玻璃造型生产线控制系统.doc

苏州信息职业技术学院毕业设计报告（论文）系 别： 电气与电子工程系 专 业： 电气自动化技术 班 级： G132401 学 生 姓 名： 徐广明 学 生 学 号： G13240135 设计（论文）题目： 玻璃造型生产线控制系统 指 导 教 师： 张伟 起 讫 日 期： 2015.09.072015.11.20 苏州信息职业技术学院毕业设计(论文)成绩评定表学生姓名徐广明系部电气与电子工程系班级G132401课题名称玻璃造型生产线控制系统指导教师评语：建议成绩： 指导教师： 年 月 日评阅教师评语：建议成绩： 评阅教师: 年 月 日答辩小组评语：建议成绩： 答辩小组负责人： 年 月 日苏州信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书专业电气自动化技术班级G132401姓名徐广明课题名称：玻璃造型生产线控制系统主要技术指标： 采用PLC为中心控制器，通过旋转编码器测得各方向电机的旋转频率并转换为高速计数脉冲送入PLC中进行计数运算可获得刀锯或水平台行进的精确位移量，将其与设定的初值相比较，当达到设定值时PLC复位相应的方向电机线圈使其停车，输出高电平使切割电动机工作以实现精准切割。工作内容和要求：1.分析项目需求，根据现有的研究现状，设计控制方案；2.方案比较论证，并进行设备选型及分析；构建整个硬件系统并进行调试；3.构建整个软件系统并进行调试；4.记录整个设计过程中出现的问题并进行分析；主要参考文献：1.廖常初.PLC编程及应用. 北京：北京邮电大学出版社，20112.江秀汉.可编程序控制器原理及应用. 西安: 西安电子科技大学出版社，20133.鲍超.信息检测技术. 杭州：浙江大学出版社,20124.何希才.任力颖.实用传感器接口电路实例. 北京：中国电力出版社，20105.宋伯生.编程序控制器. 北京: 中国劳动出版社，20146.杨长能.可编程序控制器(PC)基础及应用. 北京:中国电力出版社，2012 学 生（签名） 徐广明 2015年09月07日 指 导 教师（签名） 张伟 2015年09月07日 教研室主任（签名） 姚胜昶 2015年09 月07日 系 主 任（签名） 张宗橙 2015年09 月07日苏州信息职业技术学院毕业设计（论文）开题报告专业电气自动化学号G13240135姓名徐广明设计（论文）题目玻璃造型生产线控制系统一、选题的背景和意义： 在今天的玻璃生产行业，建模切割是最重要的一步，在过程中的成品，也是重要的过程，以确保成品的质量。使用先进的现代切割技术，不仅能够确保产品的质量，提高劳动生产率，同时也使得企业产品的制造成本大幅度降低，减少了产品生产周期。随着新产品、新工艺、新技术的广泛运用，基于PLC的智能化精密切割将成为切割行业今后发展的趋势。 随着新产品、新技术、新技术的广泛应用，基于可编程控制器的智能精密切削将成为切削工业未来发展的趋势。二、课题研究的主要内容：1.系统总体方案的设计；2.根据总体方案进行硬件部分选型、对控制系统电路进行设计；3.根据总体方案进行系统软件设计，编写相应程序；4.进行系统安装并进行工业组态调试，记录相关结果；三、主要研究（设计）方法论述：1.查阅相关的资料；2.分析整个控制系统的控制原理，确定控制要求；3.分析控制系统的原理及优点；4.对控制系统的电路进行设计，进行PLC程序编写； 5.通过计算机与PLC连接，将程序下载到PLC来进行对系统调试；四、设计（论文）进度安排：时间（迄止）日期工作内容2015.09.07-2015.09.22查找资料确立选题2015.09.23-2015.09.29完成开题报告2015.09.30-2015.10.31撰写论文2015.11.01-2015.11.15论文修改及定稿2015.11.16-2015.11.17毕业设计答辩五、指导教师意见： 论文选题符合本专业培养目标，同意开题指导教师签名：张伟 2015年09月29日六、系部意见 同意开题系主任签名： 张棕橙 2015年09月29日 苏州信息职业技术学院毕业设计（论文）中期检查表学生姓名徐广明学号G13240135指导教师张伟选题情况课题名称玻璃造型生产线控制系统难易程度偏难适中偏易工作量较大适中较小符合规范化的要求任务书有无开题报告有无外文翻译质量优良中差学习态度、出勤情况好一般差工作进度快按计划进行慢中期工作汇报及解答问题情况 按计划进行 指导教师 张伟 2015年11月01日所在专业意见： 继续进行 系主任 张宗橙 2015年11月11日玻璃造型生产线控制系统摘要：根据控制系统的控制要求，完成对玻璃生产线的控制系统设计，即在玻璃生产过程中，需要对钢板的垂直运动进行设置的大小切割，切割是一个精细的过程，它要求在同一时间运动的范围内来测量快速准确的切割。 在该课题的设计中，主要包括主电路设计，控制电路设计，控制系统设计,人机界面的选择和应用程序的配置。 玻璃成型生产线控制系统设计。硬件方面：系统采用PLC为中心控制器，电机的旋转频率是由一个旋转编码器测量和一个高速计数器共同控制的。通过计数在可编程控制器中的运算，得到了刀具或水平台的精确位移，当设定值达到时，可编程控制器被重置为电机线圈的相应方向停止，并且输出高电频，使切割电机工作，以便实现精确切割。该系统的运行控制、实时数据采集和运行过程的监控、各种参数的显示和设置，以及在可编程控制器上实现的人机界面。关键词：PLC STEP7-Micro/WIN HMI人机界面 光电编码器目 录1 绪论12 总体方案设计12.1 本设计的主要内容2 2.2 系统的设计思想与结构流程图22.3 控制系统动作过程3 3 系统硬件设计4 3.1 控制系统控制电路设计4 3.2 PLC的选型6 3.3 光电编码器选型9 3.4 触摸屏选型104 系统软件设计114.1 控制系统主程序设计114.2 触摸屏工程组态13 5 调试运行16 总结17致谢17参考文献18附录19附录A 主程序19附录B中断程序23附录C TD200控制程序241 绪论 在今天的玻璃生产行业，切割是最重要的一步，在成品的过程中，也是重要的过程，以确保成品的质量。使用先进的现代切割技术，不仅能够确保产品的质量，提高劳动生产率，同时也使得企业产品的制造成本大幅度降低，减少了产品生产周期。随着新产品、新工艺、新技术的广泛运用，基于PLC的智能化精密切割将成为切割行业今后发展的趋势。 随着新产品、新技术广泛应用，基于可编程控制器的智能精密切削将成为切削工业未来发展的趋势。 传统的玻璃成型生产线采用继电器和时间继电器控制方式，但控制系统复杂，系统可靠性低，维护成本高。最主要的问题是在自动控制中，因为选用时间继电器定时控制切割时间，定时精度差，电机速度受电源波动影响大，因为切割误差比较大，降低了成品率，加大了抛磨难度。PLC是适用于现场操作的微机控制器，具有抗干扰能力强，编程简单，价格适当，非常适合切割机。在切割时，由于不同的厚度，以及不同的切割方式的要求，如果采用全手动操作，不仅是非常耗时的，而且也是一种浪费人力和效率低下，带来巨大的人工成本。最重要的是，在切割过程中会产生大量的灰尘，操作者的切割机和附近的人员，尤其是呼吸道，肺部有很大的危害。因此，如果可编程控制器能够实现对金属板材切割的自动控制，操作者就不必在机器旁边操作机器，不仅可以节省大量的人力和时间，还能大大减少切割过程对人体的伤害。对玻璃成型生产线进行PLC控制系统的设计，通过对PLC应用的理解，人机接口的配置，有利于掌握理论知识和实践应用，有利于掌握把理论知识同生产实践相结合，有利于锻炼设计控制系统和处理有关问题的能力，促进对自动化控制的认识和理解。 2 总体方案设计随着科学技术的发展，电气控制技术在各个领域的应用日益广泛。可编程序控制器的应用使电气控制技术发生了根本性的变化。可编程控制器是一种通用的工业自动控制装置，它是基于微处理器、集成计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术、网络通信技术等。可编程控制器具有可靠性高、灵活性强、易于使用、工业控制领域迅速占领的优点。从运动控制到过程控制，从单机自动化生产线的自动化和工厂自动化，从工业机器人，数控设备的柔性制造系统。从集中控制系统在大型控制系统中，可编程控制器是一个重要的角色，并显示出强大的趋势。 2.1本设计的主要内容此次控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件方面：系统采用PLC为中心控制器，通过旋转编码器测得各方向电机的旋转频率并转换为高速计数脉冲送入PLC中进行计数运算可获得刀锯或水平台行进的精确位移量，将其与设定的初值相比较，当达到设定值时PLC复位相应的方向电机线圈使其停车，输出高电平使切割电动机工作以实现精准切割。系统的操作控制、实时数据的采集和动作过程的监视、各种参数的显示和设定，由挂接在PLC上的人机界面来实现。软件：根据对梯形图设计系统功能的设计思想，STEP7-Micro/ Win32 编程软件的使用，它可以方便地在Windows环境下对PLC进行编程、调试、监控，且编程方便、快捷。 2.2系统的设计思想与结构流程图本系统的控制要求，实现对玻璃切割大小进行固定，电机需要驱动装配线的水平运动停止运动，光电编码器和卧式电机在同轴连接，电机的水平位移是与光电编码器的脉冲数成正比。光电编码器的输出与CPU的高速计数器，利用高速计数器实时计算光电编码器输出脉冲数，通过计算即可测量出横向运动的长度。TD200实现的设置和显示功能的大小长宽，人机界面设置相关的参数传递给寄存器，执行用户程序，计算当前水平移动距离和设定值之间的关系，实现切割机构之间的切割，完成后，电机的驱动切割机构完成垂直位移，光电编码器测量的纵向位移的大小，当设置大小和测量尺寸是相等的，垂直运动驱动的切削机构的垂直位移，垂直运动的切割机构实现了设定行程，完成一个完整的控制任务，控制系统对驱动电机进行横向运动。为实现上述控制任务，控制系统应包括三个部分：主电路、控制部分和显示部分。因此可以设计出控制系统的结构流程图。系统结构流程图如下：图2.3系统结构流程图 2.3 控制系统动作过程主电路表示系统执行机构，包括电动机、光电编码器、TD200人机界面、行程开关和激光切割。执行机构切割过程：启动机器，先将玻璃板切割到平台上，将玻璃板放置在工作台上，在玻璃上检测到行程开关，垂直电机平方米则是将切削机构的切削机制，直至默认位置，根据设定的参数，M2可以实现固定宽度的尺寸，然后启动卧式电机M1驱动生产线的水平运动和垂直运动，M2可以削减然后起点的原点。设定值等于预定值时，将故障输入到电机、离合器和制动器的电磁离合器制动器的接触中，并将制动器作为制动以消除驱动系统的惯性。控制系统主要由三部分组成：水平运动运动、垂直运动倒车和垂直运动。控制系统动作流程图如下图所示：图2.4 控制系统动作流程图 3 系统硬件设计 3.1 控制系统控制电路设控制系统的控制电路由PLC、光电编码器、按钮、接触器和行程开关组成。按钮包括启动按钮和急停按钮，用来实现设备的启动和停止。光电编码器和电机相连，光电编码器的A相与PLC高速计数器输入端相连接，利用高速计数器实现定长定宽切割。PLC的输出部分为接触器线圈，控制电动机正反转运动。根据系统控制要求，控制电路中输入部分包括：2个光电编码器输入、一个急停按钮输入和3个行程开关输入。输出部分包括：控制电动机启动停止的5个接触器和激光束开关的接触器。TD200人机界面用来显示当前设定长度和宽度数值，包括用户界面和相关操作提示以及启动、停止、参数设置按钮，可以满足系统启动、停止，实现长度和宽度等参数的设置。按钮包括急停按钮，用来实现设备的紧急停止。光电编码器和电机同轴相连，光电编码器的A相与PLC高速计数器输入端相连接，利用高速计数器设置值和当前值比较，相等时产生中断，表示达到设定的长度或宽度，启动激光束切割玻璃板材，驱动电动机进行定长定宽切割。PLC的输出部分为接触器线圈，控制横向电动机水平运动实现玻璃板材长度测量，驱动纵向电动机实现定宽运动，垂直电动机正反转实现切割刀具向上和向下运动。PLC的硬件接线图如图3.1所示。图3.1 PLC接线图 3.2PLC的选型深圳亿维动化科技有限公司，是国内领先的国家级高新技术企业，工业自动化产品和服务提供商，专注于核心控制领域。与国内知名高校建立合作关系，结合产业，研究，并不断提高公司的技术水平和产品竞争力，决定发展成为行业的领导者。目前机械手自动化在北京，上海，广州，无锡，济南，武汉，杭州，和其他20多个城市的办事处，形成覆盖全国的服务网络。同时，国际业务已扩展到20多个国家和地区，为客户提供快捷、优质的服务。 本设计所采用的是亿维科技有限公司研发的CPU224型PLC。 按照控制系统I/O分配表和所需高速计数器数量，考虑性价比的情况下，CPU224本机数字量I/O共有14入/10出，具备HSC0，HSC35共4路高速计数器输入，而且性价比相对较高，因此选择CPU224模块作为控制部分的CPU，选择接触器输出型PLC，电源选用DC电源。详细技术指标，见表格3.2 表3.2技术规范型号CPU 224 DC尺寸(W X H X D)140 x 80 x 62 mm功耗7 W在线程序编辑时20K非在线程序编辑时20K数据存储器10K (可掉电保持10年)本机数字量输入14输入本机数字量输出10输出数字I/O映象区256 (128输入/128输出)模拟I/O映象区64(32输入/32输出)允许最大的扩展I/O模块7个模块允许最大的智能模块7个模块脉冲捕捉输入14高速计数器总数6个单相计数器6，每个30KHz两相计数器4，每个20KHz脉冲输出2个20KHz(仅限于DC输出)定时器总数总共256个，4个1ms，16个10ms，236个100ms计数器总数256内部存储器位掉电保持256时间中断2个1ms分辨率边沿中断4个上升沿/4个下降沿模拟电位器2个8位分辨率布尔量运算执行时间0.08s时钟内置接口2个RS-485标准PPI通讯口PPI波特率9.6,19.2和187.5kbps自由口波特率1.2kbaud至115.2kbps每段最大电缆长度使用隔离的中继器：187.5kbps可达1000米，38.4kbps可达1200米，未使用隔离中继器：50米最大站点数每段32个站，每个网络126个站最大主站数32点到点(PPI主站模式)是输入电压20.4至28.8V DC输入电流110mA(仅CPU，24V DC)700mA(最大负载，24V DC)隔离(现场与逻辑)冲击电流12A，28.8V DC时不隔离保持时间(掉电)1S,24V DC时传感器电压L+减5V电流限定1.5A峰值，终端限定非破坏性纹波噪声来自输入电源隔离(传感器与逻辑)非隔离本机集成数字量输入点数14输入输入类型PNP/NPN额定电压24V DC，4mA最大持续允许电压30V DC浪涌电压35V DC，0.5秒逻辑1电压范围15V30V DC逻辑0电压范围05V DC输入延迟可选(0.2至12.8ms)允许漏电流最大1mA隔离(现场与逻辑)是光电隔离500V AC，1分钟隔离组见接线图高速计数器逻辑1=1530V DC20KHz(单相)，10KHz(两相)高速计数器逻辑1=1526V DC30KHz(单相)，20KHz(两相)同时接通的输入所有电缆长度最大500米(标准输入)屏蔽50米(高速计数器输入)非屏蔽300米(标准输入)本机集成数字量输出点数10输出额定电压24V DC电压范围20.4至28.8 VDC浪涌电流(最大)8A，100ms逻辑1(最小)20V DC，最大电流逻辑0(最大)0.1V DC，10K负载每点额定电流(最大)0.75A每个公共端的额定电流(最大)6 A漏电流(最大)10A感性嵌位电压L+减48V DC，1W功耗接通电阻(接点)0.3 典型值(0.6最大值)光电隔离(现场到隔离)500V AC，1分钟隔离组见接线图断开到接通2s(Q0.0, Q0.1)，15s(其它)接通到断开10s(Q0.0, Q0.1)，130s(其它)脉冲频率(最大)20KHz(Q0.0和Q0.1)同时接通的输出60C时，所有的输出(水平安装)两个输出并联50C时，所有的输出(垂直安装) 3.3光电编码器 光电编码器是集光、机、电技术于一体的数字传感器。测量精度高的测量对象的角度或直线位移。是利用光电转换将输出轴的机械位移转换为脉冲或数字信号的传感器。这是目前使用最广泛的传感器，光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成。在一定直径的圆形板上，将格栅板分为若干个矩形孔。由于光电编码器和电机轴电机旋转，光栅盘和电机转速相同，由发光二极管和其他电子元件检测装置检测输出一定数量的脉冲信号组成的，通过计算每秒钟光编码器输出脉冲的数量可以反映当前的电机速度。此外，要确定旋转方向，编码器还可提供两路脉冲信号相位差90度。增量旋转编码器用于扫描的光学信号的索引板，通过检测，统计信号的数目来计算的旋转角度。其特点是：编码器输出的位置数据是相对的，起始位置的旋转角度可以任意设置后的数据损失。根据增量编码器、绝对编码器和混合编码器的特点，增量编码器具有分辨率高、测量范围大、性能比高等优点。编码器的电路信号输出类型主要为计数器、可编程控制器、人机界面等，它们与编码器信号连接，可以接收或要求传感器输出信号。因此，编码器的选择必须了解控制器规范或使用环境。本设计所采用的是瑞普安华光电旋转编码器ZSP3806-003G-100BZ3-5-24C型光电编码器。如图3.3所示图3.3光电旋转编码器3.4 触摸屏的选型 TD200设备是一种低成本的人机界面（HMI），使操作员能够与应用程序交互。可以使用TD200设备组态一组层级式用户菜单，从而提供更多应用程序交互结构。 TD200设备与CPU224型PLC通过TD/CPU（RS485接口）电缆建立通信，默认TD设备的通信地址为1，CPU224的地址为2。同时CPU224通过电缆为TD200设备提供直流24V电源。 TD200、TD200C和TD400C还可以由独立的24V直流电源供电。查看用户菜单和屏幕的层级，通过这些可以实现操作员与应用程序或过程处理交互使用 STEP7-Micro/WIN 的文本显示向导可以创建这些用户菜单和屏幕，显示由 CPU224生成的报警位使能消息。 文本显示 (TD) 设备的功能，可以使用TD200设备来执行以下任务：（1）使用STEP7-Micro/WIN 的文本显示可以定义报警。 （2）修改指定的程序变量。 （3）使用TD200设备可以将变量定义为文本字符串或数字字符串。 （4）文本字符串变量中的所有字符均可编辑。 （5）TD200设备允许定义字、双字或实数类型的变量。 （6）强制或取消强制I/O点可以将TD200中的各个I/O进行分配 。（8）设置时间和日期TD200支持实时时钟。 （9）TD200提供其它用于与CPU224进行交互的功能。 （10）可以改变CPU224的操作模式 RUN运行或STOP停止。 （11）可以对存储在CPU224存储区中的数据进行访问和编辑。根据控制要求，本着在满足控制功能的前提下降低成本的原则，选择TD200作为控制系统的人机界面。图3.4 TD200人机界面控制面板 4 系统软件设计4.1 控制系统主程序设计针对本课题控制要求，设计的PLC控制系统，通过HMI人机界面完成对玻璃长、宽等参数的设置，利用UN200PLC系列PLC对台车电机、升降电机、进刀电机的运动控制。设计控制系统主程序的流程图如图4.1所示：图4.1 控制系统主程序流程图为实现系统控制要求，完成控制任务，系统需要加入定时安全报警程序，即每一个动作启动时同时启动定时器，根据每个动作完成的时间设置定时器的定时时间，如果系统出现故障，定时时间到而未完成相应动作，停止后续动作，触发报警动作。 控制系统主要是为了完成玻璃定长定宽的切割，主程序是控制电动机的设置长度和设置宽度的定尺寸切割运动，主要完成下降、定宽、横向进给、定长切割和上升运动。在常用的梯形图设计方法中有经验设计法和顺序功能图设计方法，在此次主程序设计中采用顺序功能图设计方法，全部用寄存器位来代表步具有概念清楚、编程规范、梯形图易于阅读和查错的优点。利用以转换为中心的顺序控制梯形图设计方法，按照步及转换条件设计出主程序的顺序功能图如图4.2所示。图4.2控制系统主程序顺序功能图根据控制系统主程序流程图编写梯形图程序，控制程序见附录A。4.2 TD200人机界面组态 4.2.1 配置TD200文本显示器 配置TD200文本显示器，完成对文本显示器的基本参数设置，配置文本显示器型号，更新速率，配置用户程序所需的变量，按键动作，存储器，用户界面的数量，界面中显示信息及报警信息。TD200文本显示器的配置步骤：（1）进入“简介栏”，选择要编辑的配置。（2）进入“选择 TD 200型号和版本”栏，根据设备情况进行选择（3）进入“本地化显示”栏，选择“中文”语言和“中文简体”字符。（4）进入“标准菜单和密码”栏，选择启用TOD菜单、启用强制菜单，不启用密码保护。（5）进入“功能键和更新速率”栏，选择默认设置。（6）进入“报警选项”栏，选择“两行文本”，“3条信息”。（7）进入“分配存储区”栏，选择默认设置，即字节参数块的起始地址是VB0；使能标志字节的起始地址是VB14；信息存储区起始字节地址是VB24。 （8）进入“报警”栏，每一条信息可包含20个以下汉字。（9）进入“项目组件”栏，完成并保存TD200的配置文件。 （10）配置文件信息如图4.3所示图4.3 TD200配置信息 4.2.2 TD200文本显示器用户程序组态完成TD200文本显示器的配置后，需要编写用户程序，根据组态编写用户程序需要编写控制程序说明，按照控制程序说明和用户要求编写用户程序。控制程序说明如表4.1所示。 表4.1 TD200控制程序说明符号地址含义符号地址含义F1M0.0启动信息2V14.6设置长度F2M0.1停止信息3V14.5设置宽度F3M0.2增加存储器VD96长度显示存储单元F4M0.3减少存储器VD138宽度显示存储单元V3.2画面上翻存储器VD1000预设长度存储单元V3.3画面下翻存储器VD1100预设宽度存储单元信息1V14.7启停F1F2增减F3F4为方便用户设置长度和宽度尺寸，TD200控制程序预设值长度和宽度尺寸，使用双字传送指令将预设值传送到显示寄存器中，以便用户参考， 并在此基础上更改长度和宽度尺寸。使用ADD-DI和SUB-DI写F3和F4键功能，即各按F3或F4，加、减法指令，或增加或减少电流设定值，达到设定长度和宽度的变化的目的。该位置的使用使信号的字节的控制，以实现开关的长度和宽度的变化。由于工艺的要求，玻璃成型生产线具有最大和最小切割尺寸，使用比较指令确定设置值是否超出工艺范围，并确保设定值的过程中的要求，切割的最大长度2500mm，最大切割宽度1800mm，最小宽度为50mm。变更完成后，设定值发送到显示单元使用转移指令，和TD200显示接口的实现。利用按键/的对应存储器和使能控制字节的位选通信号实现3个用户界面之间的切换显示。TD200文本显示器的控制程序见附录D。 5 调试运行 将PLC程序编好，下载到PLC里面进行调试运行，具体流程如下：（1） 刀具下降的输入信号为I0.0，若I0.0先接通，M0.0保持，使Q0.0有输出，刀具开始执行下降。由限位开关控制是否下降到位，如果到位，进行下一步工作，如果没有，继续下降。（2） 刀具进给切割的输入为I0.1，输出为Q0.1，刀具下降到切割位置时，I0.1接通，Q0.1有输出，刀具开始进行切割，进刀编码器到位。台车的前进输入为I0.2，输出为Q0.2当I