基于PLC的钢板定长剪切控制系统设计_……

1、大学毕业设计题目：基于 PLC钢板定长剪切系统设计学生：学生学号：院系名称： 专业班级：机械设计制造及其自动化 指导教师：2014 年 06 月 18 日毕业设计任务书专业机械设计制造及其自动化 班级机械 下发日期 2013-11-28题目基于 PLC的钢板定长剪切控制系统设计专题电气控制主要容及要求容：(1) 根据钢板剪切结构，确定系统方案； (2) PLC 的选用； (3) 光电编码器的选用； (4) 控制系统原理图设计； (7) 根据桥钢板定长剪切系统运行控制要求及系统PLC编程环境，设计系统软件程序。要求： (1) 在教师指导下，独立完成设计任务，培养较强的创新意识和学习能力； (2)

2、 收 集相关的资料和阐述设计的思维； (3) 熟悉系统整体设计，了解各部分性能。主 要 技 术参 数光电编码器型号： EPC-755A 每转 600 个脉冲PlC ：采用 FX2N-32MR,共 32 点， 16 点输入， 16 点输出，主要组成模块为 CPU模块、 I/0 扩展模块、功能扩展模块进度 及 完 成 日 期4月 01日-4 月18日查阅国外文献 ,上交开题报告；4 月 22 日 5 月 12 日系统方案选择与论证 , 软硬件设计；5 月 13 日 5 月 23 日主要参数计算及元器件的选择 , 上交中期审核表；5 月 25 日 6 月 05 日完成毕业设计论文书的撰写 , 上交初

3、稿；6月 06日 6月16日论文打印 ,完成答辩 PPT,准备答辩。系主任签字日期教研室主任签字日期指导教师签字日期指导教师评语在为期三个月的毕业设计中， 该同学能在老师的严格要求下顺利完成整个毕业设计工作和论文的撰 写。程序能正确的运行，界面安排合理，论文符合要求。在整个毕业设计的过程，态度端正，学习也比 较认真，时间安排也很合理，能按时到实验室，不存在无故早退或迟到的情况。能基本在每个阶段完成 相应的任务， 还能主动加班， 做到时间上前紧后松。 当然， 在这其间也存在一些不足和需要提高的地方。 例如，知识面不够广， 处理问题和运用知识的能力还有待提高， 不能积极主动的和老师交流工作的进程。

4、 希望该同学在以后的工作或学习中注意这些问题，争取更大的提高和进步，取得更好的成绩。指导教师 :毕业设计评阅意见表设计题目 基于 PLC的钢板定长剪切控制系统设计评价项 目评价标准（ A 级）满分评分ABCDE文献资 料利用 能力能独立地利用多种方式查阅中外文 献；能正确翻译外文资料；能正确 有效地利用各种规、设计手册等。10109876综合运 用能力研究方案设计合理； 设计方法科学； 技术线路先进可行；理论分析和计 算正确；动手能力强；能独立完成 设计；能综合运用所学知识发现和 解决实际问题； 研究结果客观真实。20192017181516131412设计质 量设计结构严谨；逻辑性强；语言文

5、 字表准确流畅；格式、图、表规； 有一定的学术水平或实际价值4037-4032-3628-3125-2724创新能 力有较强的创新意识；所做工作有较大突破；设计有独到见解151513-1411-12109工作量工作量饱满；圆满完成了任务书所 规定的各项任务。151513-1411-12109总分是否同意将该设计提交答辩：是（ ） 否（ ）具体评阅及修改意见：评阅人：年月日注：1. 请按照 A级标准，评出设计（论文）各项目的具体得分，并填写在相应项目的评分栏中；2. 计算出总分。若总分 60 分，“设计（论文）质量” 24 分，建议不能提交论文评阅乃至答辩。 该设计（论文）须限期修改合格后重新申

6、请答辩。3. 评阅意见栏不够可另附页。答辩委员会评语评 定 成 绩周记说明书 （或论文）图纸答辩总评答辩委员会主席签字日期（5%）（65%）（30%）百分制等级制摘要随着科学技术的飞速发展，现代工业控制系统越来越复杂，传统控制面临着新的 挑战。PLC以其体积小、功能齐全、价格低廉和可靠性高等方面独特的优点，在各个 领域获得了广泛应用。 PLC的使用大大提高了控制系统的可靠性和自控程度，为企业 提供了更可靠的生产保障。 如何在 PLC自动控制领域发挥 PLC的优势是目前自动控制 学科的重要课题之一。为实现钢板定长剪切生产线的安全、 高精度、 可靠和高效的自动控制， 全面分析 了钢板定长剪切生产线

7、的结构、 工作原理及控制特点， 提出了一种基于可编程控制器 的钢板定长剪切生产线 PLC 控制系统。该系统以 PLC（可编程控制器）为控制核心 , 采用光电编码器测量钢板长度，光电编输出与转速成一定关系的脉冲信号，通过 PLC 高速计数器记录脉冲的个数用， 间接测量出钢板的长度， 待钢板长度达到在高速计数 器中预先设定的数值时，主电动机制动且剪切机动作，即实现定长切割。关键词： 定长剪切 , 可编程控制器 PLC, 光电编码器ABSTRACTWith the rapid development of science and technology, modern industrial contr

8、ol system is more and more complex, traditional control science faces new challenges. PLC with its small volume, complete functions, low cost and high reliability has unique advantages, won a wide application in all fields. The use of PLC control system can be greatly improved the reliability and co

9、ntrol level, for the enterprise provides a more reliable production security. How to play to the advantages of PLC in the field of PLC automatic control is one of the important topics of current automatic control subjectsTo achieve the security of the steel plate fixed length shearing production lin

10、e, high precision, reliable and efficient automatic control, comprehensive analysis of the steel plate fixed length shearing production line of the structure, working principle and control characteristics, this paper proposes a fixed length shear production line based on programmable controller PLC

11、control system. The system with PLC (programmable controller) as control core, steel plate length measurement by photoelectric encoder, photoelectric pulse signal output and the speed with a certain relationship, through the PLC high-speed counter records the number of the pulse with indirect measur

12、e the length of the steel plate, for steel plate length reaches the preset value, in the high speed counter main motor brake and shear power, namely the realization of fixed length cutting.KEYW ORD：S fixed-length cutting, PLC programmable controller, photoelectricencod目录摘要 IABSTRACT I I第 1 章 绪论 11.1

13、 课题背景和目的意义 11.2 设计现状及发展趋势 11.3 PLC 控制系统设计的原则 21.4 方案论证 3第 2 章 系统总体设计 42.1 系统控制要求 42.2 系统结构及工作原理 4第 3 章 系统硬件设计 63.1 光电编码器 63.1.1 光电编码器的原理 63.1.2 光电编码器的选型 63.1.3 光电编码器脉冲数计算 83.2 PLC 控制原理及选型 93.2.1 PLC 定义 93.2.2 PLC 构成 103.2.3 CPU 构成 103.2.4 I/O 模块 103.2.5 电源模块 103.2.6 PLC 特点 103.3 PLC 选型 123.3.1 PLC 的

14、型号选择 123.3.2 I/O 模块的选型 13第 4 章电气原理及软件设计 154.1电气原理设计 154.2 系统控制方案 154.3 PLC I/O 分配 164.4 PLC 硬件接线 174.5 程序设计 17第 5 章总结 20致 21参考文献 22附录 I 22附录 II 22第1章 绪论1.1 课题背景和目的意义定长剪切机是一种精确控制板材加工尺寸，将大型板块进行定长剪切的设 备。传统定长剪切机采用继电器作为控制器件， 其控制系统较复杂， 参数改变不 灵活，大量接线使系统可靠性降低，维修率高，降低了生产效率。 PLC以其灵活 性、快速性、可靠性和性价比高等特点越来越受到企业或者

15、团体设计者们的欢迎， 在各行各业的应用非常广泛。 用 PLC替代继电器设计剪切控制系统， 具有操作简 单，运行可靠，抗干扰能力强，编程方便，控制精度高的明显优势。基于以上 PLC特点，本课题主要研究如何应用 FX2N PLC设计一个薄钢板定长剪切控制系 统，设计的关键是如何提高定长剪切的精度。1.2 设计现状及发展趋势随着我国经济的持续高速增长， 社会对各类板材的需求量不断增长， 对板材 加工的精度提出了更高的要求，人们希望能够精确对板材进行定长切割。另外， 随着企业之间的竞争日益加剧和人力资源成本的上升， 厂家为了在竞争中占据有 利地位，除了保证板材加工的精度外，对板材加工的效率也提出了更高

16、的要求。 钢板剪切的主要设备是剪切机，而普通剪切机存在诸多不足。(1) 加工精度不高造成加工精度不高的主要原因， 一方面是加工尺寸由操作人员用普通钢尺手 动测得， 精度难以保证； 另一方面采用异步电动机带动链条传动机构， 这样不仅 定位精度低， 而且易造成剪切面的机械偏差， 这种偏差随加工板材宽度增加而加 大。(2) 操作繁琐，容易出错剪切机需要人工操作， 剪切动作的控制需人工完成， 占用人力资源， 也容易 出错。(3) 能耗大，效率低剪切机的动力系统一般使用普通异步电机， 在剪板过程中不断启停， 能耗大、 效率低。基于上述情况，面对板材生产加工企业迫切需要高精度、 高效率的生产设备， 在可预

17、见的未来， 剪板机发展趋势和需求方向是： 一些资金雄厚的企业， 出巨资 购买全新数控剪切机； 相当一批中小企业没有足够的资金， 希望通过对原设备的 技术改造来满足要求。 对普通剪切机或传统自动剪切机升级改造， 提高工作效率 和剪板精度，降低能耗，这方面有较大的市场需求。PLC一直以来为各种工业设备提供了非常多的控制功能， 不断完善和扩展的 网络功能， 朝着高性能小型化发展。 用可编程序控制器进行控制， 省去了如继电 器之类的固体电子器件， 简化了繁杂的硬件接线线路， 使控制具有极强的的柔性 和功能的可拓展性；同时可编程序控制器具有性能稳定 , 工作可靠，操作简单， 调节方便，自动保护等特点。1

18、.3 PLC 控制系统设计的原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求， 以提高生产效率 和产品质量为目的的。 PLC系统设计应遵循以下原则。（1）满足要求原则最大限度的满足被控对象的控制要设计控制系统的首要前提， 也是设计中最 重要的一条原则。（2）安全可靠原则控制系统长期运行中能否达到安全、 可靠、稳定，对设计控制系统来说至关 重要。为了达到这一点，要求在系统设计、器件选择和软件编程上全面考虑。例 如，在设计上应该保证 PLC程序不仅在正常条件下能正确运行， 而且在一些非正 常情况下也能正常工作。 系统应该具有能接受并且只能接受合法操作， 对非法操 作程序能予以拒绝的能力。（3

19、）经济实用原则经济实用也是系统设设计的一项重要原则， 这就要求不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护既方便又低成本。4）适应发展原则控制系统的要求也一定会不断的在提高和完善。 在控制系统设计时， 要考虑 今后的发展和完善，这就是要求选择的 PLC机型和输入 / 输出模块要能适应发展 的需要，要适当留有发展余量。1.4 方案论证方案一：在剪板机刀口后面安装一个接近开关， 当钢板经过夹送辊， 通过刀口到达预 定位置，接近开关检测到钢板头已经到达就启动刹车系统停车，并发送信号给 PLC， PLC发送信号启动冲压系统将钢板剪切。改变接近开关距离刀口的长度就 能够方便改变要剪切钢板的

20、尺寸。此方案的好处是原理简单，安装和维护方便， 编程较容易。不足的是，钢板的长度只有到达位置和没有到达位置两种粗略状态， 系统不能够监测实际尺寸跟设定参数差距值， 因此使 PLC控制电机运转幅度不好 把握，很难得到预想结果，造成误差较大。针对方案一显现的不足， 可用旋转光电编码器测量实际的钢板尺寸， 安装光 电编码器和夹送辊同轴， 根据夹送辊的周长和旋转数据能方便地计算出钢板经过 夹送辊的尺寸， 将检测数据以脉冲形式反馈到 PLC进行处理存储。 当检测到钢板 尺寸与设定值一致， PLC启动冲压系统将钢板剪切。本方案的优点是，在不掉电 情况下，计数器能够记录钢板的尺寸参数， 控制精度比方案一较高

21、。 相对方案一， 方案二取消了接近开关， 使用了旋转增量式光电编码器， 成本上较有上升， 编程 也较复杂，但其控制精度较高，且成本在可承受围，性价比比较高，总体来说比 方案一好。本设计采用方案二。第 2 章 系统总体设计2.1 系统控制要求本设计的薄钢板定长剪切控制系统要达到以下控制要求：（ 1）待切材料从左向右牵引电动机前行， 光电编码器信号用来测量牵引的长 度，待牵引长度达到预先设定的数值时，电动机制动且剪切机动作。（ 2）通过 PLC高速计数器控制指令和光电编码器实现精确定长切割。2.2 系统结构及工作原理钢板定长剪切生产线由开卷机、 校平机、 剪切机和堆垛机四部分组成， 如图 2-1

22、所示。钢卷经校平机压平，按照给定剪切长度定位后，剪切机将钢板剪切成 成品，再由堆垛机的皮带输送入框堆垛。 开卷机无电机驱动， 采用电磁抱闸制动； 校平机采用异步电机 M1驱动，经皮带减速后由传动箱将运动传递给各主动辊， 上下辊的压紧力由分布在四角的四个螺栓施加， 用于测量钢板长度的光电编码器 经传动连接在最后一根测长辊侧；剪板机采用下传动式剪板机，由异步电机 M2 驱动, 通过控制 M2正反转来控制剪切机构的上下运动； 堆垛机由输送带和料框组 成，输送带由异步电机 M3驱动。图 2-1 钢板定长剪切生产线结构示意图工作原理： 待切材料从左向右牵引电动机前行， 光电编码器通过测量电动机M1的转速

23、，输出与转速成一定关系的脉冲信号， 通过 PLC高速计数器记录脉冲的 个数用，间接测量出牵引的长度， 待牵引长度达到在高速计数器中预先设定的数 值时，电动机制动且切刀动作，即实现定长切割。第 3 章 系统硬件设计3.1 光电编码器3.1.1 光电编码器的原理光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲 或数字量的传感器。 这是目前应用最多的传感器， 光电编码器是由光栅盘和光电 检测装置组成。 光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。 由于 光电码盘与电动机同轴， 电动机旋转时， 光栅盘与电动机同速旋转， 经发光二极 管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号

24、 6 ，其原理示意图如图 3-1 所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。图 3-1 光电编码器的原理图3.1.2 光电编码器的选型在光电编码器的使用过程中， 对于其技术规格通常会提出不同的要求， 其中 最关键的就是它的分辨率、 精度、输出信号的稳定性、 响应频率、 信号输出形式。（1）分辨率，光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信 号基本周期数来表示的，即脉冲数 / 转（PPR）。根据不同的应用对象，可选择分 辨率通常在 5006000PPR的增量式光电编码器，（2）精度，精度是一种度量在所选定的分辨率围，确定任一脉冲相对另一 脉冲位置的能力。（3）

25、输出信号的稳定性， 编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下， 保持规定精度的能力。 影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件 造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。4）响应频率，编码器输出的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度（5）信号输出形式，推挽式输出方式由上下两个 NPN型的三极管组成，当 其中一个三极管导通时， 另外一个三极管则关断。 电流通过输出侧的两个晶体管 向两个方向 流入，并始终输出电流。因此它阻抗低，而且不太受噪声和变形波的影响，主要 应用领域有自动化设备、切割机械、印刷机械、包装机械和针织机械等。下表 3-1 是 EPC-755A

26、型光电编码器的主要参数 。表 3-1 EPC-755A 型光电编码器的主要参数主要参数 参数说明输入电压070和 085时为 4.75 28.0VDC0 100时为 4.75 24.0VDC输入电流 最大无负载电流为 100mA输入波动在 0 100KHz时，峰峰之间为 100mV输出波形增量式，正交输出，当转轴顺时针旋转时， A 通道的方波领先 B通道输出电路推挽输出每通道最大驱动电流 20mA，基准脉冲 每转一周输出 600 个脉冲。频率响应标准 10KHz，可选高达 1MHz。抗干扰性 经 IEC 801-3 测试，符合欧洲标准。分辨率 1-10000PPR2001999 PPR：0.0

27、17 o （1.0 弧度分）之（机械角度）精度20003000 PPR：0.01 o （0.6 弧度分）之（机械角度）3000 PPR以上另附加插值误差 0.005 o （机械角度）光电式旋转编码器是转速或转角的检测元件， 它是通过电转换将输出轴上的 机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器， 是目前应用最多的传感器。 光电 编码器是由光栅盘和光电检测装置组成的。旋转编码器分为绝对式和增量式两 种，绝对式编码器在码盘上分层刻上表示角度的二进制数码或循环码 （格雷码）， 通过接收器将该数码送入计算机。 绝对式编码器常用于检测转角， 若需得到转速， 必须对转角进行微分处理。增量式编码器在码盘上均匀

28、地刻制一定数量的光栅。 光电编码器的光栅盘与电动机同轴，电动机转动时，光栅盘与电动机同速旋转，经过发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号， 其原理如图 所示。通过计算每秒钟光电编码器输出脉冲的个数就能得到当前电动机的转速， 此外为判断旋转方向，光栅还可以提供相位差 90的双向脉冲正交信号。增量式光电编码器输出两路相位相差 90的脉冲信号 A 和 B，当电动机正转 时，脉冲信号 A 的相位超前脉冲信号 B的相位 90，经逻辑电路处理后形成高 电平方向信号；当电动机反转时，脉冲信号 A 的相位滞后于脉冲信号 B 的相位 90，经逻辑电路处理后的方向信号为低电平。 因此根据超前和滞后

29、的关系可以 确定电动机的转向，转向判别的原理如图 3-1 所示。a）正转b）反转图 3-2 区分旋转方向的 A、 B 两组脉冲序列即编码器的3.1.3 光电编码器脉冲数计算为方便计算，采用 1:1 的同步带将测量辊的转动传动给编码器， 转数与测量辊的转数相同。 通过测量编码器的脉冲数即可测量钢板的长度， 在剪 切定长钢板时，通过以下公式即可计算出定长钢板所对应的编码器脉冲数：Ln=2RN 600n 600L2R式中 n 校平机辊子（编码器）旋转的转数；钢板长度； 测量辊子半径； 长度为 L 的钢板对应的光电编码器脉冲数。3.2 PLC 简介及控制原理3.2.1 PLC 定义PLC可编程序控制器

30、： PLC英文全称 Programmable Logic Controller , 中文全称为可编程逻辑控制器，定义是 : 一种数字运算操作的电子系统，专 为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其部存储程 序，执行逻辑运算 , 顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令， 并通过数字或模拟式输入 / 输出控制各种类型的机械或生产过程。3.2.2 PLC 的构成从结构上分， PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC包括 CPU板、 I/O 板、显示面板、存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸 的整体。模块式 PLC包括 CPU模块、 I/O 模块、存、电源模

31、块、 底板或机架， 这些模块可以按照一定规则组合配置。3.2.3 CPU 的构成CPU是 PLC的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC至少有一个 CPU，它 按 PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采 集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断 电源和 PLC部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从 用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的 控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制 及状态总线构成， CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

32、存主要 用于存储程序及数据，是 PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析 CPU的部电路，但对各部分的工作机制 还是应有足够的理解。 CPU的控制器控制 CPU工作，由它读取指令、解释指 令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运 算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也 是在控制器指挥下工作。CPU速度和存容量是 PLC的重要参数，它们决定着 PLC的工作速度， IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。3.2.4 I/O 模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（ I/O ）完成的。 I/O 模块 集成了 PLC的 I

33、/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出 锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC系统，输出模块相 反。 I/O 分为开关量输入（ DI），开关量输出（ DO），模拟量输入（ AI）， 模拟量输出（ AO）等模块。开关量是指只有开和关（或 1 和 0）两种状态的信号，模拟量是指连续 变化的量。常用的 I/O 分类如下：开关量：按电压水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分有 继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（ 4-20mA,0-20mA）、电压型（ 0-10V,0-5V,-10-10V ）等，按精度分，有 12bit,

34、14bit,16bit 等。除了上述通用 I/O 外，还有特殊 I/O 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等 模块。按 I/O 点数确定模块规格及数量， I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。3.2.5 电源模块PLC电源用于为 PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为 输入电路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（ 220VAC或 110VAC），直流电源（常用的为 24VAC）。3.2.6 PLC 特点1. 使用灵活、通用性强 PLC的硬件是标准化的，加之 PLC的产品已系列 化，功能模块品种多，可以灵活组成各种

35、不同大小和不同功能的控制系统。在 PLC构成的控制系统中，只需在 PLC的端子上接入相应的输入输出信号线。当需要变更控制系统的功能时， 可以用编程器在线或离线修改程序， 同一个 PLC装置 用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。2. 可靠性高、抗干扰能力强微机功能强大但抗干扰能力差， 工业现场的 电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能导致一般通用微机不能正常工作； 传统的继电器接触器控制系统抗干扰能力强， 但由于存在大量 的机械触点（易磨损、烧蚀）而寿命短，系统可靠性差。 PLC采用微电子技术， 大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成， 大部分继电器和繁杂连

36、线被软 件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高，从实际使用情况来看，PLC控制系统的平均无故障时间一般可达 45 万小时。 PLC采取了一系列硬件和软件抗干 扰措施，能适应有各种强烈干扰的工业现场，并具有故障自诊断能力。如一般 PLC能抗 1000V、1ms脉冲的干扰，其工作环境温度为 060，无需强迫风冷。3. 接口简单、维护方便 PLC的接口按工业控制的要求设计，有较强的带 负载能力（输入输出可直接与交流 220V，直流 24V等强电相连），接口电路一 般亦为模块式， 便于维修更换。 有的 PLC甚至可以带电插拔输入输出模块， 可不 脱机停电而直接更换故障模块，大大缩短了故障修复时间。4.

37、 体积小、功耗小、性价比高以小型 PLC为例，它具有 128个I/O 接口， 可相当于 400800 个继电器组成的系统的控制功能，不带接口的空载功耗为 1.2W，其成本仅相当于同功能继电器系统的 1020。PLC的输入输出系统能够 直观地反应现场信号的变化状态， 还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行 状态，如部工作状态、通讯状态、 I/O 点状态、异常状态和电源状态等，对此均 有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。5. 编程简单、容易掌握 PLC是面向用户的设备， PLC的设计者充分考虑 了现场工程技术人员的技能和习惯。 大多数 PLC的编程均提供了常用的梯形图方 式和面

38、向工业控制的简单指令方式。编程语言形象直观，指令少、语法简便，不 需要专门的计算机知识和语言， 具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间 掌握。利用专用的编程器，可方便地查看、编辑、修改用户程序。6. 设计、施工、调试周期短用继电器接触器控制完成一项控制工程， 必须首先按工艺要求画出电气原理图， 然后画出继电器屏 （柜）的布置和接线图 等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用 PLC控制，由于其靠软件实 现控制，硬件线路非常简洁，并为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性 能、容量（输入输出点数、存大小）等选用组装，而大量具体的程序编制工作也 可在 PLC到货前进行， 因而缩短了设计

39、周期， 使设计和施工可同时进行。 由于用 软件编程取代了硬接线实现控制功能， 大大减轻了繁重的安装接线工作， 缩短了 施工周期。 PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言， 且都具有强制和仿真的功能， 故程序的设计、 修改和调试都很方便， 这样可大大 缩短设计和投运周期。3.3 PLC 选型3.3.1 PLC 的型号选择对 PLC型号选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、 维护方便的前提 下，力争最佳的性能价格比，选择时应考虑以下几点。（1）PLC的硬件功能一些系统对 PLC的功能有特殊要求 ,如通信、网络、 PID闭环控制,响应速度 快, 高速计数和运动控制。模块化

40、PLC应该考虑是否有相应的特殊功能模块。对 模拟输入 /输出系统， PLC需要考虑最大的模拟 I / O是否可以满足要求 , 模块 的分辨率和转换时间，以及平均每点的价格。本系统不需要跨围使用PLC，对某些功能或信号也没有特殊的速度要求，不需要选用具有高速 I/O 功能的 PLC。（2 ）PLC指令系统的功能 对于小型单台仅需要开关量控制的设备，一般的小型 PLC便可以满足要求。 如果系统要求 PLC完成某些特殊的功能， 应考虑 PLC指令系统是否有相应的指令 来支持。此系统只需用开关量控制，选用一般小型 PLC即可。（3）PLC物理结构的选择PLC按结构分类，可分为整体式、组合式、叠装式和板

41、式 4 类。整体式结构 的 PLC把电源、 CPU、存储器、 I/O 系统都集成在一个单元。整体式结构的特点 是非常紧凑、体积小、成本低、安装方便，其缺点是输入与输出点数有限定的比 例。小型机多为整体式结构。 考虑此系统控制比较简单， 应用于小批量的生产线 故此选择整体式 PLC的结构形式较为合适。（4）确定输入 / 输出（ I/O ）点数并以此选择 PLC类型综合对比三菱 FX 系列（包括 FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子 系列、 OMRO系N列中的 PLC,本系统可选择 PLC型号为： FX2N32MR，合计总数 32点 16点输入， 16点继电器输出；其性能、

42、价格都优于其他 PLC。PLC的型号选好后，根据 I/O 表和可以供选择的 I/O 模块的类型，确定 I/O 模块的型号和块数。选择 I/O 模块时， I/O 点数一般应留有一定的余量，以备今 后系统改进或者扩充时使用。3.3.2 I/O 模块的选型（1）开关量输入模块的选择开关量输入模块的输入电压为 AC220VD C24V。直流输入电路延迟时间较短 , 可以直接和接近开关、 光电开关和其他电子输入设备连接。 交流输入模式适合于 在有油雾、灰尘的条件下使用 , 在这些条件下交流输入触点的接触较为可靠。（2）开关量输出模块的选择开关输出模块是低电压转换为驱动在 PLC外部开关信号输出装置 ,实

43、现 PLC 信号部和外部电气隔离。在选择时应该考虑以下几个方面 :继电器型输出模块的工作电压围广， 触点的导通压降小， 承受瞬时过电压和 瞬时过电流的能力较强，但是速度动作较慢，触点寿命（动作次数）有一定的限 制。如果系统的输出信号变化不是很频繁，优先选用继电器型的。（3）输出方式开关输出模块有继电器输出 , 晶闸管输出和晶体管输出三种方式。继电器输出是便宜的 ,可以用来驱动交流负载 ,可用于直流负载 , 传导电压降 小,同时有更好的能力去承受暂态过电压和过电流 ,它属于接触单元 , 缓慢的速度 （ 驱动电感负载 , 接触行动频率必须小于 1 hz）, 短寿命和可靠性较差 , 只适合于频 繁的

44、开启和关闭。对于经常打开和关闭负载 , 应选择晶闸管输出或输出晶体管 , 他们属于非接 触式组件。但晶闸管输出只能用于交流负载 , 和晶体管输出只能用于直流负载。 本系统为中小型生产线自动控制系统， 需要考虑价格相对要便宜， 而本系统对动 作速度要求不高，所以选择继电器输出作为输出方式。工艺流程的特点和应用要 PLC选型的主要依据。控制系统中需要 12 个输入 端口， 6 个输出端口。为了保证输出端的 COM端不会交叉连接，所以选择了 32 点的 I/O 点数的 PLC，其输出要驱动电磁线圈，属于是既有交流负载，又有直流 负载，所以应选择继电器输出方式。 经综合考虑， 选择日本三菱公司的 PL

45、C进行 控制， FX2N系列 PLC的基本单元见表 3-1。本设计选用的 PLC型号为 FX2N-32MR。FX2N-32MR速度块功能强，它的基本 指令执行时间高达 0.08us, 置的用户存储器为 8K 步。 I/O 点最多可扩展到 32 个，并提供多种特殊功能模块或功能扩展板， 可实现多轴定位控制， 机有实时钟。 每个 FX2N的基本单元可扩展 8 个特殊单元。通过通信扩展板或特殊适配器可实 现多种通信和数据， 如 CC-Link ，AS-IPROFIBUS，Devieenet 等开放式网络通信， RS-232C，RS-422C和 RS-485通信，并行，计算机和 I/O 4 。表 3-

46、1 FX2N系列 PLC 的基本单元型 号 输入点数 输出点数 扩展模 继电器输出 晶体管输出 晶闸管输 块可FX2N-16MRFX2N-16MTFX2N-16MS88FX2N-32MRFX2N-32MTFX2N-32MS1616FX2N-48MRFX2N-48MTFX2N-48MS2424FX2N-64MRFX2N-64MTFX2N-64MS3232FX2N-80MRFX2N-80MTFX2N-80MS4040FX2N-128MRFX2N-128MT6464第 4 章 电气原理及软件设计4.1 电气原理设计图 4-1 所示为电路电气控制原理图，其中， M1为驱动校平机的异步电动机， 只需正转

47、； M2为驱动剪切机的异步电动机， 需要正转 反转；M3为驱动堆垛机输 送带的异步电机，只需正转 ; KM1控制校平机电机 M1，KM2和 KM6分别控制剪切 机电机的正反转， YB1和 YB2分别是开卷机料架和校平机电磁抱闸制动用的电磁 线圈。4-1 电气原理图设计4.2 系统控制方案钢板剪切生产线的控制系统硬件体系结构如图 4-2 所示，控制器采用三菱 的可编程控制器 FX2N-32MR， 其高速计数端子 X1 可用于接收光电编码器的高速 脉冲，以测量钢板长度，其开关量输入端子用于接收按钮等信号。图 4-2 钢板定长剪切生产线控制系统硬件体系结4.3 PLC I/O 分配PLC I/O 分

48、配如表 4-1 所示表 4-1 I/O 分配表名称代号输入点名称代号输出点热继电器FR1FR8X0校平电机接触器KM1Y0光电编码器光电编码器X1剪切电机正转接触器KM2Y1启动按钮SB1X2输送电机接触器KM3Y2剪切机启动SB2X3开卷制动接触器KM4Y3校平机停止SB3X4校平制动接触器KM5Y4剪切机停止SB4X5剪切电机反转接触器KM6Y5输送机停止SB5X6开卷机制动停止SB6X7校平机制动停止SB7X10系统停止SB8X11剪切机下限位开关SQ1X12剪切机上限位开关SQ2X134.4 PLC 硬件接线根据 PLC I/O 分配表，设计了 PLC控制系统接线图，如图 4-3 所示

49、。图中， PLC由单相 220VAC供电；输入电路由开关电源 24VDC供电， X001端子接光电编 码器的脉冲输出端， 急停按钮采用常闭触点， 其它按钮采用常开触点； 输出电路 中，控制接触器线圈的采用单相 220VAC供电。图 4-3 系统硬件接线图4.5 程序设计生产线在自动控制模式下可实现连续工作， 无需人工干预， 钢板剪切长度在 程序中设定， 校平机的启动由启动开关控制， 剪切机由上下两个限位开关控制行 程，系统在运行时输送带一直工作。图 4-4 为自动控制模式程序流程图。图 4-4 自动控制模式程序流程图系统工作流程：按下启动按钮 SB1，系统启动，校平机、输送机同时工作； 当钢板

50、长度达到预设值时， 开卷机进行电磁制动， 校平机断电并且电磁制动， 同 时剪切机构开始工作， 当剪切机构移动到下限位开关 SQ1时，剪切电机开始反转，剪切机构上升， 当剪切机构上升至上限位开关 SQ2时，剪切机构停止运动； 从而 完成一次钢板定长剪切工作。 在触碰 SQ2同时，开卷机、校平机的电磁制动断电，校平机开始工作，从而使整个系统循环工作。根据钢板定长剪切系统的要求设计出梯形图，梯形图如图 3-4 所示。图 4-5 系统硬件接线图总结在老师的指导下进行了为期三个月的毕业设计，设计开始时， 就要求 我们可以通过这次毕业设计巩固我们的基础和专业知识， 提高我们分析、 设计和 开发工程的能力。

51、通过这次设计，了解了钢板定长剪切行业概况，熟悉了 PLC 在工业控制系统中的开发和应用。在大学所学知识的基础上，我们尝试了基于 PLC的钢板定长剪切控制系统的设计， 提高了使用已知知识和获取相关资料的能 力，进一步培养了我们踏实、勤奋、严谨的工作态度。本设计基本达到了预定目的，将 FX2N系列 PLC应用到钢板定长剪切控制系 统中，通过合理的设备选型、参数设置和软件设计，改善传统剪切机的性能，还 通过高速计数器和光电编码器的结合提高了定长切割精度， 提高了生产速率， 节 省电能，降低故障。但本次设计中还存在诸多不足，还有待完善。毕业设计所要求知识的综合性较高， 各方面都要用到一点， 但是我的知

52、识是 不能达到这样的水平， 在设计的过程中遇到了很多困难， 但我们在困难面前并没 有低头认输， 而是通过各种方法来解决。 方法之一就是我们在平时里没有注意到 的自学能力。通过这次设计， 培养了自己的自学能力， 为以后的继续学习也奠定 了一定的基础。 当然一个好的毕业设计并不是一个人所能完成的， 它需要一个团 体，而这个团体也需要有一种敢于向一切困难挑战的精神。通过对本例的设计使我们认识到 PLC在工业生产中的重要作用。在本例中， 使我们学习到了如何对系统进行设计， 以及在元件选择方面的许多知识。 在对系 统进行设计时， 必须首先了解该系统的功能和任务， 在搞清楚这点以后才能对整 个系统的设计方

53、案有一个初步的认识， 然后才能根据系统的需要来进行元件的选 取和系统的模块化细分。近年来随着电子技术和计算机技术应用领域不断扩大， PLC技术已成为电子 技术领域中的一个新的亮点， 使 PLC技术成为一门综合应用技术， 也是电子技术 发展也革新的一个潮流。随着我们对 PLC控制系统的认识的不断加深， 相信在以后的工作和生产中我 们会更加深入透彻的利用 PLC来解决一些更加实际的问题四年的大学， 匆匆而过，毕业设计是我们四年所学的一个体现， 经历半年的 努力，此次毕业设计即将结束。在设计的过程中，慢慢的学习，逐渐的巩固大学 所学的知识，期间有艰苦，有辛酸，也有欣喜，有快乐。通过这次毕业设计， 我

54、们把以前所学都综合起来， 感觉自己的水平提高很多。 我们了解到了做一个系统的基本常识，为我们以后从事技术工作打下良好的基 础。本设计的顺利完成 , 首先要感我的指导老师 。在论文的写作过程中， 老师们给了我许许多多的帮助。 在评阅中， 两位老师还指出了我设计中的许多不 足，使我的设计更加完善合理， 使我不仅学到了扎实的专业知识， 也学到了很多 待人处事道理。 老师们严谨的治学态度、 缜密的思维方式、 踏实的工作作风和对 事业的执着，以及对我的谆谆教诲都给我留下了深刻的印象，并使我终身受益。 谨此对两位老师表示衷心的感和崇高的敬意。同时也感许多同学对我的支持和鼓励，感你们在学习和生活上给我的帮助

55、， 和我一起解决各种各样的困难。 此外， 我还要感我的父母， 他们一直以来对我的 学业的支持和帮助。 最后，祝所有关心、帮助和支持我的人们身体健康、工作 顺利！参考文献1 郭爱芳，王恒迪.传感器原理及应用 M. ：电子科技大学， 2007.281 290.2 有根,危韧勇.可编程序控制器概述 J. 大众用电杂志 ,2003.1.3 殷洪义，吴建华 .PLC原理与实践. ：清华大学， 2008.104 兵,斌,施永辉.基于PLC的机械手混合驱动控制 J. 液压与气动 , 2005,(3):37-39.5 伯时 . 电力拖动自动控制系统 M. ：机械工业， 2003： 117-209.6 侯崇开 . 光电编码器在剪切钢板长度测量中的应用 A. 传感器技术， 2005，24(7) ：76-77.7 万忠，周渊深 . 可编程控制器应用技术 M. ：化学工业， 2001.48 王洪猛.基于PLC 的过程控制系统设计与实现 J .自动化技术与应用 , 2004,23(7):25-27.9 Dierks, Henning. PLC - automata: a new class of imple-mentable realtime automataJ.TheoreticalComputer Sci-ence, 2001, 253(2)