0923138-季帅-基于PLC的多单元同步驱动

I 编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计 论论文文 题目 题目 基于基于 PLC 的多单元同步驱动的多单元同步驱动 系统的逻辑控制系统的逻辑控制 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号 0923138 学生姓名 季 帅 指导教师 潘国锋 职称 副教授 职称 2013 年 5 月 25 日 I 无锡太湖学院本科毕业设计 论文 无锡太湖学院本科毕业设计 论文 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 本人郑重声明 所呈交的毕业设计 论文 基于 PLC 的多单元 同步驱动系统的逻辑控制 是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的成果 其内容除了在毕业设计 论文 中特别加以标注引用 表示 致谢的内容外 本毕业设计 论文 不包含任何其他个人 集体已发表 或撰写的成果作品 班 级 机械 93 学 号 0923138 作者姓名 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一 题目及专题 一 题目及专题 1 题目 基于 PLC 的多单元同步驱动系统的逻辑控制 2 专题 二 课题来源及选题依据二 课题来源及选题依据 随着工业自动化程度的提高和生产规模的扩大 各种生产线 输送线的 长度和输送功率不断增加 当输送线长度增加到一定程度时 采用单电机驱 动往往难以满足生产的要求 必须采用多电机同步驱动的方式 组成多级同步驱动系统之后 从驱动电机之间的连接关系看可分两类 一类是各驱动电机依赖链接式进行物理连接 由于各同步电机之间存在严重 的耦合作用 可能导致该电机的转速偏离更加严重 最后造成整个传动系统 不能正常工作 许多工厂的生产线 装配线就属于这类 因此 多电机协调 的研究具有非常重要的现实意义 本论文所研究的对象针对后一类控制系统 主要基于冷轧机 拉丝机等生产线 三 本设计 论文或其他 应达到的要求 三 本设计 论文或其他 应达到的要求 熟悉多单元同步驱动系统的发展历程 熟练多单元同步驱动系统的原理和控制方法 熟练掌握各单元电动机采用变频调速的方法 掌握变增益 变时间常数的智能 PI 控制器及卷径补偿控制策略 四 接受任务学生 四 接受任务学生 机械 93 班班 姓名姓名 季 帅 五 开始及完成日期 五 开始及完成日期 II 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六 设计 论文 指导 或顾问 六 设计 论文 指导 或顾问 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所所长学科组组长研究所所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 摘 要 I 摘摘 要要 在工业生产 例如 轧钢 造纸 纺织 线材的拉拔等行业 上 多电机同步驱动 控制系统具有广泛的应用 其同步效果直接影响产品的质量 本文主要针对直线式拉丝 机的多电机同步驱动系统的逻辑控制进行研究 通过了解多单元同步控制系统的发展 在直线式拉丝机的实际生产工艺基础上 确定设计方案 即全数字式多单元同步控制 控制核心为可编程逻辑控制器 PLC 和变频器 PLC与变频器采用RS 485通讯方式实现 对多电机系统进行同步控制 通过对生产过程的分析 将运行过程分为手动和自动两种运行状态 其中手动又分 为单动和前联两种运行状态 单动过程指在手动运行状态下 单个电机单独运行 前联 过程指在手动运行状态下 本电机与前面电机一起同步运行并引入张力控制保持张力平 衡 自动过程指在张力控制系统的控制下 各个电机同步运行并保持张力的平衡 同时 利用PLC通过RS 485与变频器实时通讯 监视并控制变频器 实现多电机的同步逻辑驱动 最后 对PLC逻辑控制程序和RS 485通信协议进行仿真调试 实现多电机的同步逻辑驱动 关键词 关键词 拉丝机 多电机 同步驱动 PLC RS 485 Abstract II Abstract In industrial production such as Rolling paper textiles drawing the wire and other industries the multi synchronous motor driven control system has a broad application and its direct impact on the simultaneous effect of the quality of the product In this paper it researches the linear drawing of the multi motor synchronous control systems By understanding the development of the multi unit synchronous control system on the basis of the actual production process of the linear drawing machine set the design plan namely all digital multi unit synchronization control Control of the core is programmable logic controller PLC and inverter PLC and inverter use RS 485 communication means to carry out simultaneous multi motor control Based on the analysis of the production process the process will run into both manual and automatic operation and manual operation is divided into single action and the former running The single action process is that under the manual running a single separate motor is running The former running is that under the manual running the motor and the front motor s are synchronously running with the tension control keeping the tension balance The automatic operation is that under the tension control system various motors synchronously are running and maintaining the balance of the tension At the same time using the real time communications between PLC and inverter through RS 485 to surveillance and control inverter realizes the logic simultaneous multi motor driven Finally debug the PLC logic control program and RS 485 communication protocol to realize the logic simultaneous multi motor driven Key words Drawing Machine multi motor synchronous drives PLC RS 485 摘 要 III V 目目 录录 摘 要 I ABSTRACT II 目 录 V 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 课题的发展现状 1 1 2 1 模拟量多单元同步控制 1 1 2 2 数模结合型多单元同步控制 3 1 2 3 全数字式多单元同步控制 4 1 3 本论文的控制对象和控制任务 5 1 4 本论文的主要工作和创新 6 1 4 1 主要工作 6 1 4 2 主要创新 6 第 2 章 方案的比较和选择 7 2 1 传统的多单元同步驱动控制系统 7 2 2 带张力补偿控制的多电机同步驱动系统 8 2 3 全数字式的多单元同步控制系统 9 2 4 设计方案的确定 9 第 3 章 系统的设计 11 3 1 直线式拉丝机转速同步原理 11 3 1 1 卷筒同步运行原理 11 3 1 2 确定合适的转速比 12 3 2 LZ 8 600 直线式拉丝机参数的确定 12 3 2 1 卷筒转速比的确定 13 3 2 2 总压缩比的确定 15 3 2 3 钢丝所需拉拔力矩 15 3 2 4 电机输出力矩 16 3 2 5 卷筒输出力矩 16 3 3 系统模型的建立 17 3 4 器件的选择 17 3 4 1 可编程逻辑控制器 PLC 18 3 4 2 变频器的选择 19 3 4 3 触摸屏的选择 19 第 4 章 系统的硬件设计 21 4 1 可编程逻辑控制器 PLC 21 4 1 1 输入输出元件及分配 21 4 1 2 PLC 输入输出接线图 23 Abstract VI 4 1 3 FX2N 4AD 模拟量输入模块 28 4 2 变频器 A540 30 4 3 RS 485 通信接口的设计 30 4 3 1 RS 485 标准接口简介 30 4 3 2 PLC 与变频器的连接 31 第 5 章 系统的软件设计 33 5 1 RS 485 通讯的设计 33 5 1 1 变频器的设置 33 5 1 2 通讯的数据格式 33 5 1 3 通讯数据定义 34 5 1 4 PLC 中特殊继电器和寄存器的设置 35 5 1 5 程序设计 36 5 2 FX 4AD 模拟量输入模块的设计 36 5 2 1 FX 4AD 缓冲寄存器 BFM 的设计 36 5 2 2 FX 4AD 的基本应用程序 38 5 3 主控程序设计 38 5 3 1 程序运行逻辑简介 38 5 3 2 系统程序流程 39 5 3 3 PLC 逻辑控制程序 43 第 6 章 总 结 45 6 1 设计心得 45 6 2 前景展望 45 致 谢 47 参考文献 48 附 录 50 附录一 通讯数据的定义 50 附录二 通讯程序 以 1 变频器为例 56 附录三 主控制程序 59 基于 PLC 的多单元同步驱动系统的逻辑控制设计 1 1 绪论绪论 本章主要针对多单元同步控制 叙述了课题的背景 课题的发展现状 控制对象与 控制任务和本论文的主要工作与创新 其中在发展现状中讲述了三种不同的多单元控制 系统 这三种不同的控制系统体现了多单元同步控制系统三个发展阶段 即 模拟量多 单元同步控制 数模结合型多单元同步控制 全数字式多单元同步控制 1 1 课题背景课题背景 随着工业自动化程度的提高和生产规模的扩大 各种生产线 输送线的长度和输送 功率不断增加 当输送线长度增加到一定程度时 采用单电机驱动往往难以满足生产的要 求 必须采用多电机同步驱动的方式 组成多级同步驱动系统之后 从驱动电机之间的连接关系看可分两类 1 一类是各驱 动电机依赖链接式进行物理连接 由于各同步电机之间存在严重的耦合作用 可能导致 该电机的转速偏离更加严重 最后造成整个传动系统不能正常工作 许多工厂的生产线 装配线就属于这类 因此 多电机协调的研究具有非常重要的现实意义 本论文所研究 的对象针对后一类控制系统 主要基于冷轧机 拉丝机等生产线 1 2 课题的发展现状课题的发展现状 目前 有3种较为常见的多单元同步控制 可适应不同设备工艺条件和控制精度等要 求 灵活应用 2 3种多单元控制系统如下 1 2 1 模拟量多单元同步控制模拟量多单元同步控制 模拟式同步控制系统框图如图 1 2 所示 Vm1Vm0 10V R1 Rp 10V R2 S1 图1 1 张力反馈信号的获得 毕业论文 2 10V 10V 10V VF0M0 VF1M1 P G P1 S1 1 1 10V 10V VF2M2 S2 2 2 10V 10V VFnMn Sn n n P2 Pn 图1 2 模拟式同步控制器 电机 M0 M1 Mn分别由交流变频器 VF0 VF1 VFn为调速驱动 P 为主 令电位器 输出公共的调节信号 P1 P2 Pn 为各从动单元分调电位器 以此实现 各单元以一定的比例速度同步工作 或补偿各单元机械传动比的差异 起基本同步作用 S1 S2 Sn为各单元间的张力调节电位器 由 S1 S2 Sn传出的信号即为同步调 节信号 以此实现各单元速度失调的自动调整 G S1S11 10K 20K 20K 10K VF1 20K D C 10K 20K 20K 图1 3 模拟同步控制器原理图 1 2 2 数模结合型多单元同步控制数模结合型多单元同步控制 基于 PLC 的多单元同步驱动系统的逻辑控制设计 3 两单元同步传动控制系统原理框图如图1 4所示 10V PVF0M0PG0 PG1M1VF1 D A 图1 4 数模结合型同步控制系统 系统每个单元电机机采用的是PG反馈控制 单电机调速精度可显著提高 采用带PG 反馈的数模结合同步控制系统 其同步控制精度明显提高 且不受设备工艺的约束 可 实现转速 转角和线速度同步控制 应用灵活 5 1 2 3 全数字式多单元同步控制全数字式多单元同步控制 VF0 VF1 VF2 VFn PLC PG0PG1PGn M0 M1 M2 Mn 图1 5 全数字式同步控制系统 1 3 本论文的控制对象和控制任务本论文的控制对象和控制任务 本论文所讨论的多单元同步驱动控制系统是目前技术最为先进的应用于直线式拉丝 机的全数字式多单元同步驱动控制系统 与传统的拉丝机相比 直线式拉丝机采用的是 交流异步电机 而传统竖筒式拉丝机所采用的是调速电机 电磁转差离合器 前者比后者 控制效果要高 且与后者相比直线式拉丝机所拉成的钢丝在拉拔过程中不扭曲 使产品质 量和钢丝内应力得到可靠保证 8 直线式拉丝机生产工艺过程如图 1 6 所示 将整卷的钢丝开卷校直 经过 N 道卷筒拉 毕业论文 4 拔 靠各卷筒之间的张力辊控制张力和同步速偏差量 由于要将原料线材拉伸成所需的 规格 钢丝成型需经过拉模 而各道拉模的出丝口径不同 造成相邻卷筒的转速各不相 同 因此各道卷筒间的张力辊所承受的张力值也不相同 其生产流程如图 1 6 所示 1 2 n 图 1 6 直线式拉丝机的生产流程示意图 可见 想要将钢丝拉拔成一定的规格 必须严格控制各道电机的转速比 从而由控 制各道电机之间的转速差来控制对钢丝产生的拉力 而各道电机之间的转速的变化会引 起相邻之间张力辊位置的变化 由此可知 张力辊的位置是相邻卷筒对钢丝拉力的标志 要获得较高的加工精度 就要求电气传动系统在高速运行时具有良好的张力控制和相应 的比例同步转速协调控制性能 除应保证相邻卷筒之间的张力值恒定外 还要求驱动各 道卷筒的电机在静态和动态过程中其转速必须保持精确的比例同步 以实现各道卷筒间 出口的秒流量相等的控制原则 即式 1 1 成立 1 1 11 iinnS VSVS V 其中 Si Yi分别是第 i 道卷筒出口处钢丝的截面积和线速度 上式在稳态过程中 只要调 整好合理的比例同步系数 各道间的比例同步驱动是比较容易实现的 但在过渡过程中 如启制动或受较大扰动后的恢复 式 1 1 难以成立 因此必须利用张力调节 尽快地补 偿偏差 使系统动态亦满足式 1 1 并在过渡过程中尽可能的减小各道张力的波动 实 现快速恢复 1 4 本论文的主要工作和创新本论文的主要工作和创新 与前述分析的传统系统比较 进行了如下几方面工作和创新设计 1 4 1 主要工作主要工作 1 熟悉直线式拉丝机的生产工艺 建立基于张力恒定的多单元同步驱动控制系统 模型 2 本系统利用可编程控制器完成系统的设计 通过变频器的PU接口 将PLC和变 频器连接实现基于RS 485的工业控制网络 由PLC实现系统的控制算法和实时监控 由 PLC实现系统的启动 停止 稳态运行的控制和保护等逻辑控制任务 3 利用实验室现有的设备 构造一个与生产现场类似的实验环境 其中的关键控 制装置均采用实际系统中可直接使用的设备 如可编程控制器是 MITSUBISHI 的 FX2N 变频器是 MITSUBISHI 的 A540 采用 RS 485 通讯方式 监控及界面采用触摸屏是 MITSUBISHI 的 A970GOT 采用 RS 422 通讯方式与 PLC 通讯 1 4 2 主要创新主要创新 1 利用光电传感器 采集现场张力变化信号 在加工对象的工艺参数或系统参数 变化后 使各电机比例同步速按工艺要求实现自动调整 始终保证整个系统动态过程满 足式 1 1 的比例同步驱动 基于 PLC 的多单元同步驱动系统的逻辑控制设计 5 2 采用RS 485通讯方式 实现PLC与变频器的实时通讯 通过变频器控制各个电 机的运行 实现基于转速反馈控制的调速系统 各驱动单元的稳态无差和动态快速响应 3 利用触摸屏与 PLC 通信功能来实现系统的参数设定和系统的实时监控 2 方案的比较和选择方案的比较和选择 本章主要针对直线式拉丝机 叙述了直线式拉丝机的三种多单元同步控制系统 即 传统的多单元同步驱动控制系统 带张力补偿控制的多电机同步驱动系统 全数字式的 毕业论文 6 多单元同步控制系统 然后 确定了本论文的设计方案 采用全数字式多单元同步控制 系统 2 1 传统的多单元同步驱动控制系统传统的多单元同步驱动控制系统 在传统的多电机同步驱动系统中 各电机的速度调节器多采用比例积分 PI 调节器 其控制方案原理图如图 2 1 示 n aaa1 PI VF1VF2 PIPI VFVF PI M1G1M2G2MGMGiinn in in 1 图 2 1 传统多电机同步控制结构 而且PID控制器对非线性系统的控制性能较差 并且在系统参数或结构发生变化时 需要对PID控制器参数重新调整 此外 如果生产工艺的要求变化 如被加工对象的材质 或线经 规格变化 必须人工调整比例同步系数 因此 用传统的PID方法进行控制的效 果往往很不理想 2 2 带张力补偿控制的多电机同步驱动系统带张力补偿控制的多电机同步驱动系统 采用这种方式的多电机同步驱动系统的组成结构如图 2 2 所示 取张力辊的实际张力 值与张力给定值的偏差经比例放大后作为前馈补偿调节信号 即前 N 1 道电机的控制是 以比例同步速控制为主 张力补偿为辅的控制原则 如果需要调整工艺参数 则可以通 过改变张力的设定值和前 N 1 道电机的同步比例系数实现 一般取最后一台卷筒电机的转速为基准 前 N 1 道电机的转速按工艺要求以一定比 例与其同步 比例同步转速由各电位器选择 在稳态时满足各道卷筒的出口的秒流量相 等的原则 基于 PLC 的多单元同步驱动系统的逻辑控制设计 7 1 2 i n VVVF1VVVF2VVVFiVVVFn v cc 1 2 i M1M2MiMn 图2 2 拉丝机比例值同步控制结构图 由图2 2可知 采用带张力补偿的转速开环控制的多电机同步驱动系统 由于引入了 张力信号 在动态性能方面有了较大提高 但由于采用的是转速开环控制 在系统稳态 运行时存在静态误差 如果生产工艺参数变化后 如钢丝直径改变 要求人工调整比例同步 系数 系统自动化程度较低 2 3 全数字式的多单元同步控制系统全数字式的多单元同步控制系统 目前较为先进的拉丝机的同步控制器大都采用单片机 PLC 或者工控 PC 机来实现 全数字式同步控制系统框图如图 1 5 所示 人机界面 或者监控计算机 变频器均通过 RS 422 接口和 RS 485 接口与 PLC 的通信模块连接 由人机界面实现发送控制信息 设 定运行参数以及读取运行状态的作用 数字测速部件采用高分辨率的旋转编码器 PG 由 PG 分别测量各单元的实际速度 送至 PLC 的高速脉冲计数输入单元 PLC 将采集到的各 单元实时转速与设定运行参数综合 按既定的同步控制策略进行运算和控制 得到各单 元电机的运行速度设定值 再通过 RS 485 总线写入变频器执行 2 4 设计方案的确定设计方案的确定 通过对拉丝机的三种不同控制方式的的叙述 综合各个控制方式的特点 本次设计 同样采用先进的全数字化控制方式 同时加以改创新 本设计采用触摸屏来实现发送控 制信息 设定运行参数以及读取运行状态 通过参数的设定来实现 PLC 实时控制变频器 和交流电机的运行 放弃了在 2 4 节中讲述的数字测速部件采用高分辨率的旋转编码器 PG 采用光电位移传感器 通过张力辊的位移来调节张力的恒定 毕业论文 8 基于 PLC 的多单元同步驱动系统的逻辑控制设计 9 第第 3 章章 系统的设计系统的设计 本章主要介绍直线式拉丝机的的同步原理 拉丝参数的计算 系统框图和器件的选 择 3 1 直线式拉丝机转速同步原理直线式拉丝机转速同步原理 3 1 1 卷筒同步运行原理卷筒同步运行原理 目前的直进式拉丝机并非是完全 直进 的 它在每两卷筒之间 都设置有测速反馈装置 如图3 1 2 8 3 4 1 7 6 5 图3 1传感装置示意图 1 拉丝模 2 卷筒 3 张力辊 4 传感器 5 气缸 6 滑轮 7 卷筒 8 钢丝 钢丝由卷筒2拉拔收卷 经张力辊3搭在滑轮6上 再经拉丝模1进入下一卷筒7拉拔 气 缸5通过杠杆 使张力辊3紧靠着钢丝 在此杠杆转轴上 则安装着角度传感器4 该传感器随 着转轴的旋转 改变转角从而改变其电气参数 3 1 2 确定合适的转速比确定合适的转速比 在运行中 气缸5 提供一个弹力 使钢丝保持一定的张力 张力辊由于气缸行程及钢 的位置 其可变行程DT 极其有限 如图3 2 毕业论文 10 DT 图3 2 张力辊活动示意图 要在有限的空间里 做出灵敏的反应 及时给出信号 除了具备功能强大的驱动装置之 外 相邻两卷筒保持相应的基本转速非常重要 各卷筒均由各自的电机驱动 只有各卷筒具 备相对匹配的基本转速 才能使转速变动的调节量尽量小 易实现拉丝机的联动 电机是通 过减速箱带动卷筒的 各电机转速基本相同 各卷筒在联动拉丝时 转速并不相同 而保持着 一定的比例 只有确定各卷筒与电机的转速比i 才能据此定出各减速箱有关机械 齿轮 皮带轮等 参数 其转速比为 3 1 Minn 式 3 1 中 nM 电机转速 1500r min n 卷筒转速 r min 3 2 LZ 8 600直线式拉丝机参数的确定直线式拉丝机参数的确定 LZ 8 600直线式拉丝机设有8个600mm卷筒 分别由8台电机驱动 各电机功率为 45KW 转速为1500r min 电机均为三相交流电机 调速设备采用MITSUBISHI的A540型 该拉丝机成品卷筒 8 卷筒 额定输出线速度为10m s 其它数据参照表3 1 表3 1 项目数据 项目单位型号 卷筒直径mm600 拉拔道次time8 材料抗拉强度Mpa 1250 最大进线直径mm5 0 2 8 最小出线直径mm1 8 1 0 总压缩率 87 平均部分压缩率 22 51 拉拔速度m s10 电机功率kw变频45 3 2 1 卷筒转速比的确定卷筒转速比的确定 基于 PLC 的多单元同步驱动系统的逻辑控制设计 11 钢丝在拉拔时 其压缩比为 3 2 2 01 ud d 式 3 2 中 d 拉拔后的钢丝直径 d0 拉拔钢丝前钢丝直径 钢丝在拉拔后 延伸系数 其中 分别为拉拔前 后的钢丝长度 0 l l l0l 忽略损耗 根据拉拔前后等体积原则 有 3 3 2 0 dd 比较 3 2 3 3 两式 得 3 4 11 根据经验 LZ 8 600拉丝机各级拉拔压缩比确定为 20 23 26 25 24 22 21 20 1 2 3 4 5 6 7 8 配模曲线概略如图3 3 012345678 19 20 21 22 23 24 25 26 27 图3 3 8 600拉丝配模曲线 将各压缩比值代入 3 4 式 得 1 25 1 3 1 35 1 33 1 32 1 2 3 4 5 1 28 1 27 1 25 6 7 8 各卷筒转速 当各卷筒直径相等时 应有 221nn 332nn 443nn 554nn 665nn 776nn 3 5 887nn 式 3 5 中 分别为各卷筒转速 成品卷筒线速度为12345678 n n n n n n n n 10m s 则有8v 毕业论文 12 3 6 8860 nvD 式 3 6 中 D为卷筒直径 D 600mm 代入 3 6 式得到 8318 5 minnr 将此值代入式 3 5 得 7254 8 minnr 6200 6 minnr 5156 0 minnr 4118 2 minnr 388 9 minnr 265 9 minnr 150 6 minnr 将各卷筒转速分别代入 3 1 中 得 11 1500 50 629 6Minn 22 1500 65 922 8Minn 32 1500 88 9 16 9Minn 44 1500 118 2 12 7Minn 55 1500 156 0 9 6Minn 66 1500 200 6 7 5Minn 77 1500 254 8 5 9Minn 88 1500 318 5 4 7Minn 综合有关参数 汇总如表3 2 表3 2 拉丝参数汇总 电动机序号卷筒转速 r min 压缩比 延伸率线速度 m s 转速比 1 50 6201 251 5929 6 2 65 9231 302 0722 8 3 88 9261 352 7916 9 4 118 2251 333 7112 7 5 156 0241 324 909 6 6 200 6221 286 307 5 7 254 8211 278 005 9 8 318 5201 2510 004 7 3 2 2 总压缩比的确定总压缩比的确定 由 3 2 式知 3 7 2 80 1dd 总 又由 3 2 式导出 8871dd 7761dd 6651dd 5541dd 4431dd 3321dd 基于 PLC 的多单元同步驱动系统的逻辑控制设计 13 2211dd 代入 3 7 式得 3 8 12345678111111111u 总 将各 值代入 3 8 式 得 87 0 u总 3 2 3 钢丝所需拉拔力矩钢丝所需拉拔力矩 LZ 8 600拉丝机所用8台电机输出力矩相同 故只以1 卷筒为例 对1 卷筒 最大进线直径为5 0mm 压缩比取20 其拉丝时所需拉拔力矩 LT 3 9 2bLDT 2 0 6 d 式 3 9 中 钢丝进线直径 dmm 压缩比 钢丝抗拉强度 b MPa 卷筒直径 Dm 取 1250 将有关数据代入 3 9 式 则 b MPa N m 2 1250 0 60 22515 6 0 6 5 00 20LT 3 2 4 电机输出力矩电机输出力矩 电机输出力矩为 3 10 9550 mmmTPn 3 2 5 卷筒输出力矩卷筒输出力矩 将折算到卷筒上 则卷筒输出力矩为 mT 3 11 9550 LLLTPn 式 3 11 中 卷筒可输出功率 LPkW 卷筒转速 Ln minr 将功率损失忽略不计 即有 3 12 mLPP 由 3 9 3 10 3 11 3 12 式 可得 3 13 LmmLTTnni 式 3 13 中 为1 卷筒转速比 29 6 见表3 2 故1 卷筒可输出力矩ii N m 与1 卷筒拉丝力矩相比 286 5 29 68480 4LmmLmTTnnT i LT 则有 8480 4 2515 63 37LLT T 3 3 系统模型的建立系统模型的建立 结合 1 2 3 和 2 3 中数字化多单元控制系统模型 建立 LZ 8 600 拉丝机的数字化多 单元同步控制系统模型 系统框图如图 3 4 所示 毕业论文 14 触触摸摸屏屏 1 2 3 4 5 6 7 8 RS 422 RS 485 作作作作作作作作作 作作作作 A970GOT TBA TBD CH PLC AD I O 1 2 3 4 5 6 7 8 图 3 4 系统框图 核心控制器件为可编程逻辑控制器 PLC 和变频器 PLC 为系统逻辑控制中心 变频器主要控制电机的运行 PLC 与变频器之间采用串行通信方式 RS 485 数据和控制 指令通过 RS 485 通信线路从 PLC 传送到变频器 再由变频器控制电机的启动 停止 转 速调整及其他控制操作 辅助控制器件为触摸屏 张力机构和现场操作 其中触摸屏与 PLC 之间采用 RS 422 通信方式 通过触摸屏来设置系统参数和变频器控制参数 并在系 统运行状态下 实时检测系统的运行状态 张力机构主要是通过张力辊和传感器来检测 各卷筒之间的张力变化 变化数据通过 A D 转换器传入 PLC 进行数据分析比较 然后再 PLC 向变频器发出控制指令 来实现电机 卷筒的控制 达到维持张力恒定的目的 3 4 器件的选择器件的选择 结合拉丝机的实际情况 市场的行情和器件的实用性和灵活性 本论文的控制系统 的所有器件全部选择三菱公司 MITSUBISHI 的可编程逻辑控制器 PLC 变频器和 触摸屏 其中 PLC 的型号为 FX2N 变频器的型号为 A540 触摸屏的型号为 A970GOT 下面详细叙述所器件的情况 3 4 1 可编程逻辑控制器 可编程逻辑控制器 PLC 可编程逻辑控制器 programmable logic controller 简称为 PLC 它是在集成电路 计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备 它具有控制功能强 可靠性高 配置灵活 体积小 重量轻以及使用方便等优点 基于 PLC 的多单元同步驱动系统的逻辑控制设计 15 图 3 5 FX2N系列 FX2N型 PLC 如图 3 5 所示 是 FX 系列 PLC 家族中最先进的系列 其特点如下 最大范围的包容了标准特点 程式执行更快 全面补充了通信功能 适合世界各国不同 的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块 其中通信功能和特殊功能模块是选择 FX2N型 PLC 的核心点 FX2N型 PLC 的基本单元 扩展模块和特殊扩展设备的选择 如表 3 3 所示 表 3 3 FX2N型 PLC 的器件表 PLC输入点数输出点数耗电数量 FX2N 64MR 001 继电器输出 32321 扩展模块 FX2N 16EX1601 特殊扩展设备 FX2N 422 BD60mA1 FX2N 485 BD60mA1 FX2N 4AD8830mA2 毕业论文 16 PLC 的输出选择为继电器输出 主要用于高压 即 220V 的负载 扩展模块用来弥 补 PLC 的输入端口的不足 使系统的功能更加完善 特殊扩展设备中 FX2N 422 BD 实 现 PLC 与触摸屏的通信 FX2N 485 BD 实现 PLC 与变频器的通信 FX2N 4AD 用于将模 拟量转换成数字量 输入 PLC 3 4 2 变频器的选择变频器的选择 由于可编程逻辑控制器 PLC 选择了 MITSUBISHI 的 FX2N型 PLC 同时本论文的 设计特点是通过 RS 485 通信方式来实现 PLC 与变频器的数据通信 并结合各个变频器的 3 4 3 触摸屏的选择触摸屏的选择 本次设计中 触摸屏主要是用于系统的参数设置和系统运行的实时监控 触摸屏选择 MITSUBISHI 的 A970GOT TBA CH 或者 A970GOT TBD CH GOT900 系列性能特点如下 1 程序修改功能 可显示程序作出修改 用于现场操作程序修改 2 梯形图临控功能 3 系统监控功能 基于 PLC 的多单元同步驱动系统的逻辑控制设计 17 第第 4 章章 系统的硬件设计系统的硬件设计 本章详细叙述直线式拉丝机 即 LZ 8 600 拉丝机 的硬件设计 主要是 PLC 输入输 出元件的分配和接线 变频器和 RS 485 的硬件方便的设计 其中 PLC 和 RS 485 的硬件 是本次设计的关键和重点 4 1 可编程逻辑控制器 可编程逻辑控制器 PLC 4 1 1 输出输入元件及分配输出输入元件及分配 在设计硬件 PLC 的输入输出之前 首先要清楚本次设计拉丝机的多单元同步逻辑控 制的逻辑关系 本次设计的拉丝机为直线式拉丝机 即 LZ 8 600 拉丝机 有 2 种控制控制方式 自动控制方式和手动控制方式 控制方式的选择通过控制开 关 SA 来实现 灯 HL1 HL2 分别指示手动控制方式和自动控制方式 在自动控制方式下 拉丝机的启动 停止的实现是按钮 SB1 和 SB2 自动控制方式 下 拉丝机启动的必要条件是安全门闭合 通过限位开关 SQ1 来实现安全门闭合和打开 的检测 启动指示灯为 HL3 蓝 停止指示灯为 HL4 红 安全门闭合指示灯为 HL9 蓝 安全门打开指示灯为 HL10 红 在整个拉丝过程中 张力控制系统是拉丝质量的关键 而并不是所有的情况都需要 张力控制系统的介入 特别是电机单动的情况下 所以按钮 SB3 SB4 实现张力控制系统 的启动 停止 张力控制系统启动指示灯为 HL7 蓝 张力控制系统停止指示灯 HL8 红 按钮 SB5 SB6 实现润滑泵电机的启动和停止 润滑泵电机的启停通过继电器 KM1 来实现 润滑泵电机启动指示灯 HL5 蓝 润滑泵电机停止指示灯 HL6 红 按钮 SB6 实现 8 台变频器的复位 断丝检测 KM 是通过检测装置来实现的 将检测信号输入 PLC 通过继电器 KM 来实 现 急停按钮 SB9 是在系统出现错误 或生产过程中出现紧急事件时使用的 报警装置是设备设计不可缺少的部分 报警指示灯为 HL11 黄 报警电铃 HA 消铃按钮 SB9 是消除报警时使用的 试灯 试铃按钮 SB10 是用来测试报警灯和报警铃的 按钮 SB11 SB18 和限位开关 SQ2 SQ9 实现 8 台电机的各自单动运行 按钮 SB19 SB25 和限位开关 SQ10 SQ1 实现前联控制 热继电器 FR1 FR8 实现 8 台电机的过负荷保护 输入输出元件及分配表如表 4 1 和表 4 2 所示 表 4 1 输入设备及分配表 输入元件地址编码代码 自动 手动X0SA 启动X1SB1 停止X2SB2 安全门X3SQ1 张力控制系统启动X4SB3 毕业论文 18 张力控制系统停止X5SB4 润滑泵电机启动X6SB5 润滑泵电机停止X7SB6 变频器复位X10SB7 断丝故障X11KM 急停按钮X12SB8 消铃按钮X13SB9 试灯 试铃按钮X14SB10 1 电动机单动X20SB11 SQ2 2 电动机单动X21SB12 SQ3 3 电动机单动X22SB13 SQ4 4 电动机单动X23SB14 SQ5 5 电动机单动X24SB15 SQ6 6 电动机单动X25SB16 SQ7 7 电动机单动X26SB17 SQ8 8 电动机单动X27SB18 SQ9 1 2 电动机连动X30SB19 SQ10 1 3 电动机连动X31SB20 SQ11 1 4 电动机连动X32SB21 SQ12 1 5 电动机连动X33SB22 SQ13 1 6 电动机连动X34SB23 SQ14 1 7 电动机连动X35SB24 SQ15 1 8 电动机连动X36SB25 SQ16 1 电机过负荷保护X40FR1 2 电机过负荷保护X41FR2 3 电机过负荷保护X42FR3 4 电机过负荷保护X43FR4 5 电机过负荷保护X44FR5 6 电机过负荷保护X45FR6 7 电机过负荷保护X46FR7 8 电机过负荷保护X47FR8 表 4 2 输出设备及分配表 输出端口器件地址代码 手动指示灯Y0HL1 自动指示灯Y1HL2 启动指示灯Y2蓝 HL3 停止指示灯Y3红 HL4 润滑泵电机的启停Y4KM1 润滑泵电机启动指示灯Y5蓝 HL5 润滑泵电机停止指示灯Y6红 HL6 张力控制系统Y7KM2 张力控制系统启动指示灯Y10蓝 HL7 基于 PLC 的多单元同步驱动系统的逻辑控制设计 19 张力控制系统停止指示灯Y11红 HL8 安全门闭合指示灯Y12蓝 HL9 安全门打开指示灯Y13红 HL10 报警指示灯Y14黄 HL11 报警电铃Y15HA 4 1 2 PLC 输入输出接线图输入输出接线图 1 输入元件接线图 如图 4 1 4 2 4 3 4 4 所示 X0X1X2X3X4X5X6X7COM SASB1SB2SQ1SB3SB4SB5 SB6 图 4 1 X10X11X12X13X14X15X16X17COM SB7KMSB8 SB9SB10 图 4 2 毕业论文 20 X27X26X25X24X23X22X21X20COM 1 2 3 4 5 6 7 8 SB9SQ2SQ3SB10SB11SQ4SB12SQ5SB13SQ6SB14SQ7SB15SQ8SB16SQ9 图 4 3 电机单动控制 X37X36X35X34X33X32X31X30COM 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 SB17SQ10SQ11SB18SB19SQ12SB20SQ13SB21SQ14SB22SQ15SB23SQ16 图 4 4 电机连动控制 X40X41X42X43X44X45X46X47COM 1 2 3 4 5 6 7 8 FR1FR2FR3FR4FR5FR6FR7FR8 图 4 5 电机过负荷保护 由于本设计中引入了触摸屏 所以输入元件中按钮和控制开关可以通过触摸屏模拟 实现按钮和开关的功能 而输入元件中继电器 热继电器和限位开关通过外部器件实现 基于 PLC 的多单元同步驱动系统的逻辑控制设计 21 2 输出元件接线图 如图 4 6 4 7 所示 Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7COM1 HL1HL2HL3HL4KM1HL5HL6KM2 220V 图 4 6 Y10Y11Y12Y13Y14Y15Y16Y17COM HL7HL8HL9HL10HL11HA 220V 图 4 7 由于本设计中引入了触摸屏 所以输出元件中大部分指示灯 例如 手动指示灯 自动指示灯 启动指示灯 停止指示灯 等等 都通过触摸屏模拟实现指示功能 而报 警指示灯 HL11 报警电铃 HA 和继电器 KM1 KM2 必须通过外部器件实现功能 继电 器线圈要并联电阻和电容是为了防止断电时 线圈中感应电流对设备造成损坏 通常 电阻选 100 电容选 0 22 F 400V 综合输入输出元件及其分配 将部分按钮和指示灯通过触摸屏实现 最后确定 PLC 毕业论文 22 输入输出接线图 如图 4 8 所示 基于 PLC 的多单元同步驱动系统的逻辑控制设计 23 图 4 8PLC 输入输出接线图 4 1 3 FX2N 4AD 模拟量输入模块模拟量输入模块 FX2N 4AD 模拟量输入模块有 4 个输入通道 通道号分别为 CH1 CH2 CH3 和 CH4 输入通道用于将外部输入的模拟量信号转换成数字量信号 即称为 A D 转换 其 分辨率为 12 位 输入的模拟量信号可以是电压也可以是电流 输入电压或者电流的选择是由用户通 过不同的接线来完成的 模拟量电压值范围是 10V 10V 分辨率为 5mV 如果为电流 输入 则电流输入范围为 4mA 20mA 或者 20mA 20mA 分辨率为 20 A FX2N 4AD 模拟量输入模块的特点 1 提供 12 位高精度分辨率 包括符号位 2 4 通道电压输入 10V 10V 或者电流输入 20mA 20mA 3 每一通道都可以分别指定为电压输入或者电流输入 4 FX2N型 PLC 最多可以连接 8 台 FX2N 4AD 模拟量输入模块的性能指标 1 电源 模拟电路 24V 10 V 电流为 55mA 源于基本单元的外部电源 数字电路 5V DC 30mA 源于基本单元的内部电源 2 环境 与 PLC 基本单元相一致 耐压绝缘电压 AC 5000V 1 分钟 在所有 端子和地之间 3 性能指标 如表 4 3 所示 表 4 3 FX2N 4AD 的性能指标 项目电压输入电流输入 电压输入或电流输入应选择相应的输入端子 可以使用 4 个输入点 模拟输入范 围 10V 10V 输入阻抗 200K 注意 如果输入电压超过 15V 单元会被损坏 20mA 20mA 输入阻抗 250K 注意 如果输入电流超过 32mA 单元会损坏 数字输出带符号位的 12 位二进制 有效位数 11 位 超过 2047 时为 2047 小于 2048 时为 2048 分辨率5mV 10V 1 2000 20 A 20mA 1 1000 总体精度 1 满量程 0V 10V 1 满量程 4mA 20mA 转换精度15ms 通道 常速 6ms 通道 高速 本次设计中模拟量输入信号为电压信号 输入范围范围 10V 10V 选择了 2 个 FX2N 4AD 模拟量输入模块 使用了 7 个模拟量输入点 用于张力传感器的模拟信号的输 入 FX2N 4AD 模拟量输入模块的外部接线 如图 4 9 所示 毕业论文 24 图 4 9 FX2N 4AD 模拟量输入模块的外部接线 可以在输入口 即 V 与 VI 之间 中加入一个平滑电容 0 1 0 47 F 25V 来防 止电压波动或外部电气电磁干扰影响 R1 100K R2 250K 4 2 变频器变频器 A540 设计中采用了 RS 485 通信方式 变频器与 PLC 进行数据的交换 所以变频器的控制 基于 PLC 的多单元同步驱动系统的逻辑控制设计 25 回路输入信号和输出信号全部通过 PU 接口的 RS 485 通信来完成变频器的控制 1 变频 器接线图 如图 4 10 所示 L1 L2 L3 L11 L21 L31 R U V W 1 R S T 1 PU FR1 QS FR1 图 4 10 变频器接线图 4 3 RS 485 通信接口的设计通信接口的设计 4 3 1 RS 485 标准接口简介标准接口简介 RS 485是在RS 422标准的基础上 由美国电气工业联合会 EIA 制定的一种支持多节 点 远距离和接收高灵敏度的RS 485总线标准 它采用差分信号进行传输 最大传输距 离可以达到1 2km 100Kb s 最大可连接32个驱动器和收发器 接收器最小灵敏度可达士 200mV 最大传输速率可达10Mb s 15m RS 485标准采用平衡式发送 差分式接收的数 据收发器来驱动总线 具体规格要求如下 20 1 驱动器输出共模电压 7V 12V 2 接收器的输入电阻R 12 K 3 接受器输入电压范围 7V 12V 4 3 2 PLC 与变频器的连接与变频器的连接 接口使用RJ45接口 例如 Nippon AMP 5 554720 3 电缆使用10BASE T电缆 电缆 毕业论