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3张CAD图纸、说明书全套 YC系列 绕线机 PLC 控制系统 设计 CAD 图纸 说明书 全套 YC 系列

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内容简介：

XXX大学毕业设计说明书绕线机控制系统设计摘 要可编程控制器(PLC )作为控制系统的核心装置，功能强大、性能稳定可靠。在现代工业自动化生产中得到了广泛的应用。取得了理想的控制效果。随着生产自动化和无人化以及批量化的发展，越来越多的生产环节使用自动化机器操纵。本次课题是针线圈绕线机控制系统设计，绕线机分为三个部分：放线部分、放线装置往复运动部分，和绕线部分。放线和绕线部分要求线圈速度既不能过快也不能过慢，过快会导致线圈打结无法顺利切削，过慢会使线圈拉力增大，如何使线圈保持在一个合理的速度变化范围之内是本次设计所要解决的重点也是难点问题。本论文线圈绕线机的控制系统为背景，理论与实践相结合，详细阐述了可编程控制器PLC技术在线圈绕线机控制系统中的应用。论在程序设计之前，首先进行了方案的论证与设计，由于原始线圈在放线的过程中直径在不断的缩小，绕线滚筒在绕线的过程中线圈直径不断的增大，从而导致其方向的速度在不断的变化，本文拟定采用步进系统的转矩控制模式，在保证电机转矩恒定的情况下，达到控制的目的。通过对线圈绕线机控制流程的了解，统计其输入输出I/O点，然后进行PLC选型，程序的仿真设计；本文利用三菱公司生产的FX3G系列PLC和其编程软件GX Developer软件进行程序的编写和仿真。关键词：可编程控制器，线圈绕线机，仿真，转矩控制AbstractProgrammable logic controller (PLC) as the core device of the control system, powerful, stable and reliable performance. Has been widely used in modern industrial automation production. Has the ideal control effect.As the automation and unmanned and development of mass production, more and more use of automation control. This topic is the design of control system of sewing circle winding machine, winding machine is divided into three parts: line part, put the line device of reciprocating motion, and a winding part. On line and the winding part of the requirements of the coil velocity is neither too fast nor too slow, too fast will cause the coil knot not smooth cutting, too slow will make coil tension increases, how to make the coil is kept within a reasonable range of the speed is the key to solve the design also is a difficult problem.The control system of the paper winding machine as the background, combining theory with practice, elaborates the programmable controller of PLC technology application in the coil winding machine control system. In the program design, first has carried on the analysis and design, since the original coil in the process of wire diameter in continued to narrow, winding drum in the process of winding the coil diameter increases, resulting in the direction of the velocity is changing, this paper proposed torque control mode with step system, in which the motor torque constant, achieve the purpose of control. The coil winding machine control process of understanding, the input and output I/O, followed by PLC selection, simulation design program; this program using FX3G series PLC produced by Mitsubishi Co and its programming software GX Developer software programming and simulation.Keywords: programmable controller, coil winding machine, simulation, torque controlIV目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景、目的及意义11.1.1 课题背景11.1.2 课题研究目的11.1.3 课题研究意义21.2国内外研究现状和发展趋势31.3 国内外张力控制的研究现状与发展31.4 PLC技术的发展及趋势41.5 本文的设计任务52 线圈绕线机的工作原理和控制方案的分析72.1 线圈绕线机的控制原理72.2 控制方案比较与选择72.2.1 继电器控制72.2.2 单片机控制82.2.3 PLC控制102.2.4 PLC与其它控制装置的比较112.2.5 系统方案的确立132.3 本章小结133 线圈绕线机控制系统的硬件设计143.1 PLC控制系统结构组成143.2 PLC和I/O扩展模块的选型143.3 PLC I/0的分配143.4 步进驱动器参数设置153.4.1 步进电机三种控制模式介绍153.4.2 YK2069MA参数设置163.5 系统电气控制接线图设计163.6 本章小结184 系统软件设计194.1 三菱的GX Developer 编程软件简介194.2 系统程序设计方法194.3 PLC控制系统软件程序的编写及说明214.3.1 自动手动选择程序214.3.2 手动运行程序214.3.3 自动运行程序234.4 本章小结255 程序的调试与仿真265.1 仿真的步骤265.2 本章小结27结论28致 谢29参考文献301 绪论 1.1 课题背景、目的及意义1.1.1 课题背景 在工业生产的诸多行业,如金属加工、纺织、造纸、橡胶、化工及电线电缆等，经常遇到卷绕控制问题。它们通常要将产品卷绕在卷筒盘上，带料或线材的收放卷张力对产品的质量至关重要，所以如何在卷筒直径从开始阶段到最后阶段逐渐增大的整个过程中张力变化保持在所允许范围内的问题是一个经常面对的问题。传统的收卷都是采用机械传动，这种方式不仅张力不易控制，而且机械的同轴传动对机械的磨损是非常严重的。据了解，用于同轴传动部分的机械基本上是一年，而且经常要维护，维护的时候也是非常麻烦的，不仅浪费人力而且维护费用很高，给很多客户带来不便。尤其是纺织设备基本上是开机后不允许中途停车，如发生意外情况停车会造成很大的浪费，在这种情况下，急需研制出一种张力控制卷绕装置来取代传统的机械传动。张力控制是指能够持久的控制带材设备卷绕时的张力的能力。这种控制对机器的任何运行速度都必须保持有效，包括机器的加速、减速和匀速。即使在紧急停车情况下，它也有能力保证材料不产生丝毫破损。卷绕机的张力控制可以说是整机的核心，只要张力控制稳定，张力变化小，卷绕材料的卷绕精度和破损率就很容易控制。张力的波动和变化对卷绕材料的影响很大，尤其是设备的卷绕速度越高，张力控制就显得越重要。为了解决这个问题，大多在机械结构上增添各种辅助设备或采用其他传动系统以求实现。但其效果通常不太理想，同时还存在着设备复杂、费用大、使用维护困难等问题。随着我国现代化工业的飞速发展，对精度、速度和自动化程度的要求越来越高，其中的恒张力控制问题也变得更为突出。现在，随着电力电子技术的发展，各类张力控制变频技术日趋成熟且在工业领域得到了广泛应用。由于各类变频器的出现使得工业控制领域发生了翻天覆地的变革。张力控制手段也因此得到发展。目前，恒张力的控制手段就成了卷绕装置张力控制系统研究的重点。1.1.2 课题研究目的本论文以在卷绕过程中放卷实现恒张力控制为目标，提高卷筒卷绕过程中的被卷物品质量，确保卷筒材料的合格与优良性。张力控制精度对卷筒材料的质量有很大的影响，张力过大会造成加工材料的拉伸变形；张力过小会使卷取的材料的层与层之间的应力变形，造成收卷不整齐，或者处理尺寸不准等弊病，影响加工质量；张力大小不稳定会使带材跳动,导致材料不平整重叠等卷绕故障。因此，为了保证生产的品质、效率及可靠性，必需要有一套功能完备的张力控制系统来引导产品加工过程。因而，收卷作业的张力控制，便成为通用的基础技术。张力控制的作用就是在卷材处于动态处理过程中时，使卷材保持恒定的张力，抑制外来干扰引起的张力抖动。1.1.3 课题研究意义目前电源线的传统捆扎一般都是完全靠手工操作，这种方式效率低、绕线质量参差不齐、人力成木高，劳动强度大。电源线绕线扎线机是一种电线绕线和捆扎机器，尤其是对各种电器的电源线进行绕线和扎线，代替了传统的人工绕线和捆扎。电源线绕线扎线控制系统采用PLC模块、交流步进控制系统和触摸屏相结合的方式可使电控系统简洁紧凑，控制系统故障率低，软硬件模块维护方便，从而实现电源线绕扎的高程度自动化，提高生产效率，降低生产成木，适合应用于流水线进行生产。绕线机主要用于AC, DC电机，传感器机芯等电器线圈的绕制，是电子工业中重要专用设备。随着电子电器工业的迅速发展，线圈的需求量越来越大、品种越来越多、要求也越来越高。老式绕线机使用时存在匝数记数不清，绕制细微漆包线时无法整齐排线，绕线张力无法控制等问题，这些严重影响了绕线的质量。本文旨在从绕线机的控制形式上改善绕线质量，提高绕线机的可靠性。跟踪自动控制技术的发展趋势，双飞叉绕线机控制系统采用PLC:模块、交流伺服控制系统和触摸屏相结合的方式可使电控系统简洁紧凑，控制系统故障率低，软、硬件模块便于修改和维护，可大大提高生产率，实现全自动流水线的监控生产。绕线机作为电子工业专用设备之一，在我国已生产和使用了多年，改革开放以来，我国元器件厂也引进了许多国外的绕线机常见的有平行绕线机、环行绕线机及各种特种绕线机等在绕制细微漆包线时，这些机器都会遇到共同的问题，如无法达到整齐排线，绕线张力无法控制等，特别是绕制0. lmm以下的一些音圈、传感器机芯等线圈时，问题尤为突出。针对这种情况，我们研制了这种适用于细微漆包线的绕线机，很好地解决了这个问题，用它绕制的磁电式测振传感器机芯线圈，张力稳定，线圈直流电阻一致性好，排线整齐，外观达到了“镜面”效果。线圈绕线机设计的意义，在课题设计的过程中我们能学到较多课堂上学不到的东西，在设计进行阶段指导老师提供了很多PLC控制系统设计的基本要求和设计思路，整个设计过程中使受益匪浅。是我在即将离开学校踏入社会一次重要的设计体验。也是为以后的工作生活打下了基础，在此过程中我学到电气控制系统的设计方法和步骤。这次设计是我在指导老师的指导下一点点亲自完成，无论是在实地考察还是设计资料的查阅，都使得我们学到了很多东西。1.2国内外研究现状和发展趋势绕线机在电子电器行业运用十分广泛，它是将线状的物体缠绕到特定的工件上的机器，例如在生产环形变压器时，绕线机的任务就是将铜线绕制成线圈后套到变压器的铁芯柱上。目前市场上对绕线机的控制常见的有两种，一种是由PLC控制，另一种是由单片机控制，本文采用的是由单片机控制绕线机这种方式，它可以实现绕线机工作状态的自动控制和精确控制，精确控制体现在精密排线和闭环反馈检测系统，精密排线通过单片机发出CP脉冲和方向信号，准确控制步进电机的步进和跳段等工作状态来实现。闭环反馈检测是将光电计数器测出电机转速，发出计数脉冲送到单片机控制系统，再通过变频器控制电机转轴转速。除此之外，单片机绕线机体积小、价格低、自动化程度高、控制精确、能节省许多人力、物力、财力，能很好的满足机电产品对绕组质量的高要求，具有良好的推广市场和广阔的发展前景。 国内立式绕线机技术处于起步阶段，技术较为薄弱，品种也很少，主要用于绕制大型变压器线圈，生产厂家主要有沈阳电工、西安启源等，还没有专门用于绕制大容量并联空心电抗器的立式绕线机。1.3 国内外张力控制的研究现状与发展国内外早期卷绕生产中的张力控制是采用单纯的加重锤法，此方法不能根据张力的实际情况调节运行速度，速度大小对张力影响极大，调节精度很差。20世纪80年代出现了具有有限反馈调节功能的机械式卷筒导开装置，此装置在卷筒辊后部增加了一个摩擦片，通过调节摩擦力大小，可以在一定程度上调整卷材张力。但其反应不灵敏，调节范围有限，控制精度也不太高，而且随卷筒直径大小的改变，张力大小也不断改变。以上这些装置都无法满足生产高质量、高性能同步带的要求。20世纪80年代后期以来，随着电力电子技术、计算机实时控制技术、检测技术的发展，特别是微处理器技术的不断成熟，很多企业将数字技术引入到张力控制系统中，于是出现了模拟数字混合张力控制系统，并从单纯的单机单路控制转向一机多路控制，全面采用单板机、可编程序控制器控制。采用的控制方法都是外环（位置环或张力环）结合速度环和电流环，对于要求不高的系统，有时只需要外环即可。另外，随着控制理论的不断发展，一些新的控制思想和控制手段也被引入到张力控制系统中，这使控制系统的精度愈来愈高，控制方式也更加灵活多变。根据控制系统输出的控制对象分，目前市场上主要有以下几种张力控制系统：一种是以磁粉制动器（离合器）为主要执行部件的张力控制设备，由于磁粉制动器的的输出转矩与通过其电感线圈的电流具有优良的线性关系，因而只要通过相应的压力检测器件检测现场的压力值，对应此输出相应的通过磁粉制动器的激励电流就能实现动态控制，保持现场张力的恒定。这类张力控制系统主要用于低张力控制的造纸、纺织等行业；另外一种就是以变频电机为执行部件的张力控制系统，其主要特点是通过控制变频器的激励电流或者激励电压来实现电机转速的控制，从而实现现场压力的恒定，该类系统主要应用于对速度和张力都有较高要求的大规模工业系统中，如钢铁工业、电缆制造业等。近年来，张力控制系统结合了最新的电力电子技术，检测技术，数字控制技术于一身，向着多功能，一体化，产品系列化的方向发展。相对来说，国内外控制系统设备不仅对于卷取过程中张力有严格精确的控制，而且对于初始建立张力、卷取过程张力都有较好的控制，并且有友好的人机界面，完善的功能，如缓冲启动、防松卷功能、手动/自动控制、模式选取、控制参数的保存和调用、自诊断模式、多种通讯接口等，但价格却相对昂贵。国内的张力控制系统基本停留在手动随机、随时控制的水平上，有部分采用模拟检测、模拟放大控制输出的产品，可控性和人机界面差，控制精度不高，迫切需要更新换代。1.4 PLC技术的发展及趋势二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。 PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。1.5 本文的设计任务（1）对线圈绕线机的国内外的发展简单的介绍，了解线圈绕线机目前研究的意义，同时简单介绍PLC的发展，确定其在线圈绕线机控制系统中的可行性。（2）线圈绕线机各动作控制流程的研究。了解线圈绕线机的工作过程及工艺要求。确认其控制方案。（3）PLC程序的设计，包括控制方案的选取与设计、I/0接口信号的确定、模块的选择，控制程序的设计。（4）控制程序的在线仿真。302 线圈绕线机的工作原理和控制方案的分析2.1 线圈绕线机的控制原理线圈绕线机是由驱动步进电机，其机构组成如下图2-1所示：图2-1 绕线机结构简图如图2-1所示，绕线滚筒由主电机驱动，由于在绕线过程中，铜线的线速度要保持恒定，所以主电机采用步进电机驱动，控制模式采用张力控制模式。放线部分由：滚珠丝杠驱动的往复机构和放线盘组成，。往复机构采用步进电机和滚珠丝杠驱动，这样可以保证绕线排列整齐，放线部分也是采用步进电机驱动，和绕线部分一样，采用横张力控制模式。2.2 控制方案比较与选择 目前的控制系统中通常采用的控制方法有:继电器控制、单片机控制、PLC控制。这三种控制方式各有特点，适用的范围也不同。2.2.1 继电器控制 继电气通俗意义上说就是开关，是，在条件满足的情况下关闭或开启。我们生活中常用的一种控制设备在条件满足的情况下开启和关闭。继电器的开关特性在很多的控制系统尤其是离散的控制系统中得到广泛的应用，由于设计使用的电子电路中，或多或少都需要和一些机械设备相联系，所以继电器在系统中也起到电子设备和机械设备的接口作用。 继电器控制系统具有电路直观、结构简单、价格低廉等优点。继电器控制系统适用于简单一些的逻辑控制电路，在电路中继电器类似计算机中的基本逻辑电路，组成了各种各样的控制电路.随着工业的飞速发展，要求控制系统的越来越复杂，同时其可靠性指标也越来越高，在实际应用中仅依靠继电器触点的通断来实现控制不可避免存在一些缺点:触点转换的时间造成响应速度慢，降低了控制精度;触点频繁通断容易产生电火花，耗电量大，影响使用寿命;不同电路继电器不能通用，对复杂逻辑关系设计不容易实现:继电器触点长期使用容易磨损;继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。对一个装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重的。继电器控制系统必须是手工接线、安装，在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，并且如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试，使用调整很不方便。62.2.2 单片机控制一单片机控制系统概述及其特点单片机就是单片微型计算机的简称，也称为微控制器，是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、基本输入/输出接口电路、定时/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等部件都制造在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机，从而实现微型计算机的基本功能。7单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可。对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。就控制而言:单片机只是一个芯片，用单片机直接开发控制系统，还必须进行系统硬软件设计和抗干扰设计才能付诸应用，这里包含大量个性化及针对性的设计，对开发者要求相当高，工作量大、成本高、编程比较复杂、开发周期长，有很强的针对性。二单片机控制系统的设计方法8 单片机应用系统由硬件和软件组成。硬件是指MCU、存储器、1/O接口和外设等物理器件的有机组合，软件是指系统监控程序的总称。在开发的过程中，它们的设计不能完全分开，二者需要互相配合、不断调整才能组成高性能的应用系统。单片机应用系统的开发包括系统总体设计、硬件设计、软件设计、系统调试和产品化等几个阶段，但它们并不是决然分开的，有时要交叉进行。下面分别简要予以讨论。1.总体设计在进行系统设计之前，首先应根据对系统的功能要求及其应用环境等确定合理的、具体的功能和技术指标，对应用系统的可靠性、通用性、先进性、可维护性以及成本等进行综合考虑，以尽量合理并符合相应的标准。然后根据市场上各种单片机的货源情况和单片机的性能及开发工具等因素选择合适的机型。接下来要根据系统中可能涉及到的传感器、模拟电路I/O接口、存储器、打印机和显示器等器件和设备进行器件选择，使之符合系统在精速度和可靠性等方面的要求。最后确定硬件和软件的功能划分。由于在系统设计中某系功能用硬件和软件都能实现，在设计中应综合考虑研制周期和成本等因素具体划分软硬件功能。 2.硬件设计 硬件设计的任务是根据总体要求，在所选的MCU和各个元器件型号的基础上设计出系统的电路原理图，做一些必要的部件实验，以及工艺结构的设计加工，印刷电路板的设计制作和样机的组装等。在硬件设计中，需要考虑系统总线的负载能力、系统扩展是的片选方式、模拟电路的速度和精度等，如需扩展存储器则尽量用一片完成这样既降低了成本，又减小了线路板的面积，同时提高了系统的可靠性3.软件设计 单片机应用系统的软件(即监控程序）设计是系统设计中最基本而且工作量较大的任务。和系统机上操作系统支持下的纯软件设计不同，单片机的软件设计是在裸机的条件下完成的，而且随应用系统的不同而不同在软件设计中一般要考虑以下几个问题。（1） 合理的软件结构（2）程序结构设计（3）程序设计顺序 在程序设计完成后，利用相应的开发工具和汇编软件进行程序的汇编（或翻译），生成程序的机器码。2.2.3 PLC控制一PLC控制系统概述及其特点 PLC(可编程控制器)是已经完成系统设计的一种控制设备，特点是具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等。只要规划好输入输出信号，再用PLC指令根据控制要求编排出PLC控制程序即可。同时，PLC指令比较汇编语言或C语言要容易掌握得多。 PLC不但可以很容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立各类生产机械的数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。 1.顺序控制。所谓的顺序控制，就是按照工艺流程的顺序，在控制信号的作用下，使得生产过程的各个执行机构自动地按照顺序动作。由于还具有编程设计灵活、速度快、可靠性高、成本低、便于维护等优点，所以在实现单机控制、多机群控制、生产流程控制中可以完全取代传统的继电器接触器控制系统。它主要是根据操作按扭、限位开关及其它现场给来的指令信号和传感器信号，控制机械运动部件进行相应的操作，从而达到了自动化生产线控制。 2.闭环过程控制。以往对于过程控制的模拟量均采用硬件电路构成的PID模拟调节器来实现开、闭环控制。而现在完全可采用PLC控制系统，选用模拟量控制模块，其功能由软件完成，系统的精度由位数决定，不受元件影响，因而可靠性更高，容易实现复杂的控制和先进的控制方法，可以同时控制多个控制回路和多个控制参数。 3.运动位置控制。PLC可以支持数控机床的控制和管理，在机械加工行业，可编程控制器与计算机数控(CNC)集成在一起，用以完成机床的运动位置控制，它的功能是接受输入装置输入的加工信息，经处理与计算，发出相应的脉冲给驱动装置，通过步进电机或步进电机，使机床按预定的轨道运动，以完成多轴步进电机的自控。目前已用于控制无心磨削、复杂零件分段冲裁、滚削摸削等应用中。 4.生产过程的监控和管理。PLC可以通过通迅接口与显示终端和打印机等外设相连。显示器作为人机界面(HMI )是一种内含微处理芯片的智能化设备，它与PLC相结合可取代电控柜上众多的控制按钮、选择开关、信号指示灯，及生产流程模拟屏和电控柜内大量的中间继电器和端子排。所有操作都可以在显示屏上的操作元件上进行。PLC可以方便、快捷地对生产过程中的数据进行采集、处理，并可对要显示的参数以二进制、十进制、十六进制、ASCII字符等方式进行显示。在显示画面上，通过图标的颜色变化反应现场设备的运行状态，如阀门的开与关，电机的启动与停止，位置开关的状态等。PID回路控制用数据、棒图等综合方法反映生产过程中量的变化，操作人员通过参数设定可进行参数调整，通过数据查询可查找任一时刻的数据记录，通过打印可保存相关的生产数据，为今后的生产管理和工艺参数的分析带来便利。 5.网络特性。PLC可以实现多台PLC之间或多台PLC与一台计算机之间的通讯。联网要求，从而组成多级分布式控制系统，构成工厂自动化网络。通过通讯模块、上位机以及相应的软件来实现对控制系统的远距离监控。通过调制解调器和公用电话网与远程客户端计算机相连，从而使管理者可通过电话线对控制系统进行远距离监控。2.2.4 PLC与其它控制装置的比较 1.可靠性高，抗干扰能力强这是PLC用户关心的首要问题。为了满足PLC专在工业环境下应用的要求，PLC采用了如下硬件和软件措施：（1）光电耦合隔离和R-C滤波器，有效的防止了各类电磁干扰信号的进入。（2）采用内部电磁屏蔽，防止辐射干扰。（3）采用优良的开关电源，防止电源线引入的干扰。（4）具有良好的自诊断功能。可以对CPU等内部电路进行检测，一旦出错，立即报警。（5）程序及有关数据用电池供电进行备份，一旦电源断电或运行停止，有关状态及信息不会丢失。（6）采用了冗余技术进一步增强可编程序控制器的可靠性。对于某些大型的PLC，采用双CPU构成冗余系统，或三CPU构成表决式系统。（7）对采用的器件都进行严格的筛选和老化处理，排除了因器件可靠问题而造成的故障。随着构成PLC的元器件自身性能的提高，PLC整体的可靠性也在相应提高。一般PLC的平均无故障时间可达到几万小时以上。某些PLC的生产厂家甚至宣布，今后生产的可编程序控制器不再标明可靠性这一指标，因为对可编程序控制器这一指标已毫无意义了。经过大量实践，人们发现PLC系统在使用中发生的故障，大多是由于PLC的外部开关、传感器、执行机构引起的，而不是PLC自身的问题产生的。2.通用性强，使用方便现在的PLC产品都已系列化了，PLC配备有各种各样，种类齐全的I/O模块和配套部件用户选用，可以很方便地搭建成可满足不同控制要求的控制系统,用户不再需要自己设计和制作相应的硬件装置。在确定了PLC的硬件配置和I/O外部接线后，用户所做的工作只是程序设计而已。3程序设计简单，易学易懂PLC是一种工业自动化控制装置，其主要的使用对象是广大电气技术人员。PLC生产厂家大都根据这种实际情况，一般不采用微机所用的编程语言，而采用与继电器控制原理图非常相似的梯形图语言，工程技术人员学习和使用这种语言十分方便。4采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O通道等均采用模块化设计，由机架和电缆将各模块连接起来。系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行组合，这样便可满足用户要求的合理的性能价格比。5系统设计周期短由于系统硬件的设计任务仅是依据对象的要求配置适当的模块，如同吃饭从菜单中点菜一样方便，这就大大缩短了整个设计所花费的时间，加快了整个工程设计的进度。6安装简便、调试方便、维护工作量小可编程序控制器一般不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端子相连，系统便可以投入运行，安装接线工作量比继电器控制系统小得多。PLC软件的设计和调试大都可以在实验室里进行，用模拟实验开关代替输入信号，其输出状态可以观察PLC上的相应发光二极管显示，也可以另接输出模拟实验板。模拟调试完成后，再将本身故障率很低，又有完善的自诊断能力和显示功能，一旦发生故障可以根据PLC上发光二极管或编程器提供的信息，迅速查明原因或直接找到发生故障的外围设备。如果是PLC本身故障，则可用更换模块的方法迅速排除故障。这样既提高了维护的工作效率，使故障造成的对工业生产的影响降低到最低程度，也保证了生产的正常进行。2.2.5 系统方案的确立在此综合各种方面因素选择PLC作为线圈绕线机控制系统的核心，如2.4.4小节所分析的,PLC具有其他任何一种控制器所不具备的优点,更符合设计要求。2.3 本章小结 本章主要介绍了线圈绕线机控制系统的功能要求、控制器的选择和控制方案的论证选择。3 线圈绕线机控制系统的硬件设计3.1 PLC控制系统结构组成本设计的线圈绕线机控制系统硬件主要由PLC、继电器、接触器、伺服控制器，步进电机，旋转编码器，扭矩调功器等组成。3.2 PLC和I/O扩展模块的选型 选择能满足本线圈绕线机控制要求的适当型号的PLC是应用设计中至关重要的一步，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要作用。PLC的选择包括机型，容量，I/O模块的选择等几个方面。 本线圈绕线机输入分配：14个点，输出分配：6个点。本系统选取的是三菱公司生产的小型整体式可编程控制器FX3G-32MT-001系列，输入端子选择16点， 输出端子选择16点，满足控制要求.三菱FX3G-40MT-001的CPU单元规格是：输入16点，输出16点，输入、输出为晶体管型形式,电源AC220V。3.3 PLC I/0的分配分配输入/输出点信号、输出点与输出控制是一一对应的。分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号。FX3G型PLC的输入/输出通道号采用自由配置、固定通道方式。输入输出继电器可自由选择，与输入点对应的即为输入继电器，与输出点对应的即为输出继电器。由上述控制要求可得到。线圈绕线机控制系统输入输出接口如表3-1所示。 表3-1 I/O接口分配输入分配输出分配名称地址名称地址编码器脉冲输入X0放线脉冲输出Y0自动启动X1往复脉冲输出Y1暂停X2绕线脉冲输出Y2停机X3放线脉冲方向Y3手动选择X4往复脉冲方向Y4自动选择X5绕线脉冲方向Y5手动放线正转X6手动放线反转X7手动往复正转X10手动往复反转X11手动绕线正转X12手动绕线反转X13往复左限位X14往复右限位X153.4 步进驱动器参数设置3.4.1 步进电机三种控制模式介绍1、 转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小。2、 位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。3、 速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。根据控制要求为横张力控制，本文选用YK2069MA步进驱动器，采用转矩控制模式。3.4.2 YK2069MA参数设置采用转矩控制模式的YK2069MA的参数设置如下表3-2所示：表3-2 YK2069MA参数设置表3.5 系统电气控制接线图设计系统供电电源采用两相线制供电。供电电源等级为AC220V5，50Hz。PLC的接线图如图3-1所示，系统PLC接线图，步进接线图和主电路图如图3-1到3-3所示。图3-1 PLC接线图图3-2 伺服接线图图3-3 主电路图3.6 本章小结 本章是本文的重点，主要介绍了线圈绕线机控制系统的硬件设计部分，包括PLC点的分、PLC的选型、接线等。思路清晰，目的明确。4 系统软件设计4.1 三菱的GX Developer 编程软件简介进入GX Developer初始界面后，在【文件】下拉菜单中，单击“新建”菜单项，选择创建一个新文件。在【设备名称】中填写设备名称，设备类型选择PLC的类型，然后单击设定按钮选择CPU的类型，单击确定后，即可进入梯形图编程界面，开始编程，如图4-1所示界面。图4-1 编程界面程序编写完成后，下一步就可进行编译、链接和调试了。如果编译没有错误，就可以进行在线运行。在编译过程中，如果出现错误要进行修改时，我们既可以在梯形图编程下修改，也可在助记符方式下修改。编译完成，没有语法错误，可加载程序到PLC，进行在线运行。4.2 系统程序设计方法工程设计中，可编程控制器应用程序的设计大体上有三种方法，也是使用最多的方法。这些方法的应用，也因不同设计人员有着不同的技术水平和习惯存在着差异。下面介绍一下常用的几种应用程序的设计方法，以便对下面的设计更有一个清晰的认识，也使读者更加明白可编程控制器的设计方法和技巧。1、经验设计法经验设计法也叫凑试法。在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。这种方法对于一些简单的控制系统的设计是比较凑效的，可以收到快速、简单的效果。但是它没有一个普遍的规律可遵循，具有一定的试探性和随意性，最后得到的结果也不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验的多少有关。经验设计法的具体步骤如下：（1）确定输入/输出电器；（2）确定输入和输出点的个数、选择PLC机型、进行I/O分配；（3）做出系统动作工程流程图；（4）选择PLC指令并编写程序； （5）编写其它控制控制要求的程序；（6）将各个环节编写的程序合理地联系起来，即得到一个满足控制要求的程序。2. 逻辑设计法工业电气控制线路中，有很多是通过继电器等电器组件来实现的。而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即：断开和闭合，因此用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全可以的。该方法法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行PLC程序的设计，它使用逻辑表达式描述问题。在得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图。因此用逻辑设计法也可以适用于PLC应用程序的设计。顺序控制法对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法进行编程。顺序控制法规律性很强，虽然编程相当长，但程序结构清晰、可读性。在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要的工具。功能图能够清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。功能图由流程步、有向线段、转移和动作组成，在使用时它有一些使用规则，具体如下：（1）步与步之间必须用转移隔开；（2）转移与转移之间必须用步隔开；（3）转移和步之间用有向线段连接，正常画顺序功能图的方向是从上向下或则从左向右。按照正常顺序画图时，有向线段可以不加箭头，否则必须加箭头。（4）一个顺序功能图中至少有一个初始步。可编程控制器设计语言也有多种形式，因其在继电器的基础上研制而成，所以大部分都是以开关量为主的控制方式。很多表达形式也都是电气符号的沿用，或直接使用。这样，PLC的语言就有所不同。梯形图语言是设计中使用最多的，还有流程图，语句表，这些都为程序的阅读提供了不同形式的方法，适合电气方面的工程人员阅读，也适合电子方面的工程人员进行参考使用。4.3 PLC控制系统软件程序的编写及说明4.3.1 自动手动选择程序当步进驱动器上电后，需选择选用何种控制模式，其控制程序如下图4-2所示图4-2 手动自动选择程序由上述梯形图可以看出，X4和X5分别为手动、自动选择开关，当X4接通时，运行自动程序，当X5接通时运行手动程序，为了保证手动和自动程序由于误操作导致被同时选择，这里两条程序形成互锁回路。4.3.2 手动运行程序在原线圈上下料过程中，需要用点动来控制步进电机的正反转，其梯形图如下图4-3所示图4-3 手动运行程序上述程序可以看出，X6和X7分别用来控制放线电机的正转和反转，M1是手动程序执行条件，PLSY是脉冲输出指令。PLSY D0 K0 Y000中D0是脉冲的频率，这个是由外部上位机输入，K0是脉冲输出的个数，此时值为0，指的是当执行条件执行时，此时Y0输出无数个脉冲型号。当按下X6时，步进电机执行手动正转程序，此时步进电机运行的速度和D0的值有关；当按下X7时，步进电机执行手动反转程序，此时步进电机运行的速度和D0的值有关。为了保证正转和反转程序由于误操作导致被同时选择，这里两条程序形成互锁回路。同理，往复运动手动程序和绕线部分手动程序这里就不再详细描述。4.3.3 自动运行程序在原线圈在放线的过程中大部分处于自动运行状态，其梯形图如下图4-4所示图4-4 自动运行程序第69步程序是整个自动程序的运行条件，只有当M0导通的情况下才能运行。MUL D10 K20000 D1这条指令的含义是D10的值乘以2000输入到D1中，K20000Z这个值是根据编码器的分辨率和安装编码器的滚轮直径计算得出。在自动运行的过程中，三个步进电机都有脉冲输出，其中绕线部分和放线部分执行转矩控制模式。往复执行速度控制模式。C235是高速计数器指令，他的计数值就是D4，当计数值满后，C235常开触点闭合，同时C235被复位。当程序运行过程中，需要暂停处理，这时按下X2，电机停止，单C235中的技术值保持不变，下次运行启动时，继续累加。4.4 本章小结 本章主要介绍了PLC控制线圈绕线机系统设计的具体流程，其中包括PLC编程软件的介绍、程序设计、梯形图设计等内容，并对主要程序段所表达的控制功能进行详细的说明，能够便于更加迅速的理解程序。5 程序的调试与仿真仿真软件的功能就是将编写好的程序在电脑中虚拟运行，如果没有编好的程序，是无法进行仿真的.首先，在安装仿真软件GX Simulator 6c 之前，必须先安装编程软件GX Developer。5.1 仿真的步骤（1）启动编程软件GX Developer （2）通过“快捷图标”启动仿真如图5-1所示。图5-1 仿真启动画面启动仿真后，程序开始在电脑上模拟PLC写入过程 并且可以通过“在线”中的“软元件测试”来强制一些输入条件ON或者OFF。监控程序的运行状态，当我们按下X4时，其运行状态如图5-2所示图5-2 强制X4软元件ON的状态当我们同时强制X4和X5为ON时的程序运行状态如下图5-3所示：图5-3 同时强制X4和X5为ON 通过测试发现，当按下X4时，M0得电。当同时按下X4和X5时，M0和M1均不得电，证明程序的互锁回路达到控制要求，程序无误。5.2 本章小结本章主要对PLC程序进行仿真测试，通过仿真软件的测试，最终确认编写的程序无误。结论本文是以达到实现线圈绕线机的实用和可靠性为目的而进行的设计。在本次设计中经过对线圈绕线机的控制要求的分析，采用可编程控制器（PLC）,实现对线圈绕线机控制系统的设计，减少了硬件和控制线，克服了传统继电器-接触器系统的不足，系统安全可靠，且控制程序可根据需要进行修改。本文旨在按实际生产要求进行理论上的设计，并未在实际应用中得到验证，在实际应用之前还需经过反复的调试实验，以确保系统安全可靠的运行，从而达到实际生产中的要求。当然，鉴于本人水平有限，在设计过程中难免有不足之处，希望您能谅解并提出宝贵意见，以便我对其进行改正。回顾这次毕业设计，从选题到定稿，从理论到实践，在这段毕业设计期间里，可以说得是苦多于甜。通过本次毕业设计，不仅巩固