基于PLC的静态切割机控制系统设计.docx
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基于PLC的静态切割机控制系统设计
基于PLC的静态切割机控制系统设计
摘要：
在基于PLC的静态切割机控制系统设计中，设计了PLC控制系统总体方案，给出了软、硬件设计和实现方案。
在硬件设计部分，阐述了电动机主电路及其电器控制电路的设计过程，给出了这两个电路的电器元件的选择结果。
在控制电路的设计部分，阐述了I/O接线图的设计过程，给出PLC及其输入／输出元件的选择结果。
在软件设计部份详细地阐述了PLC用户程序的设计过程，其中包括对公用程序、手动程序、自动程序和故障报警程序的设计过程的阐述，并给出了上述所有程序的梯形图和指令表。
关键词：
静态；硬件；软件；指令表。
ThesystemdesignofthestaticincisemachinebaseonPLC
Abstract:
DesignedthePLCcontrolsystematotalprojectinaccordingtothePLCstaticstateincisethemachinecontrolsystemdesign,givesoft,hardwaredesignandcarryoutaproject.Designpartinthehardware,elaboratethedesignprocessoftheelectricmotormainelectriccircuitanditselectricappliancescontrolelectriccircuit,gavethechoiceofthesetwoelectricappliancescomponentsofelectriccircuitstheresult.Becontrollingthedesignpartoftheelectriccircuit,elaborateI/Otoconnectthedesignprocessofthelinediagram,givethePLCandthechoiceofitsinput/outputcomponenttheresult.DesignthedesignprocessthatthepartelaboratedthePLCcustomerprocedureindetailinthesoftware,includeamongthemtothepublicprocedure,handtomovethedesignprocessthattheprocedure,automaticprocedureandgivealarmsignalproceduretoelaborate,andgaveabove-mentionedalltrapezoiddiagramsofproceduresandtherepertoire.
Keywords:
staticstate;hardware;software;repertoire
第1章概述
1.1切割机发展现状
国外生产制造切割机或拥有切割机技术的有：
西波列斯（SIPOREX）公司、求劳克斯（DUROX）公司、伊通（YTONG）公司、司梯玛（STEMA）公司、海波尔（HEBEL）公司、道斯腾（DORSTENER）公司、威汉（Vv3EHRHAHN）公司、乌尼泊尔（UNIPOL）公司、赫腾（HETEN）公司等。
按坯体切割时的姿态可分为两类：
1、保持浇注硬化时的水平状态进行切割。
2、将坏体翻转90。
侧立后进行切割。
前者有西波列克（SLPOREX）技术、求劳克斯（DUROX）技术、海波尔（HEBEL）技术、乌尼泊尔（UNIPOL）技术、司梯玛（STEMA）技术、威汉（WEHRHAHN）第一代技术；后者有伊通（YTONG）技术、完全仿制YTONG的道斯腾（DORSTENER）技术以及对YTONG技术进行了简化并改动的赫腾（HETEN）技术。
另外，还有将中国地面翻转技术和YTONG技术结合而成的威汉（WF．HRHAHN）第二代技术。
为了学习、借鉴国外发展加气混凝土的技术和经验，建立并发展我国加气混凝土工业，我国先后引进了如下外国技术和设备：
（1）从瑞典引进了SIPOREX第一代技术建立了北京加气混凝土厂；
（2）从日本引进了SIPOREX第二代技术建设了南京旭建新型建材有限公司加气混凝土生产线；（3）从德国引进了STEMA二手设备建成南通支云硅酸盐制品有限公司加气混凝土生产线；（4）从罗马尼亚引进HEBEL技术及设备建成了天津（军粮城）加气混凝土厂，上海（吴泾）硅酸盐制品厂加气混凝土生产线并用同一设备对哈尔滨工业加工厂加气混凝土生产线进行了更新改造；（5）从波兰引进UNLPOL技术和设备建设了齐齐哈尔建材厂、杭州加气混凝土厂、北京现代建筑材料公司加气混凝土生产线；（6）从德国引进了YTONG技术和设备建成了上海伊通有限公司加气混凝土生产线；（7）从德国引进了DORSTENER公司仿制YT0NG切割机更换了北京加气混凝土厂原生产线SIPOREX切割机组；（8）从德国引进了DORSTENER公司仿制的YTONG切割机及生产技术建设了天津建材制品有限公司加气混凝土生产线及爱舍（上海）新型建材有限公司；（9）从德国引进了HETEN技术及设备建设了常州加气混凝土有限公司；（10）从瑞典引进了设备和技术建设了沈阳华瑞建材有限公司；（11）从德国引进了WEHRHAHN第一代技术二手设备建设了南京建通加气混凝土生产线；（12）从韩国引进了德国Vv3EHRHAHN第二代技术二手设备建设了胜利油田营海建材有限责任公司加气混凝土生产线。
为了援助阿尔巴尼亚，二十世纪七十年代初由中国建筑东北设计院在北京加气混凝土厂测绘仿制SIPOREX技术，复制建设了北京矽酸盐制品厂年产10万m3加气混凝土生产线；常州加气混凝土中心测绘仿制STEMA技术，由常州天元工程机械有限公司制造建设了约8条生产线；常州加气混凝土中心测绘6米HEBEL切割机组，仅制造了样机并提供上海硅酸制品厂使用；中国东北建筑设计院在测绘6米HEBEL切割机的基础上，改进设计成3.9m长杆式切割机，由陕西玻璃纤维厂制造约15—20套；常州加气混凝土中心在参观学习北京加气混凝土厂引进的DORSTENER公司仿Y11CING切割机基础上，进行了简化设计，制造了仿YTONG切割机，装备于山东焦家金矿加气混凝土生产线；北京市建都设计研究院测绘复制了北京加气厂引进的DORSTENER公司仿YTONG切割机建成烟台宏源新型建材有限公司；常州加气混凝土中心仿制了常州加气混凝土有限公司的HETEN切割机．设计了分步式切割机，由常州天元工程机械有限公司制造，装备于山东石横电厂、上海宇山红新型建材有限公司（二线）等。
翻转切割机1974年由国家建筑材料工业总局组织中国建筑东北设计院，在北京加气混凝土厂进行坯体翻转试验的基础上，在原哈尔滨工业加工厂边设计，边制造，边安装，建设了并建成年产10万m3加气混凝土生产线，采用了现场边设计、边制造、边安装、边调试、边建厂方式自主研制成功了6m地面翻转切割机，并建成生产线，在试制投产成功的基础上，国家建材总局下达计划，一批制造了十三套6m地面翻转切割机，其中二套没有建线，后又陆续制造四台，总共建成十五条6m地面翻转切割机生产线，至今还有12台仍在使用，已有二十多年的使用实践，其中产量最高的己达30-35万m3／年。
此类切割机能适应各种原料组合，同时生产砌块和板材。
其中，原哈尔滨工业加工厂以水泥—石灰—砂配料，每年生产4-5万m3屋面板和墙板，前后生产过七、八年；鞍山加气混凝土厂及长春加气混凝土厂以水泥—矿渣—砂配料，生产过3—4年屋面板和墙板；其它大部分生产线为水泥—石灰—粉煤灰配料，新疆乌鲁木齐加气混凝土厂生产过几年墙板和屋面板用于乌鲁木齐的多个重要建设工程。
在十几条生产线中都配置了钢筋网片加工及防腐、组装车间。
为了适应不同企业的筹资能力和市场容量，中国建筑东北设计院根据企业要求，对6m地面翻转切割机进行了改进设计，将坯体长度由6m改为3.9m．并将技术图纸分别转让给陕西玻璃纤维机械厂、常州建材设备制造厂、西北农房公司、四川兴德机械制造公司等。
使地面翻转切割机逐浙成为我国加气混凝土工业主要机型。
翻转切割机的研发成功，对我国加气混凝土工业发展作出了巨大贡献。
预铺卷切式切割机二十世纪八十年代初，上海杨浦煤砖厂自行研制成功预铺卷式切割机供自己使用。
其后制造销售了5-10套。
预铺钢丝提升卷切式3.9m切割机二十世纪八十年代，为了满足加气混凝土生产建设的需要．建材工业部组织北京市建材设计所和常州建材设备制造厂合作，研制了预铺钢丝提升卷切式3.9m切割机，由常州建材设备制造厂制造．并销售了10套左右。
以上三种切割机在研发成功后的推广使用过程中，都进行不同程度的改进和提高
1.2切割机控制方法和控制系统的确定
机床控制系统在现代机床生产业中有很重要的的作用，机床的控制系统相当于机床的大脑和心脏。
一台机床要想很好的运行其控制系统一定要做好，一个好的机床控制系统要能够很好的控制机床的运行，能使机床的每一步都能够准确运行到位，并且还要有好的安全保护系统，还要有好的调试系统等。
机床控制系统有继电器控制、单片机控制、PLC控制等。
现将几种控制系统作出分析比较选取最优的控制系统来实现其功能。
1.PLC控制和继电器控制比较
（1）控制逻辑：
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其连线多而复杂，体积大，功耗大，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。
另外继电器触点数目有限，每只一般只有4～8对触点，因此灵活性和扩展性都很差。
而PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序，故称为“软接线”，其连线少，体积小，加之PLC中每只软继电器的触点数理论上无限制，因此灵活性和扩展性都很好。
PLC由中大规模集成电路组成，功耗小。
（2）工作方式：
当电流接通时，继电控制线路中各继电器都处于受约状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合。
而PLC的控制逻辑中，各继电器都处于周期性循环扫描接通之中，从宏观上看，每个继电器受制约接通的时间是短暂的。
（3）控制速度：
继电控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低。
触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。
另外机械触点还会出现抖动问题。
而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级。
PLC内部还有严格的同步，不会出现抖动问题。
（4）限时控制：
继电控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制。
时间继电器一般分为空气阻尼式、电磁式、半导体式等，其定时精度不高，定时时间易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难。
有些特殊的时间继电器结构复杂，不便维护。
PLC使用半导体集成电路作定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，定时范围一般从0.1s到若干分钟甚至更长，用户可根据需要在程序中设定定时值，然后由软件和硬件计数器来控制定时时间，定时精度小于10ms且定时时间不受环境的影响。
（5）计数控制：
PLC能实现计数功能，而继电控制逻辑一般不具备计数控制功能。
（6）设计和施工：
使用继电控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。
工程越大，这一点就越突出。
而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计（包括梯形图和程序设计）可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。
（7）可靠性和可维护性：
继电控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。
触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。
而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，它体积小、寿命长、可靠性高。
PLC还配备有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
（8）价格：
继电控制逻辑使用机械开关、继电器和接触器，价格比较便宜。
而PLC使用中大规模集成电路，价格比较昂贵。
2.PLC控制和单片机控制比较
（1）PLC和单片机控制的相似性:
本质是一样的，都是基于微处理器技术。
都可以实现对仪器设备的智能化控制。
PLC内部就用了单片机。
（2）PLC和单片机优点:
（1）PLC由专业大公司精心设计的硬件和软件系统，功能强大、可靠性好。
编程方法简单易学，即使是不熟悉电脑的工程师也可以用它开发复杂的控制系统。
抗干扰能力强，适用于环境恶劣的工业控制场合。
有丰富的扩展模块和联网能力，可以做成大型复杂的工业控制系统。
（2）单片机价格便宜功能强大。
既可以用于价格低廉的民用产品也可用于昂贵复杂的特殊使用系统。
自带完善的外围接口，可直接连接各种外设，有强大的模拟量和数据处理能力。
体积小，功耗低可用于电池供电的便携式产品。
有高级语言支持，编程效率高，可移植性好。
编程方法复杂，不容易上手。
抗干扰能力差。
使用范围广泛，既适合大批量重复生产的民用消费品。
也可以用于小批量产品。
特别是仪器仪表，家电以及小型控制系统。
（3）PLC和单片机的缺点:
（1）PLC价格昂贵，体积大，功能扩展需要较多的模块，不适合大批量重复生产的产品。
（2）单片机编程方法复杂，不容易上手。
抗干扰能力差。
（4）PLC和单片机的使用范围
（1）PLC适合于工作母机控制和工业过程控制。
（2）单片机使用范围广泛，既适合大批量重复生产的民用消费品。
也可以用于小批量产品。
特别是仪器仪表，家电以及小型控制系统。
1.3PLC的特点
1.高可靠性：
所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路和PLC内部电路之间电气上隔离。
各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms.各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
采用性能优良的开关电源。
对采用的器件进行严格的筛选。
良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
2.丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。
有相应的I/O模块和工业现场的器件或设备，如：
按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。
另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
3.采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4.编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5.安装简单，维修方便PLC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和PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
6.PLC的功能：
（1）逻辑控制。
（2）定时控制。
（3）计数控制。
（4）步进（顺序）控制。
（5）PID控制。
（6）数据控制：
PLC具有数据处理能力。
（7）通信和联网。
（8）其它：
PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：
定位控制模块，CRT模块。
第2章硬件设计
2.1切割机主要构造及技术参数
2.1.1切割机主要构造及动作过程
切割机的主要功能是将泡沫塑料切成厚度一定的一片一片。
其驱动部分由台面、刀架、转轮、刀片、滑套、以及左、右丝杆组成，如图所示。
图2.1切割机驱动机构示意图
切片过程为:
先将泡沫块放在台面上、台面后推到限定位置、刀架下移、定位移量并锁住、台面和泡沫块一起移动到新限定位置、刀架下移刀片旋转随之切割出一片一定厚度的海绵、台面后移至限定位置，同时刀架上移到初始位置。
不断重复上述过程。
在图示的切割机示意图中可知道刀架的运动所需的要求是刀架的平稳性，而刀架的上下运动是由左右的滑套和左右丝杆组合构成。
根据运动的平稳性，要求左右滑套和左右丝杆要配套而且参数一直。
而且刀片不能切割的过甚，并且台面是由金属构成的，刀片切割的位置要求准确。
台面的运动也是要求精确，其精确对材料的切割质量有很大的影响。
刀片的锋利度是由磨刀转盘磨石确保的，而磨刀的转速不能太快，那样对刀片的磨损太快。
2.1.2切割机技术参数
切割机技术参数如下：
表2.1切割机技术参数
切割机性能：
数值
单位
切割机切割速度
50
mm/s
切割最大厚度
199.9
mm
切割最小厚度
0.1
mm
切割循环次数
5-50
次
整机质量
2
T
表2.2切割机电气系统参数
电气系统参数：
数值
单位
动力系统工作电压
380
V
控制系统工作电压
220
V
台面电机功率
1.5
kW
带锯电机功率
4.0
kW
刀架电机功率
1.1
kW
磨刀电机功率
0.25×2
kW
总装机功率
7.1
kW
2.2切割机主电路设计
2.2.1主电路设计
根据控制要求，设计出切割机的主电路图如图所示。
图中共有5台电机。
带锯电机驱动刀片旋转，切割泡沫塑料，由交流接触器KM1控制；两个磨刀电机带动砂轮对刀片研磨，使刀片保持锋利，由于功率比较小，可以用一个交流接触器KM2控制；台面电机为直流电机，驱动台面前移和后移；刀架电机通过蜗轮/蜗杆传动机构减速，驱动左、右丝杆正转或反转，刀架随滑套上移或下移，由于刀架停车必须准确，所以其制动采用电磁刹车。
图2.2切割机主电路图
2.2.2电气元件的选择
1.主电路的电机选择
电动机是主要的动力机械，它的使用是非常广泛的，所以就其全国电动机的总耗电量来说，它是极为可观的。
因此，合理选择电动机是相当重要的，它直接关系到生产机械的运行安全和投资效益。
电动机的选择内容包括电动机种类、外壳型式、额定电压、额定转速、额定功率、各项性能等
电力拖动系统中拖动生产机械运行的原动机即驱动电机，包括直流电动机和交流电动机两大种，交流电动机又有异步电动机和同步电动机两种。
电动机主要种类如下表所示。
表2.3电动机的种类
交流电动机
异步电动机
三相异步电动机
单相异步电动机
同步电动机（三相、单相）
凸极式
隐极式
直流电机
他励直流电动机
并励直流电动机
串励直流电动机
复励直流电动机
各种电动机具有的特点包括性能方面、所需电源、维修方便和否、价格高低等各项，这是选择电动机种类的基本知识。
当然生产机械工艺特点是选择电动机的先决条件。
这两方面都了解了，便可以为特定的生产机械选择到合适的电动机。
电机主要特性如下表所示。
表2.4电机的特性
电机种类
最主要的性能特点
直流
电动机
他励、并励
机械特性硬，起动转矩大，调速性能好
串励
机械特性软，起动转矩大，调速方便
复励
机械特性软硬适中，起动转矩大，调速方便
三相
异步
普通鼠笼
机械特性硬，起初转矩不太大，可以调速
绕线式
机械特性硬，起动转矩大，调速方法多，调速性能
三相同步电动机
转速不随负载变化，功率因数可调
单相异步电动机
功率小，机械特性硬
单相同步电动机
功率小、转速恒定
由于电机分直流电机和交流电机，两种不同的电机工作的电压也不同，同步电机容量在3-320KW所工作电压是380V，在250-1000KW所工作电压是600V。
鼠笼式异步电机容量在0.73-320KW所工作电压是380V，在250-5000KW所工作电压是6000V，绕线式异步电动机0.6-200KW所工作电压是380V，在250-5000KW所工作电压是6000V。
而直流电机的工作电压分为110V、220V、440V、600-870V，其工作电压越大，容量越高。
电动机额定功率的选择是一个很重要的问题。
选择电动机功率的原则，是在电动机能够满足生产机械负载要求的前提下，最经济最合理地确定电动机的功率大小。
如果功率选的过大，使设备投资费用增加，而且因电机经常轻载运行，其运行功率因素降低；反之，功率选的过小，电机经常过载运行，使电机温升高，绝缘易老化，缩短电机寿命；同时还可能出现启动困难、经受不住冲击性负载等情况。
电动机额定功率的选择一般分成三步：
首先计算负载功率PL；再者根据负载功率，预选电动机的额定功率及其它；最后校核预选电动机。
一般先校核发热温升，再校核过载能力，必要时校核起动能力。
都通过了，预选的电动机便选定了；通不过，从第二步开始重新进行，直到通过为止。
在满足生产机械要求的前提下，额定功率越小越经济。
对电动机本身而言，额定功率相同的电动机额定转速较高，体积越小，造价越低，一般说电动机转子越细长，转动惯量越小，起、制动时间短。
当生产机械所需额定转速一定的前提下，一般来讲若还需要传动机构减速，则电动机额定转速越高，传动结构速比越大，机构越复杂，而且传动损耗也越大。
通常电动机额定转速不低于500r/min。
因此正确选择电动机的额定转速需要根据具体生产机械的要求，综合考虑上面诸因素后才能决定。
根据主电路的要求和控制方式结合以上对电机的各项标准和参数的介绍可确定主电路所用的元件的型号和参数。
带锯电机的是用来带动电锯并切割材料，所选的电机功率要大，转速要高。
刀架电机用来控制刀片的上下移动，而刀片的移动并不能很快，所以所选的电机转速要稍微低，虽有蜗轮减速，带在经济角度考虑下，可以用转速小、功率低的电机以节约成本，两个磨刀电机的功率是不能太大，所以用小功率电机。
台面电机控制材料的进给，定位须准确，采用直流电机。
所以可以列出电机的型号参数如下。
表2.5带锯电机型号参数
型号
额定电压
额定
功率
额定电流
转速
效率
功率因素
最大转矩
最小转矩
堵转转矩
堵转电流
额定转矩
额定转矩
额定转矩
额定电流
V
kW
A
r/min
%
cosΦ
倍
倍
倍
倍
Y2-112M-2
380
4
8.1
2890
85.0
0.88
2.3
1.4
2.2
7.5
表2.6刀架电机型号参数
型号
额定电压
额定
功率
额定电流
转速
效率
功率因素
最大转矩
最小转矩
堵转转矩
堵转电流
额定转矩
额定转矩
额定转矩
额定电流
V
kW
A
r/min
%
cosΦ
倍
倍
倍
倍
Y2-100L2-8
380
1.1
3.4
700
73.0
0.69
2.0
1.2
1.8
5.0
表2.7磨刀电机型号参数
型号
额定电压
额定功率
额定电流
转速
效率
功率因素
最大转矩
堵转转矩
堵转电流
额定转矩
额定转矩
额定电流
V
kW
A
r/min
%
升级会员 