PLC挤出机毕业设计前三四章

PLC挤出机毕业设计前三四章PLC挤出机毕业设计前三四章PLC挤出机毕业设计前三四章第3章收线系统硬件设计3。1PLC选型及扩展通过对不同主流PLC的详细了解和比较发现，西门子公司生产的S7—200系列PLC不仅型号齐全,而且在同类型PLC中价格低廉，可靠性高，性价比优良[12]。因此本收线系统设计采用西门子公司生产的S7—200系列PLC,根据控制系统对输入输出的实际需求,选择了CPU型号为226的PLC。该型号的输入点数24个,输出点数16个,输出形式是直流电源/直流输入/直流输出（晶体管），该型号的S7-200PLC主机模块性能参数如表3。1。虽然所选择的PLC输入输出点数较多,但仍未满足系统的需求，根据系统所需的剩余输入输出点数，选择数字量混合模块EM223进行扩展，不但满足本设计中的输入输出点数的基本要求,而且为日后本控制系统的升级改造保留有一定的系统扩展空间［13].表3.1CPU226S7-200PLC主机模块性能参数电源输入电压20.4-28。8VDC/85—264VAC24VDC传感器电源容量400mA存储器运行模式下编辑程序大小16384B非运行模式下编辑程序大小24576B用户数据（EEPROM)10240BI/O本机输入/输出24DI/16DO数字I/O映像区256(128输入/128输出)模拟I/O映像区64（32输入/32输出)准许最大扩展模块7块准许最大智能模块7块高速计数6个计数器脉冲输出2个20kHZ常规定时器256个:4个1ms;16个10ms；236个100ms计数器256个时间中断2个1ms的分辨率边沿中断4个上升沿和4个下降沿通信功能接口两个RS—485接口PPI，DP/T波特率9。6、19.2、187.5kbit/s主机和扩展模块接线图如图3.1所示。图3.1主机和扩展模块接线图3。2PLC的I/O分配表控制系统的PLC的输入、输出点数的确定是根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定.PLC的输入端口包括自动循环工作按钮、点动按钮、电机启动、总停按钮等，还包括电动机的热保护继电器输入,输入形式是热继电器的常开触点。PLC的输出端口包括运行指示灯、交流接触器、继电器和三通电磁阀等。PLC的I/O分配表如表3。2所示［14]［15]。表3。2I/O分配表输入/输出端口地址电气元件功能说明地址电气元件功能说明I0。1SA2手/自动选择输入I3。1SW31落桶下降到位I0。2KA13火花报警输入I1。0SB1收线启动I0。3SQ1上防护门开I1。1SA5上储线开I0.5ES1急停I1.2SA4下储线开I0.6SW6计米信号I1。4SW14空桶定位I0.7SB2收线停止I1.5SW15生产桶定位I2.0SA3落桶上升I1.6SW16满桶定位I2.1SA3落桶下降I1。7KA7故障复位I2.2SW22进桶后退到位I3.0SW30落桶上升到位I2。4-—震动变频器故障I3.2SA4下储线关I2.5SW25进桶前进到位I3。3SA5上储线关续上表I2。6续上表FR3出桶热保护I3.4KA14线径超差I2.7——收线变频器故障I3.6KA2储线空Q0。OYV12升降台动作Q1。0YV4给桶气缸启动Q0。1YV3下储线动作Q1。1KA11输送电机启动Q0。2YV2上储线动作Q1.2KA12收线高低速Q2.0KA20报警复位Q1。3KA13不停车报警Q0.4DR2照明Q1。4KA14品质报警输出Q0.5KA5收线启动Q1.5KA15单联动Q0.6YV1给桶气缸动作Q1.6KA30收线换桶Q0.7KY7振动电机启动Q1.7KA17紧急报警Q2。1KA21震动速度一Q2。2KA22震动速度二Q2.3KA31参数转换Q2。4KA43收线故障3。3变频驱动控制3。3.1变频调速器1、变频器概述近10年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术已是一种发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段.变频调速以其优异的调速起动、制动性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其他许多优点而初国内外公认为最有发展前途的调速方式。交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术.变频调速是交流调速的基础和主干内容[16］。交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，即要处理巨大电能的转换（整流、逆变）,又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高电压大电流有关的技术问题,后者要解决控制模块的硬、软件开发问题.变频器是把工频电源（50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备,其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电.对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。2、变频器的基本原理交流异步电动机的转速公式见(3。1)，式中f为定子供电频率（Hz)；P为磁极对数；S为转差率；N为电动机转速（r/min）由上述公式可知，只要平滑地调节异步电动机的供电频率f，就可以平滑地调节异步电动机的转速。(3。1)3、变频器的分类按照主电路工作方式分类,可以分为电压型变频器和电流型变频器;按照开关方式分类,可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器;按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等.变频器的优点：（1）平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全。(2）在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度。(3）无级调速，调速精度大大提高.（4）电机正反向无需通过接触器切换。(5）非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制.4、变频器的基本结构变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交—交变频器可将工频交流直接转换成频率、电压均可控制的交流，交-直-交变频器则是先把工频交流通过整流器转换成直流，然后再把直流转换成频率、电压均可控制的交流,其基本构成如表3。3所示.主要由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成.整流器主要是将电网的交流整流成直流；逆变器是通过三相桥式逆变电路将直流转换成任意频率的三相交流;中间环节又叫中间储能环节；由于变频器的负载一般为电动机，属于感性负载，运行中中间直流环节和电动机之间总会有无功功率交换，这种无功功率将由中间环节的储能元件(电容器或电抗器）来缓冲；控制电路主要是完成对逆变器的开关控制,对整流器的电压控制以及完成各种保护功能[17］。3.3。2变频器的选型与驱动电路设计1、收线系统驱动部分的组成收线系统的收线电机采用型号为YD160L—4/8-B3的双速交流异步电动机;采用双振动电机为落桶提供振动源，通过振动电机的震动带动落桶振动使落桶中的线落实，并且有利于落桶上方电线的下落；由于此收线系统提供自动换桶和废线自动排除功能，因此此收线系统中还存在输送装置,输送装置主要由传动电机，气缸和光电定位检测组成。上述的收线电机和振动电机均采用西门子公司的MM440系类的变频器作为变频控制单元.收线系统驱动部分组成框图如图3。3所示。表3.3变频器的基本组成类别作用主要构成器件主回路整流部分将工频交流变成直流，输入无相序要求整流桥逆变部分将直流转换为频率电压均可变的交流电,输出无相序要求IGBT制动部分消耗过多的回馈能量，保持直流母线电压不超过最大值单管IGBT和制动电阻，大功率制动单元外置上电缓冲降低上电冲击电流，上电结束后接触器自动吸合，而后变频器允许运行限流电阻和接触器储能部分保持直流母线电压恒定，降低电压脉动电解电容和均压电阻控制回路键盘对变频器参数进行调试和修改,并实时监控变频器状态MCU（单片机）控制电路交流电机控制算法生成，外部信号接收处理及保护DSP(或两个MCU）结构件散热器将整流桥、逆变器产生的热量散发出去温度传感器检测散热器温度，确保模块工作在允许温度环境下风扇配合散热器，将变频器内部的热量带走，有直流风扇（24V)和交流风扇两种图3。3驱动部分组成框图2、收线系统变频器驱动部分的设计M440变频器可以通过6个数字输入端口对电机进行正反转运行、正反转点动运行和方向控制，可通过基本操作板BOP或高级操作板AOP来设置正反向转速的大小；也可以由数字输入端口控制电动机的正反转方向，与模拟输入端控制电动机转速的大小。MM440变频器同时为用户提供了两对模拟输入端。收线驱动和振动电机驱动原理图如图3.4、图3。5所示。（1）收线驱动原理图图3。4收线驱动原理图(2）震动电机驱动原理图图3。5震动电机驱动原理图3。4主电路设计图依照电气制图规范绘制的，基于PLC的挤出生产线落桶式收线系统设计的电气原理图见附录A［18］.3。5低压电器与检测元件选型低压电器与检测元件选型[19]如表3。4.表3。4低压电器与检测元件选型名称标号型号规格数量变频器MM440（1)XAB825—003271,11KW1变频器MM440(2）XAB031—000648，0。37KW1可编程控制器PLC6ES7216-2AD23-0XB81数字量扩展模块EM2236ES7223-1BH22—0XA81线径测控仪-—-—DDM-30201编码器-———ZSP38061隔离开关QBNSC100B3080，40A1断路器QF1GV2-M14C6-10A1断路器QF2GV2—M04C0。4—0.36A1接触器KM3LC1—D0910M5N,1NO，AC220V1熔断器FU5RT18—32/4A1继电器FR3RXL4A06B2P7,AC220V1断路器QF3GV2—M07C1.6-2.5A1电机M1YD16DL—4/8-B31振动电机M2M3XVM—C/8—22出桶电机M4Y355L3—41转换开关SA2、3、4、5XD2-BD25C4触摸屏HMITP2701按钮ES1XB2-BS545C蘑菇头红色常开1按钮SB1XB2—BA41C平头绿色常开1指示灯AL1AL2XB2—BV3C绿色200VAC2稳压电流板WYABL7RE2403AC200入DC24出3A1位置传感器SW22、25、30、31EM50114定位开关SW14、15、16107004VDC0。2A3电位器RP1WTH118-1A47KΩ1钥匙开关SF——13。6本章小结本章主要从系统的组成结构设计和硬件设计角度，完成了PLC控制系统设计和驱动部分设计以及系统的硬件选型和主电路设计部分。第4章收线系统的测量与检测4.1线径检测4.1。1线径反馈控制外径检测装置的主要作用是对挤出生产线中的电线外径进行检测和跟踪，对于所生产的电线是否合格起着尤为重要的作用，外径检测装置既可以安装在冷却水槽之前，也可以安装在水槽之后.安装在水槽前时，由于外径检测装置距离挤塑机近，反馈控制及时,能获得最佳的控制效果.但此时塑料尚未固化，仪器测量的是线缆的热态外径,通常略大于其实际外径（冷态外径），因此设定的标称值应适当加大。安装在水槽后时，测量值为线缆的实际外径值，比较准确可靠,但控制滞后量大。外径检测装置可方便地实现外径反馈控制功能，即根据实测线径与设定标称值之间的偏差，来控制挤塑机螺杆转速或牵引机的转速，使实际的线径尽可能地接近标称值［20］。在线缆的生产过程中，由于环境条件（如温度、电源电压等）的变化、机械震动（如牵引轮加工误差）和随机因素的影响，都会造成线径的变化.图4。1是用曲线记录仪记录的某电线生产线产品外径变化情况。从图中可以看出，外径的变化可以分解成两个分量[21］［22］：（1）快速波动，其变化周期为零点几到几秒，幅度通常较小。如果快速波动的幅度很大，一般是由于生产线的设计不合理、加工精度不够或生产工艺有问题。（2)慢速漂移,其变化周期为几分钟到几小时，幅度可能较大。图4.1某电线生产线产品外径变化情况外径反馈控制，就是利用在线测量仪器测量产品的外径，计算线径与设定标称值之间的偏差，通过调节器来控制挤塑机螺杆转速或牵引机的转速，使实际的线径尽可能地接近标称值。由于从挤出机或牵引机的转速改变,到产品外径改变并达到稳定，需要一定的时间（约零点几到几秒）。并且从挤出机头出线的外径发生改变，到它运行至测径仪处，也需要一定的时间（根据线速度及测径仪安装位置的不同，约为零点几到几十秒不等）。因此，外径反馈控制系统具有时间滞后特征，其典型值为1～10秒。控制理论告诉我们，反馈控制不能消除或减小变化周期比系统的滞后时间更短的快速波动.因此，外径反馈控制的作用是消除慢速漂移。而快速波动应采用合理地设计生产设备、提高零部件的加工精度、优化生产工艺等方法解决。采用外径反馈控制后的产品外径变化情况如图4。2所示。图4。2采用外径反馈控制后的产品外径变化情况对原来的生产线加上反馈控制，就是将原来的给定信号与调节器的输出相加,形成新的给定信号，来控制挤出机或牵引机的转速。在外径反馈控制系统中，通常采用PI调节器（即比例-积分调节器），其输出由两个部分组成：（1)比例部分：其输出大小与外径的误差成正比，如公式比例部分输出=CP×（设定标称值－实测外径）（4.1)其中的常数CP称为“比例系数”,它决定了控制系统的响应速度和稳定性：CP越大，响应速度越快，但稳定性越差.CP越小，响应速度越慢，但稳定性越好。在外径反馈控制系统中，为了保证系统具有较高的稳定性，一般取较小的CP值.(2）积分部分：其输出大小正比于外径误差对时间的积分，如公式（4。2）积分部分输出=CI×∫(设定标称值－实测外径)dt（4。2）其中的常数CI称为“积分系数”。积分项的作用是消除外径的静态偏差，使产品外径的平均值与设定的标称值相等。因此,外径反馈控制系统的特性主要由比例系数CP和积分系数CI确定。为了取得较好的控制效果，应恰当地选择比例系数和积分系数.如果取得太小，则系统的响应速度太慢,反馈控制效果不好。如果取得太大,则会造成系统不稳定而发生震荡。4.1.2外径测控仪的应用1、DDM—3020外径测控仪外径测控仪的应用介绍主要以欧勒公司生产的型号为DDM-3020的动态外径测控仪为例进行简要概述,其他类型的测控仪可以根据此例扩展使用。DDM-3020外径测控仪，采用高速脉冲红外光与高精度CCD传感器相结合的测量原理，配合高速数字化处理技术，具有测量精度高、稳定性好、使用维护简单、寿命超长等特点。整套仪器包括DDM-3020外径测量头、测量头支架和DSP-3A外接显示器三个部分。动态外径测控仪主要用于对各种电线电缆、光缆、各类管材和线材的外径进行在线测量和控制它具有以下特点：(1）采用全数字处理技术和专用超大规模集成电路，可靠性高，外形小巧，功耗低。（2）应用硬件加速技术,测量速度高达1800次/秒，可替代凹凸检测仪。（3）具有RS—485通信接口,可方便地与工控计算机、PLC、触摸屏等连接.先进的反馈控制系统,控制效果更好。2、外径反馈控制接线外径反馈控制采用全新设计的智能PI调节器,具有响应速度快、稳定性好、安装调试简单等特点，实际控制接线如图4.3所示。图4.3外径反馈控制接线图3、利用RS—485通信实现外径反馈控制目前有些线缆生产设备的电器控制系统，已经采用先进的数字化控制技术，其给定信号由PLC或工控计算机通过通信总线（如RS-485总线、Profibus－DP工业现场总线、工业以太网等），直接以数字形式写入电机调速器中.由于DDM—3020外径测控仪具有RS-485通信接口,利用它可以实现数字式外径反馈控制。本毕业设计控制系统以PLC为核心,采用触摸屏作为人机交互界面。挤塑机和牵引机的电机控制全部采用交流变频调速器，它们与PLC之间通过RS—485总线相连，通信采用ModbusRTU协议.本毕业设计控制系统的通信部分连接如图4。4所示［23]。图4.4通信连接图通信部分简要说明：（1)DDM—3020外径测控仪必须作为RS—485通信总线的一个终端.（2）同一总线上的设备应采用相同的通信协议，并设置相同的通信连接参数（包括波特率、奇偶校验、数据位和停止位的个数）。(3）PLC作为通信的主设备,其他都是从设备。（4）每个从设备必须设置唯一的从机地址，例如:可以将测径仪的地址设置为01,挤塑机变频器的地址设置为11，牵引机变频器的地址设置为12,等等。4。2编码器计米4.2.1增量编码器工作原理编码器俗称码盘,用来测量转角并把它转换成脉冲或数字形式的输出信号.编码器有两种形式：增量编码器和绝对值编码器，根据工作原理和结构,编码器又分为光电式和电磁式等类型,光电式码盘是目前应用的较多的一种，它没有触点磨损，允许转速较高，精度高，但结构复杂，价格贵。电磁式码盘同样是一种无接触式的码盘，具有寿命长、转速高、精度高等优点。光电式增量编码器其组成结构中最大的部分是圆盘，圆盘上刻有均匀分布的辐射状窄缝，窄缝分布的周期称为节距，极为L。与圆盘对应的还有两组检测窄缝，他们的节距和圆盘上的节距相等,a、b两组检测窄缝的位置相隔（K±1/4)节距，其目的使A，B两个光电转换器的输出信号在相位上相差90°两组检测窄缝是固定不动的,圆盘与被测轴相连。当圆盘随着被测轴旋转时，检测窄缝不动,光线透过圆盘窄缝和检测窄缝照到光电转换器A和B上,显然，码盘转动时通过检测窄缝群的光线的强度随转角做周期的变化，所以光电转换输出的电流信号随转角做周期变化，变化的周期为窄缝的节距L。周期信号可分解为基波和谐波之和,谐波小时，可以用基波的正弦信号作为光电转换器的输出信号.光电转换器A和B这两路信号经逻辑电路处理、计算后就能得到转角和转速，并可以辨别转动方向。通过光电增量码盘信号处理电路。可实现,当圆盘正传时输入信号由低向高跳变，输出一个正脉冲，同样,当圆盘反转时，输入信号由高向低跳