毕业设计（论文）-激光清洗机控制系统设计

PAGE\*ROMANPAGE\*ROMAN印花镍网激光清洗机控制系统设计印花镍网激光清洗机控制系统设计

摘 要圆网（镍网）印花是当前纺织行业主要的印花方式，每年消耗量巨大，而中国镍矿资源贫乏，因此设计出绿色，高效的镍网清洗机对提高企业竞争力具有重大意义。印花镍网激光清洗机的设计分为机械结构和控制系统的设计，阐述了其控制系统的设计。首先，分析了要控制对象，PLC控制系统要实现的功能，以及对普通的工人来说其操作PLCS7-1200TIAPortalV14S7-PLCSIMV14WINCCV14总而言之是在SIMATICS7-1200编程环境下对印花镍网激光清洗机的控制系统进行硬件设计、软件编程和触摸屏组态。关键词:激光清洗机；PLC控制系统；SIMATICS7-1200；伺服控制器；变频器ABSTRACTCircularscreen(nickelscreen)printingisthemainprintingmethodinthecurrenttextileindustry,theannualconsumptionishuge,andChina'snickelresourcesarepoor,sothedesignofagreen,efficientnickelscreencleaningmachineisofgreatsignificancetoimproveindustry,theannualconsumptionishuge,andChina'snickelresourcesarepoor,sothedesignofagreen,efficientnickelscreencleaningmachineisofgreatsignificancetoimprovethecompetitivenessofenterprises.Thedesignofprintingnickelscreenlasercleanerisdividedintomechanicalstructureandcontrolsystem.Firstofall,itanalyzestheobjecttobecontrolled,thefunctionofPLCcontrolsystemtoberealized,andtheoperationprocessforordinaryworkers.Secondly,thedesignofthelasernickelscreencleaningmachinehardwaresystem,includingPLCcontrolsystem,servocontroller,inverter,proximityswitch,touchscreen,intermediaterelayandotherhardwareselection.Finally,SIMATICrealized,andtheoperationprocessforordinaryworkers.Secondly,thedesignofthelasernickelscreencleaningmachinehardwaresystem,includingPLCcontrolsystem,servocontroller,inverter,proximityswitch,touchscreen,intermediaterelayandotherhardwareselection.Finally,SIMATICS7-1200anditsprogrammingsoftwareTIAPortalV14itssimulationsoftwareS7PLCSIMV14、WINCCV14,onthebasisofthefrequencyconverter,servocontroller,lasertube,pump,waterandsoonwiththemethodofladderdiagramforthecorrespondingprogrammingcontroldesign,theprogramincludesinitializationmodule,manualcontrolmodule,theautomaticcontrolmodule,WINCCV14,onthebasisofthefrequencyconverter,servocontroller,lasertube,pump,waterandsoonwiththemethodofladderdiagramforthecorrespondingprogrammingcontroldesign,theprogramincludesinitializationmodule,manualcontrolmodule,theautomaticcontrolmodule,scrammodule,invertercontrolmodule,servocontrollermodule,theoriginregressionmodule,modules,Andwiththefriendlyhuman-machineinterfacetogetherconstitutetheentiresoftwarecontrolsystem.Inaword,hardwaredesign,softwareprogrammingandtouchscreenconfigurationofthecontrolsystemoflasercleaningmachinearecarriedoutinSIMATICS7-1200programmingcontrolsystemoflasercleaningmachinearecarriedoutinSIMATICS7-1200programmingenvironmentKeywords:Lasercleaner,PLCcontrolsystem,SIMATICS7-1200,Servocontroller,FrequencytransformerPAGE\*ROMANPAGE\*ROMAN目 录摘 要 IABSTRACT II第一章绪 论 1研究背景与价值 1激光清洗技术国内外研究现状 1本课题主要研究内容 3第二章印花镍网激光清洗机控制系统分析 4清洗机机械结构介绍 4清洗机运动分析 4自动控制下动作 5手动控制下动作 5设备操作步骤 6本章小结 6第三章印花镍网激光清洗机控制系统的硬件设计 7系统硬件结构设计 7硬件的选型 8触摸屏的选型 8PLC的选型 9电机及其控制器的选型 10接近开关与原点开关的选型 PLCI/O地址分配 12本章小结 13第四章印花镍网激光清洗机控制系统的软件设计 14PLC编程环境 14S7-1200PLC的通信方式 15S7-1200PLC通信的建立 15PLC程序设计 15PAGE\*ROMANPAGE\*ROMAN组态梯形图控制轴 16梯形图编程 17梯形图程序调试 22人机界面组态 24人机界面概述 24组态人机界面 24人机界面仿真测试 24本章小结 26第五章总结 275.1总结 275.2展望 27参考文献 29致谢 31PAGEPAGE第一章绪 论研究背景与价值2060S7PLC的自控系统应用非常的广泛[4]PLCS3（1975年投放市场），它只可实现简单操作的二进制控制器]SMCS（1979年投放市场）取代。S580年代初又进一步升级拓展为U系列。1996年随着WINDOWSWINDOWSS7S3S5PLCS7S7-200、S7-300S7-1200S7-400则由S7-1500取代。PLC控制系统从大环境而言符合时代发展趋势。从实际生产而激光清洗技术国内外研究现状国外的激光清洗技术发展较早，已在表面微粒清除、脱漆、微电子器件清洗、除锈、1.1所示。表1.1国外典型激光清洗设备[6]序号机构名称相关研究内容相关研究成果成果应用情况1德国准连续半导体激光清洗拥有20W～1000W的各类激光占据我国激光清洗Cleanlaser装备清洗设备,使用光纤传输,其中,1设备70%以上份000W功率产品,清洗精度0.2额,广泛用于各类mm、圆形光斑金属表面污物的清洗2比利时P-laser准连续固体激光清洗设备典型设备:1000W精度0.2mm、圆形光斑以激光高温烧蚀清洗火车车窗,提升乘客手机信号强度3美国Nd:YAG激光器和准分拥有20W～1000W的中低高各为空军提供多套飞Associatoo子激光器类激光清洗设备机表面除漆激光清洗设备国内激光清洗技术的研究起步较晚，1985年《应用激光》发表了第一篇关于激光清洗的论文，804002005年前基本是一些跟踪国外的综述论文，2011年后实验类学术论文逐渐增多，但研究大多集中在激光1.2所示。表1.2国内激光清洗设备研究结果[6]序机构名称 相关研究内容 相关研究成果 成果应用情况号武汉翔明激光科技

手持和自动化激光清洗、定制型激光清洗设备

中小功率(500W以下) ACG/ACK/HCT/HCK 系列攻克大尺度零件选区激光清沈阳自动化研所 激光清洗机器人

技术研发和工艺测试阶段洗技术难题3机械产品再制造国家工程研究中心500W便携式脉冲完成典型污物层清洗工艺优化实验,在飞机蒙皮漆层、尾喷管积碳清洗的应用性试验定型产品,推广应用阶段4北京半导体研究所激光器功率1000W技术研发阶段5深圳铭镭清洗成套设备功率500W,光纤传输研发/测试阶段本课题主要研究内容S7-1200TIAPortalV14S7-PLCSIMV14、CCV14，设计了伺服电机启停、正反转HMICCV14设计了对印花镍网激光清洗机的操作控制。第二章印花镍网激光清洗机机械结构介绍印花镍网激光清洗机整体结构2.113、用于加持镍网的加5274。1352装平固定于机身3上方，清洗机构7通过导轨安装在机身1上方。侧视图如图2.2所示。图2.1 激光清洗机机整体体结构图图2.2激光清洗机侧视透视图运动控制分析总体而言，印花镍网激光清洗机实现的运动为：旋转镍网和轴向往复移动载有激光聚2.22.1.1自动控制下选择自动控制模式，操作人员按下启动按钮，镍网开始旋转，然后激光管开始出光，2S后，原点复位。完成清洗。操作人员可更换镍网，再次按下启动按钮进入下一次的清洗。2.3。手动控制下

图2.3清洗机工作流程图当清洗出现异常情况时，如某一段清洗不彻底。则操作人员发现后，选择手动模式，按下（需保持动作）手动向前/向后按钮，直至载有激光聚焦头的清洗平台移动到这一段起始位置后，按下（按一下即可）单出光按钮，再按住手动向前/向后按钮直至机器到达结束位置后松开并按下停止出光按钮（或者在到达起始位置后选择自动清洗，到达结束位置后按下急停按钮），最后再按下复位按钮复位清洗平台则可开始下一次的清洗。（持续按下则移动，松手则停止）以便于处理异常情况。设备操作步骤正常情况下：按下启动开关按钮。选择手动模式——按住手动前进/后退按钮——选择自动模式——（2）2.3本章小结第三章印花镍网激光清洗机控制系统的硬件设计系统硬件结构设计作下位机执行触摸屏或硬件按钮3.1所示，控制系统主要包括触摸屏、硬件按钮、伺服控制器、变频器、伺服电机、PLC3.2。图3.1激光清洗机系统硬件结构图图3.2实物布局图硬件的选型触摸屏的选型SIEMENSKTP700Basic3.23.1。触摸屏正面图 （b）触摸屏背面图图3.2触摸屏3.1触摸屏参数产品类型标志 HMIKTP700Basic订货号 6AV2123-2GA03-0AX0输入电压 DC24±20%V额定功率 5.5W中央处理器 ARM用户可用内存 10M功能按键数量 8(可编程）画面数 100变量 800USB接口数量 1；最高至16GB以太网接口数 1量续表3.1产品类型标志 HMIKTP700Basic可用组态软件 WinCCBasicV13或更高版本操作系统 专有运输/存储温度 -20℃~60℃相对空气湿度 90%；无凝结前面板尺寸 214X158（mm）分辨率 800×480PLC的选型PLC的选型应考虑以下内容：(D/A转换模块)的分辨率和转换时间是否满足使用需求[10]；I/O接口数量，输入、输出电路类型是否满足使用需求；PC之间的通信连接系统的运行速度、可靠程度和使用寿命亦在考虑范围之内[13]。PLCS7-1200S7-1200是一款新兴PLC，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI和网络通信等任务[14]HMICPU1214C/C/C6S72141400X04.2。648I/O拓展的信号模块。可用于编程，HMI以及PLC之间的数据通信。实物图片如图3.3。图3.3CPU实物图PAGEPAGE电机及其控制器的选型YX3-80M2-43.2，实物图3.4。根据要控制的异步电机的额定功率和额定电流，选择功率相同、输出电流略大AR80iL-S3.5PLC和异步电机的接线图如图3.6，对应颜色的线连接起来。伺服电机型号为130STM040253.23.7。伺服控制器要根据伺服电机的型号、PLC和伺服3.9，对应颜色的线连接起来。3.2电机及变频器参数名称型号额定功率额定电流额定转矩额定转速额定电压异步电机YX3-80M2-40.75KW1.9A5.03N.M1425r/min220V变频器AR80iL-S0.75KW3.4A（输入）//220V2.5A（输出）伺服电机130STM040251.0KW4.0A4N.M2500rpm220V伺服驱动器SD300-30////220V图3.4异步电机 图3.5变频器3.6PLC和异步电机的接线图图3.7伺服电机 图3.8伺服驱动器3.9PLC和伺服电机的接线图接近开关与原点开关的选型接近开关根据其内部位移传感器工作原理的不同有许多类型之分，有无源式、涡流式、OMRON(欧姆龙)E2E-X1R5E1-Z涡流式接近开关两只，24VDCNPN3.11。原点开关的类型是光电开M12E3F1-DS5C4三NPNDC24V3.12PLC3.13。图3.11接近开关 图3.12原点开关3.13PLC连线图PLCI/O地址分配3.1所示。表3.3PLCI/O地址分配表地址 说明I0.0 下限位接近开关I0.1 上限位接近开关I0.2 原点开关I0.3 手动/自动切换开关I0.4 手动前进开关I0.5 手动后退开关I0.6 自动清洗启动开关I0.7 激光停止出光开关I1.0 手动一次复位开关I1.1 改变异步电机频率开关I1.2 手动单出激光开关（包括其辅助系统）I1.3 急停开关Q0.0 给高速脉冲，控制伺服电机转速Q0.1 激光管Q0.2 抽风机Q0.3 水冷装置Q0.4 急停灯Q0.5 终点灯Q0.6 低速脉冲，给伺服电机旋转方向本章小结PLC第四章印花镍网激光清洗机控制系统的软件设计S7-1200和其编程软件TIAPortalV14,S7-PLCSIMV14为基础，对印花镍网激光清洗机进行软件部分的设计。PLC编程环境TIAPortalV14是德国SIEMENS(西门子)公司为S7-1200量身打造的一款编程64Windows75.1所5.25.3所示。 图4.1TIAPortalV14操作界面 图4.2TIAPortalV14设备和网络组态界面图4.3TIAPortalV14编程界面S7-1200PLC的通信方式SIMATICS7-1200PLC的通信方式有：PROFINET通信；PROFIBUSDP主站通信；PROFIBUSDP从站通信；（4）点对点（PtP）通信；USS通信；Modbus通信。PLCS7-1200Modbus指令通信S7-1200可以作为ModbusModbusCM1241RS485CB1241RS485指令可以用来与多个设备进行通信[20]。5.3SIMATICS7-1200PLC通信的建立PLCPLC连接即可。PLCPCPCPLCPC机的以太网口连接起来，并在下载时搜索硬件接口即可建立通信。PLC程序设计4.4PLC程序设计的流程图。本节将主要以模块的方式对印花镍网激光清洗4.5所示。接下来将作具体阐述。 图4.4PLC程序设计流程图 图4.5PLC程序模块组态运动控制轴PLC系统对伺服控制器及其电机的控制实际上是通过组态运动控制轴来实现的。步骤如下：（1）选择工艺对象，选择新增对象，选择运动控制，选择轴。（2）给轴命名，选择PTO控制方式，选择测量单位为“mm”。（3）PULSE1脉冲+Q0.0给高速脉冲，Q0.6给方向。（4）根据实际情况输入电机每转脉冲数、每转负载位移、输入硬上、下限位开关。（5）按照设计需求设定起始速度、稳定运行速度、加减速时间、和急停时间。（6）选择主动回原点方式，设定爬坡速度、选择回原点方向为负方向、参考点开关下侧。按上述步骤完成对运动轴的控制，变频器的通信方式选择的使Modbus通信，所以只用在编程时组态如图4.6所示的相应模块。4.6通信组态梯形图编程1）上电初始化4.7M1.0为特殊功能寄存器，上电后只在第一个扫描周期工作一次，它将做以下工作：（1）M2.0100（起到上电初始化的作用；M2.0之前的为系统设定的特殊功能寄存器，不需要复位）。（2）将辅助继电器M2.0置位（为选择手动还是自动模式做准备）。（3）选择Modbus的工作模式（4为半双工二线制模式），为控制变频器做准备。2）自动就绪

4.7上电初始化 图4.8选择自动模式 图4.9自动就绪上电初始化后，辅助继电器M2.0被置位，在自动清洗模式下（高电平）自动就绪，按下I0.6自动清洗按钮，将做以下工作：（1）复位辅助继电器M2.1为下个扫描周期做准备；（2）置位辅助继电器M3.3进入自动清洗状态。3）自动清洗M3.35.105.11（1）P-TRIG模块捕捉到一个上升沿，将“1MB10，使右图中的模块选择正传运行模式（16#3001，400001+3X16^3+1）以达到正传启动异步电机的目的，此时镍网开始旋转。（2）复位辅助继电器M3.3为下一个扫描周期做准备。（3）置位辅助继电器M3.3以在后面启动伺服电机。图4.10异步电机启动程序 图4.11变频器模块M3.05.125.13所示，P-TRIG捕捉到M5.3以启动载有激光聚焦头的清洗平台开始定位移动。同时激光器、吹风、抽气机、水冷、启动。 图4.12伺服电机启动程序 图4.13绝对定位模块4）终点自动停止DONEM8.1,4.13M5.3被复位，载有激光聚焦头的清洗平台停止移动。Q0.1~Q0.3被区域置位,M3.0为下一个M3.4促使下一个程序段行使功能。载有激光聚焦头的M3.45写入变频器（5为减速停止模式，412290为转换后的变频器启停地址）使镍网停止旋转，置位辅助继电M3.1以启动下一程序段功能。4.14终点处自动停止程序PAGEPAGE5）载有激光聚焦头的清洗平台暂停2S后复位4.15M3.1（电机正反转之间必须间隔一定时间M3.1M3.2以启动自动复位程序段功能。图4.15自动暂停程序4.16所示，P-TRIG捕捉一个上升M5.05.17所示，将启动原点回归模块，载有激光聚焦头的清M8.0M5.0M3.2M2.15自动就绪状态。以迎接下一次的清洗。 6）急停

图4.16自动复位程序 图4.17原点回归模块工业生产中有时会遇到意外情况，急停程序可停止所有的程序，正常情况下不运行。4.18M2.0100个中间继电器复位，07）手动操作

4.18急停程序（例如要对某个小段再清洗一遍，有东西卷进去了）才用到的。选择手动状态下（I0.3为低电平）I0.4（点动按钮）则辅助继电器M5.14.19模块中的相应功能，使载有激光聚焦头的清洗平台向前移动。图4.19手动操作程序 图4.20手动操作模块8）改变电机速度。对不同规格的镍网需要不同的激光清洗工艺参数，因此在程序设计中设计了调速模4.21（最终频率=IN1XIN2,16#3000412289）。4.21变频器调速梯形图程序调试PLC2部分，应用仿真软件的调试，和下载到机器中调试。由于受到实验条件限制，本次调试只选用了仿真软件S7-PLCSIMV144.220（下载到硬件时需要删去取反指令通过图4.22编译成功（1）按下（保持动作）手动前进按钮仿真图4.23和图4.24为按下手动前进按钮后对应的模块图。图4.23置位手动前进 图4.24手动模块（2）按下手动单出激光按钮仿真，如图4.25（3）自动清洗仿真

图4.25仿真手动单出光34.264.274.28。图4.26变频器模块 图4.27运动控制模块图4.28激光管及其附属系统人机界面概述PLC人机交互，最早主要应用于工业领域。它取代了传统控制台所具备的许多功能，具有丰富的人机交互功能(如：图形显示)。触摸屏使组态人机界面S7-1200TIAPortalV14（1）在设备中选择添加新设备，添加HMI，选择添加SIEMENS精简系列面板的KTP700Basic触摸屏。如图4.29所示。图4.29HMI选型（2）在设备和网络中间CPU和HMI连接起来，如图4.30所示。图4.30HMI与CPU连接图（3）根据需要设定HMI相应组态，如图4.31所示图4.31HMI组态设定（4）设计添加想要的按键、指示灯和文字等。（5）对指示灯和按键设定和梯形图程序的变量连接，如图4.32所示。图4.32HMI按键设置组态好的人机界面如图4.33所示人机界面仿真测试

图4.33触摸屏界面利用其触摸屏仿真软件WinCCV14进行变量仿真测试，部分仿真测试结果如下：（1）对单出光按键的测试选择手动模式下单出光，测试结果如图4.34所示。（2）对自动清洗按键的测试选择自动模式下启动清洗，测试结果如图4.35所示。（3）对急停按钮的测试测试结果如图4.36所示。图4.34手动出光 图4.35自动清洗 图4.36急停4.7本章小结PLC软件的编程环境，通信方式，建立通信，并详细介绍了所设计（触摸屏）进行了设计。完成了印花镍网激光清洗机控制系统的“灵魂”设计。第五章总结与展望总结本文基于SIMATICS7-1200和其编程软件TIAPortalV14,及仿真软件S7-PLCSIMV14、WINCCV14为基础，对变频器、伺服控制器、激光管、抽气机、水冷等采用梯形本论文的主要工作如下：本文对要操控的硬件包括触摸屏、PLC、异步电机、伺服电机、变频器、伺服控制PLC软件的编程环境，通信方式，建立通信，并（触摸屏展望虽然本论文设计的印花镍网激光控制系统可以实现对激光清洗机的自动、手动操作，但在一些方面还可以更进一步：本系统综合考虑实用性和必要性后，所设计的人机界面仅具备控制功能，而没有监视功能，如果后续在实际生产过程中确实产生监视需求的话，期望能有进一步的改进。受疫情影响，印花镍网激光清洗机并没有按时搭建起来，CPU、电机等硬件设备也还没到位。因此本控制系统尽在软件层面进行过仿真调试，没有下载到硬件设备中去，期望后续能下载到硬件中再次调试。参考文献[1]李倩,夏芸,龙爽,许映军.印花镍网生产现状及激光清洗的可行性分析[J].针织工业,2017(02):60-64.[2]杨爱粉,李刚,王亮,张彪,张佳,李龙骧.激光综合应用系统分析[J].应用光学,2016,37(03):476-481.杨国刚.机器人大脑浮点化及其半物理仿真架构研究[D].长安大学,2011.翟红星.S7PLC在自控系统中的应用[J].冶金管理,2020(03):64+66.付强.PLC装置综合控制的应用[J].现代制造技术与装备,2017(03):166-167.王思捷,乔玉林,刘鹏飞,刘照围.面向装备再制造的先进激光清洗技术及其应用[J].材料开发与应用,2019,34(05):77-82.[7]曹三松,王莉,黄燕琳.一种新型固体激光器的设计[J].激光与红外,2015,45(09):1049-1053.刘照围,乔玉林,王思捷.脉冲激光清洗的作用机理及清洗表面性能提升研究[J].清洗世界,2019,35(01):11-14.董勋.PLC的印铁机电动前规控制系统设计[D].南通大学,2018.Boyd,Keiron,Simakov,Nikita,Daniel,etal.NoveltechniquefortheCO2laserfabricationofopticaldeviceswithsub-micrometerablationdepthprecisi