬件上主要受c p u 内存容 量及i o 接口的限制 软件上主要受限于与c p u 类型有关的编程语言 一般说来 单片机系统的应用只是为某个特定产品服务的 其通用性 兼容性和扩展性都相 当差 3 p l c 与计算机控制系统的比较 微型计算机是为科学计算 数据处理等而设计的 尽管两者在技术上都采用 了计算机技术 但由于使用对象和环境的不同 p l c 较之微机系统具有面向工业 控制 抗干扰能力强 适应工程现场的温度 湿度环境 输入 输出均采用隔离技 术 使用面向工业控制的专用语言使编程及修改方便 并有较完善的监控功能 而微机系统则不具备上述特点 一般对运行环境要求苛刻 使用高级语言编程 要求使用者有相当水平的计算机硬件和软件知识 此外 微机系统的外设配备较 多 有些对工业控制并非必须 因此p l c 显然较微机系统更适合于工业控制 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 4 p l c 与集散型控制系统的比较 集散控制系统d c s d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 是由回路仪表控制系 统发展起来的分布式控制系统 它在模拟量处理 回路调节等方面有一定的优势 随着微电子技术 计算机技术和通信技术的发展 p l c 无论在功能上 速度上 智能化模块以及联网通信上 都有很大的提高 随着网络通信功能的不断增强 p l c 与p l c 及计算机的互联 可以形成大规模的控制系统 在数据高速公路上 d a t ah i g h w a y 挂接在线通用计算机 实现在线组态 编程和下装 进行在线监 控整个生产过程 这样就己经具备了集散控制系统的形态 加上p l c 价格和可靠 性优势 使之可与d c s 相互竞争与补充 由于以上的原因 可以预见随着p l c 成本的下降和机器要求的提高 将很快 在大部分场合取代继电器控制屏 无论是与传统的继电器 接触器控制逻辑相比 还是与现代的微型计算机系统乃至专用于控制的单片机相比 在工业控制方面 p l c 都具有明显的优越性 尤其是对生产流水线 动作复杂的单机 比起前述几 种控制手段来具有寿命长 可靠性高 对环境无特殊要求 开发费用低 周期短 无需专门的计算机软 硬件知识就可在短期内掌握 功能扩展方便 成本可为一 般用户所接受等优点 是现代机电一体化产品控制装置的理想选择 2 1 4p l c 控制系统设计的基本内容 p l c 控制系统设计的基本内容主要包括1 2 7 1 选择用户输入设备 h m i 操作开关 限位开关和传感器等 输出设 备 继电器 接触器和信号灯等执行元件 以及由输出设备驱动的控制对象 电 动机 电磁阀等 2 p l c 的选择 正确选择p l c 对于保证整个系统技术经济性能指标起着 重要作用 选择p l c 应包括机型的选择 容量的选择 i o 点数 模块 的选择 电源模块以及特殊功能模块的选择等 3 分配i 0 点 绘制p l c 的i o 接口图 考虑必要的安全保护措施 4 设计控制程序 包括设计梯形图 语句表 即程序清单 或控制系统 流程图 控制程序是控制整个系统工作的软件 是保证系统正常工作 安全可靠 的关键 因此 控制系统的设计必须经过反复调试 修改 直到满足要求为止 江苏 学工程硕士学位论文 2 2 交流伺服控制技术 以快速 精确跟踪为主要目标的位置伺服系统 是现代高科技各领域中不可 缺少 应用十分广泛的一种自动控制系统 在历经开环 电气一液压 直流电气 伺服的发展历程之后 现已进入交流电气伺服迅猛发展的时代 随着现代工业的 发展 各行业对数字伺服系统的需求日益增大 对其性能提出了更高的要求 2 翻 2 2 1 位置伺服系统的基本形式 位置伺服系统是一种与普通电动机调速系统有着紧密联系但又有明显不同 的系统 一般说来 对调速系统的要求是希望有足够的调速宽度 稳速精度和快 且平稳的启 制动性能 系统的主要控制目标 是使转速尽量不受负载变化 电 源电压波动及环境温度变化等干扰因素的影响 而位置伺服 一般是以足够的位 置精度 定位精度 位置跟踪精度 位置跟踪误差 和足够快的跟踪速度来作 为它的主要控制目标 2 9 1 系统运行时要求能以一定的精度随时跟踪指令的变化 因而系统中伺服电机运行速度常常是不断变化的 故伺服系统在跟踪性能方面的 要求一般是比普通调速系统高且严格得多 根据应用场合和对控制性能要求的不同 位置伺服系统具有多种不同的结 构形式 按照系统的构造特点 大体上可以将其分为四种基本结构类型 下面来 说明这四种基本结构形式 1 开环位置伺服系统 开环位置伺服系统是一种没有位置反馈的位置控制系统 它的伺服机构按照 指令装置发来的位置移动指令 驱动机械作相应的运动 但并不对机械的实际位 移量或转角进行检测 从而也无法将其与指令值进行比较 它的位置伺服精度只 能靠伺服机构本身的传动精度来保证 典型结构如图2 2 所示 这种开环位置伺服系统的位置控制精度完全依赖于步进电机的步距角精度 和齿轮 丝杠等传动部件的精度 传动链存在误差 系统是无法随时进行修正的 加上受步进电机本身力矩频率特性的制约 系统的进给速度不能很高 所以这种 开环位置伺服系统仅适用于那些对位置控制精度要求不高 位移速度较低的简易 型数控系统 它的位置控制精度一般在o o l m m 左右 但由于它结构简单 造价 低 调试容易 所以仍被广泛用于各种低档的位置控制系统 1 6 江苏大星工程硕士学位论文 图2 2 开环位置伺服系统 2 半闭环位置伺服系统 与开环位置伺服系统不同 半闭环位置伺服系统是具有位置检测和反馈的闭 环控制系统 它的位置检测器和伺服电机同轴相连 可通过它直接测出电动机轴 旋转的角位移 进而推知当前执行机械 如机床工作台 的实际位置 由于位置 检测器不是直接装在执行器上 位置闭环只能控制到电机轴为止 所以被称之为 半闭环 它只能直接地检知当前的位置信息 且也难以随时修正 消除因电动机 轴后传动链引起的位置误差 半闭环位置伺服系统结构如图2 3 所示 3 0 l 半闭环位置伺服系统中一般采用伺服电机 交流伺服电机和直流伺服电机 作执行电动机 与普通电动机相比 它具有调速范围宽和短时输出力矩大的特点 这样 系统设计时不必再为保证低速性能和增大力矩而添置减速齿轮 而可将电 动机轴与丝杠 一般采用滚珠丝杠 直接连接 使传动链误差和非线性误差 齿 轮间隙 大大减小 可以达到微米数量级的位置控制精度 半闭环位置伺服系统在它的闭环中非线性因素少 容易整定 还可以比较方 便地通过补偿来提高位置控制精度 此外 半闭环的结构使它的执行机械与电气 自动控制部分相对独立 系统的通用性增强 因而这种结构是当前国内外数控机 床等伺服系统中最普遍采用的方案 c n c 科位置调节刚速度彻玲 t 机床工作台 j i i j l 一速度反馈卜 i i j 1 l 位置反馈 一 1 件 3 半闭环位置伺服系统 全闭环位置伺服系统 位置伺服系统典型构成方法如图2 4 所示 它将位置检测器件直接安 装床工作台上 从而可以获取工作台实际位置的精确信息 通过反馈闭环实1 江苏大学工程硕士学位论文 现高精度的位置控制p 1 1 从理论上说 这是一种最理想的位置伺服控制方案 但是 在实际应用时 由于机械部分也被包含在位置闭环中 伺服的电气自动控 制部分和执行机械不再相对独立 传动的间隙 摩擦特性的非线性 传动链的刚 性等都将会影响控制系统的稳定 使系统容易产生机电共振和低速爬行 这就给 全闭环位置伺服系统的设计带来了困难 也不利于降低成本 图2 4 全闭环位置伺服系统 4 混合闭环位置伺服系统 对有的执行机械 如重型机床工作台 位置伺服系统采用半闭环虽然容易 整定 但很难补偿其机械传动部分引起的位置误差 使位置控制精度不能达到要 求的指标 采用全闭环结构系统又很难整定 系统闭环后因环内多种非线性因素 诱发的振荡很难消除 于是 人们提出一种混合闭环结构的位置伺服系统方案 如图2 5 所示 a f c 人入 位置调节 翩 击f 辛翩h 乜 叫趔1 卜 机床工作台刚y 岭广1 1 琏膨h 服 jlj it l 一速度反馈卜 1r 误差补偿 位置反馈 惦洲 一 u 他删 检测2 图2 5 混合闭环位置伺服系统 系统中同时存在半闭环和全闭环 系统工作时 半闭环起主要控制作用 由 于半闭环中电气自动控制部分与执行机械相对独立 可以采用较高的位置增益 使系统易整定 响应快 跟踪误差小 而全闭环只用于稳态误差补偿 位置增益 可选得较低以保证系统的稳定性 两者可最好获得较高的位置精度和跟踪速度 但由于系统中同时存在两个闭环 使系统的控制复杂程度大大增加 它们之间的 配合 增益调整等都必须仔细整定 位置伺服系统也因之不再具有通用性 1 s 江苏大学工程硕士学位论文 本次设计采用半闭环位置交流伺服控制系统 可以较好地满足用户要求 2 2 2 半闭环位置交流伺服系统的工作原理 在伺服系统中 电流 速度 位置三个变量之间存在着密切的联系 理论与 实践均证明 为了获得高性能可分别对三变量实现闭环控制 3 2 1 半闭环位置交 流伺服系统的基本硬件结构通常如图2 6 所示 图2 6 交流伺服系统硬件框图 2 0 世纪8 0 年代以后 电动机调速技术不断发展 高性能永磁同步调速系统 的出现 引起了人们对永磁同步伺服系统研究的高度重视 3 引 在半闭环位置交 流伺服系统中 电机主体常采用永磁同步式交流伺服电机 而伺服驱动器通常是 采用电流型脉宽调制 p w m 三相逆变器和具有电流环为内环 速度环为中间环 以位置传感器来控制定位的位置环外环的多环闭环控制系统 其外特性与直流伺 服系统相似 以足够宽的调速范围 1 1 0 0 卜1 1 0 0 0 0 和四象限的工作能力来 保证它在伺服控制中应用 3 4 1 新型的交流伺服技术是采用了机电一体化设计 与永磁同步电机同轴安装转子位置传感器 采用特殊的控制方法 将同步电机改 造成为具备与直流伺服电机相类似的伺服性能 速度指令和速度反馈信号在速度控制器的输入端进行比较 速度控制器的输 出信号为电流指令信号 这是一个表征电流幅值的数字量 由于是交流电机 要 求在其定子绕组中通入交流电流 通常由d s p 计算 控制 获得交流电流指令 交流电流指令值与电流反馈信号相比较后 差值送入电流控制器 依靠电流控制 回路的高速跟踪能力 使在电机定子电枢绕组中产生出波形与交流电流相似但幅 值要高的多的正弦电流 该电流与永磁体相互作用产生电磁转矩 推动交流伺服 1 9 江苏大学工程硕士学位论文 电机运动 交流伺服系统通常有方波和正弦波驱动两种工作模式 两者有明显区别 3 5 1 方波驱动的永磁交流伺服电机的工作原理 对于三相永磁交流伺服电机 转子相对于定子转过一对极矩的角度 即电气 角为3 6 0 度的一个电气周期内 可均分为6 个区间 或者说 三相绕组导通状态 分为6 个不同的状态 对常用的三相y 型接法 三相公共点为0 相绕组三端 a b c 连接到由六个大功率晶体管开关组成的三相桥式逆变器三个桥臂的中心 点上 由转子位置传感器作用 控制逆变器开关实现如下顺序的电源导通 a b c b c a b a b c a c 产生正转力矩 如果要产生反转力矩则反向导通 这 6 个状态中的任一状态仅有两个绕组串联导通 一相正向导通 一相反向导通 而另一个绕组端对应的桥臂上下均不导通 这样 观察任意一相绕组 它在一个 电气周期内 有1 2 0 度是正向导通 然后6 0 度不导通 再1 2 0 度反向导通 最 后6 0 度不导通 在一相绕组正向导通1 2 0 度的范围内 输入恒值相电流i 它的一相绕组感 应电势为恒值e 产生的电磁功率为p o 对应的电磁力矩为t o 它们的对应关系 由下式表示 t o p o p e i l x k n i 2 1 考虑到该相反相导通1 2 0 度时的电磁力矩 则在一个3 6 0 度电气周期内该相 的平均电磁力矩为t o t e l 2 3 k e ik e e l l 三相合成的电磁力矩t e t e 3 t o 2 k e i 2 2 或t k t ik t 2k e 2 3 式中 p 转子速度 r a d s k e 每相反电势系数 r a d 事s 1 k t 电机的力矩系数 n m a 上述理想状态下 方波驱动永磁交流伺服电机有线性的力矩 电流特性 理 论上可以做到转子在不同转角上都没有力矩脉动产生 满足伺服电机的必要条 件 但实际上 由于每相反电势梯形波平顶部分的宽度很难达到1 2 0 度 平顶部 江苏大学工程硕士学位论文 分也不可能做到绝对的平坦无波纹 加上齿槽效应的存在和换相过渡区的不理想 等原因 力矩波动不可能为零 良好设计的电机和驱动器电路可得到低于7 的 力矩波动水平 2 正弦波驱动的永磁交流伺服电机工作原理 这种交流伺服电机的每相绕组反电势和输入电流波形都是正弦波 符合一般 交流同步电机的常规概念 一般以交流正弦波电源供电的同步电机 它的工作频 率是由外部电源给定的 相电压 相电流和反电动势的幅值和相位关系是由电机 阻抗通过相量图关系来确定的 每相绕组的相电流和反电势一般都是不重合的 但是 正弦波驱动的永磁交流伺服电机则完全不同 首先 它的反电势和相电流 频率由转子转速决定 正弦波相电流是由电路强制产生 并且由驱动器强制得到 此电流与该相反电势同相 这就是通过转子位置传感器检测出转子相对定子的绝 对位置 由伺服驱动器的电流环实现的 正弦波驱动是一种高性能的控制方式 电流是连续的 理论上可获得与转角 无关的均匀输出力矩 良好设计的系统可作到3 以下的低速力矩波纹 因此具 有优良的低速平稳性 同时也大大改善了中高速力矩时的特性 铁心中附加损耗 较小 从控制角度来说 可在小范围内调整相电流和相电势相位 一定程度实现 强磁控制 拓宽高速范围 但是 为了满足正弦波的驱动要求 伺服电机在磁场 正弦分布上有严格的要求 甚至定子绕组需要采用分切槽设计 增加了工艺复杂 性 必须使用高分辨率 1 0 倍以上 绝对型的转子位置传感器 例如旋变 绝对型 码盘等 驱动器中的电流环结构更加复杂 都使得正弦波驱动的交流伺服系统 成本更高 2 3 小结 本章主要介绍了p l c 及伺服控制技术的基础知识 其中p l c 控制技术部分 主要包括p l c 的循环扫描技术 主要功能 p l c 与其它工业控制系统的比较以及 p l c 控制系统设计的基本内容等 伺服控制部分主要包括四种位置伺服系统的介 绍 半闭环位置交流伺服系统的工作原理分析等内容 2 l 江苏大学工程硕士学位论文 第三章编织带切带机电气系统总体设计 3 1 编织带切带机生产工艺概述 本文设计的自动切带机的基本操作流程如图3 1 所示 开机后切刀自动恒温 加热 为保证可靠整齐地切断编织带做好装备 触摸屏可以设定切断长度 打点 个数与距离 切断条数等参数 并可选择工作方式 如果是自动方式 将自动按 照设定参数 进行走带一打点一切断的顺序工作 完成切断条数后自动停止并换 托 为下次工作做准备 如为手动操作方式 可以手动打点 切带等操作 图3 1 基本操作流程图 切带机主要由主控制器 p l c 与h m i 进带送带机构 打点机构和切断推带 机构四部分组成 见图3 2 中心 图3 2 切带机主要机构示意图 1 主控制器 p l c 与h m i 是用来采集设定值并发出各种控制信号的控制 2 进带送带机构用以将编织带送进切带机 按要求走带 供后面机构进 江苏太擘工程硕士学位论文 行打点与切断 如图3 3 所示 它由两个橡皮辊组成 其中上辊为从动辊 可旋 转且固定于一支架 通过调节支架的弹簧可以适度改变两辊之间的压力 下辊为 主动辊 它固定于机架并由伺服电机驱动旋转 上下两辊之间的压力使编织带随 下辊的旋转而进给 以达到送带的目的 困3 3 送带机构蛄构示意图 3 打点机构由气动系统驱动 完成编织带上根据不同工艺要求的打点穿 孔 气动系统由机械手摆动气马达 机械手伸缩气缸 取带气缸 送带气缸 升 降气缸 单作用 压辊气