增量型定尺剪切控制系统设计毕业设计论文Word文档下载推荐.docx
《增量型定尺剪切控制系统设计毕业设计论文Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《增量型定尺剪切控制系统设计毕业设计论文Word文档下载推荐.docx（45页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于PLC设计的自动控制系统，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。
基于以上设备的特点，本课题主要研究如何应用触摸屏、S7-200PLC、交流伺服系统设计一个板材定尺（增量型）剪切控制系统。
基于上述情况，板材生产加工企业迫切需要高精度、高效率的生产设备。
剪切机是板材加工企业的关键生产设备之一。
在可预见的未来，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。
1.2设计的主要内容
本设计的关键是：
提高控制的精度、实现增量式定尺、利用触摸屏实现人与系统的交流、实现开卷机与矫平机的线速度一致。
PLC发送高速脉冲送给伺服驱动器控制伺服电动机转动编码器给伺服驱动器一个反馈信号，伺服驱动器比较脉冲与编码器的脉冲信号，当两者相等时伺服电机停止，这样可以实现对板材的精确定位。
另外选择合适的脉冲当量也是提高系统精度的重要条件。
本系统要求剪切材料的误差在0.1mm，所以脉冲当量选择为0.01mm，保证了生产要求的剪切精度。
要实现增量式定尺，由于伺服运动的控制脉冲是由PLC发出的。
运用PLC可编程的特性对发出的高速脉冲数量进行控制来实现伺服系统的增量式定位。
触摸屏连接PLC，可实现与PLC的数据交换。
利用触摸屏强大的功能可实现对系统的参数设定、运行状态的实时监控、故障异常报警、数据显示等。
通过触摸屏工作人员可时刻了解到系统的运行状况并做出正确的判断及异常处理。
利用PLC对矫平机的实时速度进行采集，经过处理后给定开卷机一个相应的运转频率，实现开卷机的开卷速度跟随矫平机的速度。
1.3本章小结
本章节主要讨论了设计的背景、目的、意义、设计需要重点解决的问题以及解决这些问题的理论等。
第2章系统总体设计方案
2.1工艺流程
工艺流程如图2-1所示，板材通过开卷机开卷后，为了保证测量的精度，板材经过矫平机矫平。
然后，板材通过活套缓冲。
板材从活套出来后由测量辊根据设定值定长，长度确定后启动剪切系统剪切。
剪切完成的板材经过传送带送到运料小车。
活套的设计是由于确定长度后需要测量辊停止转动完成剪切，而开卷机和矫平机是不停机运行的，为了避免材料堆积对长度确定的影响。
板材通过活套缓冲后再进入测量辊。
图2-1工艺流程图
2.2系统的控制原理
控制系统框图如图2-2所示，
图2-2控制系统框图
采用可编程逻辑控制器S7-200PLC端子控制变频器、伺服驱动来控制开卷电机、矫平电机、伺服电机实现系统的传动。
PLC通过活套的控制协调开卷机、矫平机和伺服电机之间的速度差。
剪切系统由PLC直接控制。
触摸屏的作用是系统运行前输入剪切的基准长度及增量长度，系统运行时监视运行状况，异常、故障报警等。
并显示各电机的运行状态、生产线速度、完成的产品数量等。
开卷机随着板材卷径的变小线速度会一直变大而矫平机线速度基本不变，导致开卷机和矫平机之间堆料。
所以需要开卷机与矫平机的线速度保持一致。
矫平电机的转速通过矫平变频器控制，矫平变频器的运行频率是设定频率加上套坑的调节频率来控制矫平电机的运转。
矫平变频器将实时运行频率以0~10v的模拟量电压信号送给PLC，经过PLC计算得出此时的线速度，再根据此时的开卷机材料卷径，计算开卷变频器的运行频率后送给变频器控制开卷电机。
这样就实现了开卷机与矫平机的同步运行。
计算公式如2-1、2-2.
（2-1）
（2-2）
n—电机转速
f—频率
p—电机极对数
v—线速度
D—矫平机轴径（开卷机卷径）
I—传动比
活套的控制是使用两个对射式光电开关对活套里的板材量进行检测，若堆积过多则送给PLC一个信号，PLC控制矫平机减速。
若板材量过少，发送信号给PLC，控制矫平机加速。
PLC根据设定好的剪切长度及增量发送脉冲给伺服驱动，控制伺服电机转动一定角度后停车。
启动剪切系统完成剪切后，PLC再次发送下一串脉冲，如此循环。
2.3本章小结
本章主要讨论了系统总体的设计方案。
工艺流程、控制原理。
给出了系统框架，并且明确了各设备的控制要求，方便进行设备的选型及参数设定。
第3章系统硬件设计
3.1变频器及三相异步电动机
3.1.1变频器、电动机、电抗器的选型
三相异步电动机的选择原则：
启动转矩大于负载转矩、运行时的温升不超过允许值、电动机具有一定的过载能力。
负载转矩公式：
（3-1）
转动惯量公式：
（3-2）
M—为负载转矩
J—为转动惯量
—为角加速度
m—负载质量
R—为负载半径
然后根据负载转矩M选取电机，最终选择的三相异步电动机电机型号为YEJ-132S-6额定功率3Kw、额定转速960r/min、额定电压380V、Y表示三相异步电动机、EJ表示直流电磁制动、S表示鼠笼式、6表示6极。
变频器的选择：
根据变频器在设计中的控制任务及所带电动机的大小，变频器1和变频器2选择通用型的就可以达到要求。
所以两台变频器都选用性价比较高的台达VFD-B系列通用变频器。
具体型号为VFD037B43A，VFD为产品系列、037为该变频器最大可带动3.7KW的电动机运行、B为VFD-B系列、43为输入电压为三相230~460V、A版本号。
交流电抗器的选择：
进线电抗器的作用是抑制高次谐波的影响，可以根据实际情况选用。
出线电抗器的作用是抑制变频器输出的谐波，减小变频器和电机的噪声。
两台以上变频器并联运行时，可以限制换相环流并平衡负荷。
本设计中必须加装输出侧电抗器，输入侧也选择加装电抗器。
电抗器的选择根据公式
（3-3）
E—为额定电压
f—为额定频率
I—为额定电流
最终选择交流电抗器的大小为输入电抗器：
2.0mH交流电抗器、输出电抗器：
2.5mH交流电抗器。
3.1.2变频器主要参数设置
根据设计要求变频器1的作用是根据PLC给定的频率使开卷机的线速度与矫平机保持基本一致。
变频器2的作用是根据设定频率运行，若外部端子UP/DOWN有效时频率递增/递减运行一段时间（时间已设定）。
并不断将运行频率以模拟量信号送给PLC进行计算，计算值就是给定变频器1的模拟量频率信号。
端口使用情况如图3-1所示：
图3-1VFD-B变频器端子说明
端口使用说明如表3-1：
表3-1变频器端子使用说明
1
FWD
正转启动/停止
2
JOG
点动
3
EF
外部异常
4
DCM
数字量端口公共点
5
AVI
频率给定端子
6
ACM
模拟输入点公共端
7
MO3
准备就绪指示
8
MCM
模拟输出公共端
9
UP
外部端子递增
10
DOWN
外部端子递减
11
AFM
频率模拟信号输出
变频器2的主要参数设置如表3-2：
表3-2变频器2主要参数设置
00-09
控制方式
00：
V/F控制
00
01-03
中间频率设定
0.10~400.00Hz
40.00
01-04
中间电压设定
460V机种：
0.1V~510.0V
304.0
01-05
最低输出频率设定
5.00
01-06
最低输出电压设定
38.0
01-09
第一加速时间设定
0.01~3600.0秒
5.0
01-10
第一减速时间设定
10.0
01-13
寸动加速时间设定
0.1~3600.0秒
01-14
寸动频率设定
25.00
01-22
寸动减速时间选择
02-02
电机停车方式选择
以减速刹车方式停止
01-01
电机额定频率设定
0.10~400.0Hz
50.0
01-02
电机额定电压设定
0.1~510V
380
02-00
第一频率指令来源
01外部端子AVI模拟量输入
01
02-01
第一运转指令来源
02外部端子操作键盘stop无效
02
3.2伺服系统
3.2.1伺服驱动伺服电机及编码器选型
伺服电机的选型原则：
瞬时最大扭矩小于伺服电机最大扭矩、负载惯量小于三倍的电机转子惯量、连续工作速度小于电机额定转速、连续工作扭矩小于伺服电机额定工作扭矩。
负载惯量计算公式：
见公式3-2
电机带动负载所需要的扭矩：
电机克服摩擦力需要的扭:
（3-4）
电机加速时需要的扭矩：
（3-5）
—负载重力
—负载与转轴的摩擦系数
D—负载直径
a—加速度
根据公式计算结果选择的电机应满足3倍的伺服电机转子惯量大于负载惯量J、伺服电机额定转矩大于电机克服摩擦力的扭矩Tf、伺服电机最大扭矩大于电机克服摩擦力需要的扭矩和电机加速时需要的扭矩的和
通过以上计算可以选择出伺服电机的型号为ECMA-G21309AS，推荐的伺服
驱动型号为ASD-B2-1021。
伺服驱动额定功率为1Kw，伺服电机额定功率为0.9Kw，额定转速1000r/min，额定电压220V。
伺服电机配置的编码器是增量型2500ppr。
伺服系统的工作过程是：
PLC发送告诉脉冲给伺服驱动后，伺服驱动驱动电机旋转，编码器发送信号到驱动器，驱动器比较PLC与编码器的信号，当PLC发出的脉冲等于编码器发出的脉冲时，电机运转到指定位置停止。
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；
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。
脉冲序列能正确地反映转速的高低，但不能鉴别转向。
为了获得转速的方向，可增加一对发光与接收装置使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/4，两组脉冲序列A和B的相位相差90度，正转时A相超前B相；
反转时B相超前A相。
如图3-2所示：
图3-2编码器脉冲
一个脉冲所产生的坐标轴移动量叫做脉冲当量，脉冲当量是脉冲分配的基本单位。
脉冲当量选取得越小，控制精度越高，但对系统的要求也越高，系统造价也越贵且难以实现；
脉冲当量选取越大，控制精度越低，对系统的要求降低。
因此选择合适的脉冲当量对系统的性能提升有很大帮助。
本设计选择周长200mm的压辊直接测量板材的尺寸，光电编码器与伺服电机同轴，将测得的数据以脉冲的形式反馈给伺服驱动。
减速比为6.28，根据理论计算，剪切628mm的钢板。
2500脉冲每圈的光电编码器经脉冲处理电路得到10000脉冲每圈，所以需要理论脉冲数10000，即每走1mm需要100个脉冲，按测量辊计算脉冲当量为0.01mm。
3.2.2伺服驱动主要参数设置
参数的设置主要是确定伺服的控制模式，端子的功能的确定以及伺服电机的过电压保护、过电流保护参数的设定，信号处理的响应速度等设定。
根据设计要求，伺服系统要完成的任务是精确定位。
配合PLC发出的脉冲使板材走过指定长度后停车，发出目标位置到达信号给PLC。
PLC收到信号后发出剪切指令对材料进行剪切。
剪切完成后PLC收到剪切完成的信号后继续更新脉冲数发送下一个脉冲，如此循环不断工作。
本设计中用到的驱动器端子说明如图3-3所示：
图3-3伺服驱动器端子说明
表3-3伺服驱动器端子说明
LC1
控制电源
LC2
VDD
+24V
PULSE
脉冲信号
SIGN
脉冲方向信号
PULL-HI
与公共端接通
COM-
公共端
SON
启动
EMGS
急停
T+
编码器信号
12
T-
13
+5V
编码器电源
14
DO1
准备就绪
15
DO2
目标位置到达
16
DO3
故障
17
18
GND
接地
本设计伺服系统需要的是位置控制，所以伺服驱动的控制模式选为位置控制模式。
本设计选用的PLC的CPU224XP，最高可发送的脉冲频率为100KHz，所以为了保证控制精度，电子齿轮比设定为100/100。
设定PLC发送的脉冲形式为正逻辑（正逻辑是脉冲方向为高电平是正转信号低电平相反）脉冲+方向脉冲的形式，伺服驱动器主要参数设置如下表3-4：
表3-4伺服主要参数设置
代号
简称
功能
设定值
P1-01
CTL
控制模式及控制命令源输入设定
P2-50
DCLR
脉波清除模式
P1-00
PTT
外部脉波列输入形式设定
00042
P1-44
GR1
电子齿轮比分子设定1
100
P1-45
GR2
电子齿轮比分母设定
P1-08
PFLT
位置指令平滑常数
10ms
P2-00
KPP
位置控制增益
35rad/s
P2-01
PPR
位置控制增益变动比率
100%
位置前馈增益
50%
P2-03
PFF
位置前馈增益平滑常数
5ms
P2-09
DRT
数字输入响应滤波时间
2ms
3.3PLC介绍及选型
西门子公司的S7-200PLC是一种叠装式结构的小型PLC，它指令丰富，功能强大，可靠性高，结构紧凑，便于扩展，性能价格比高。
从CPU模块的功能来讲，S7-200系列PLC具有以下五种不同结构配置的CPU单元。
CPU221有6输入/4输出，无扩展，存储容量较小，有一定的高速计数能力适合于点数少的控制系统。
CPU222有8输出/10输出，可以进行模拟量的控制和2个模块的扩展，应用更广泛的全功能控制器。
CPU224有14输入/10输出，存储容量扩大了一倍，有7个扩展模块，内置时钟，有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是S7-200系列中使用最多的产品。
CPU224XP最新推出的一款实用机型，最大的不同是主机上增加了2输入/1输出的模拟量单元和一个通信口，适合有少量模拟信号的系统中使用。
CPU226有24输入/16输出，增加了通信口的数量，通信能力大大增强，用于点数较多，要求较高的小型或中型控制系统。
根据以上S7-200系列PLC不同CPU的了解，本设计要用到高速脉冲指令，为了提高系统的精度选择CPU224XP交流输入晶体管直流输出，它提供的高速脉冲发出的频率可达100KHz。
而且有模拟量输入输出接口。
由于输入输出端口不够，所以考虑加扩展模块：
EM232两路模拟量输出，EM222八路直流数字量输出。
表3-5I/O端口分配表
输入
输出
I0.0
光电开关1
Q0.0
高速脉冲
I0.1
光电开关2
Q0.1
方向脉冲
I0.2
光电开关3
Q0.2
I0.3
M1就绪
Q0.3
I0.4
M2就绪
19
Q0.4
剪切
I0.5
M3就绪
20
Q0.5
M3启动
I0.6
M1故障
21
Q0.6
M2启动
I0.7
M2故障
22
Q0.7
M1启动
I1.0
M3故障
23
Q1.0
M1点动
I1.1
24
Q1.1
M2点动
I1.2
25
Q1.2
M3点动
I1.3
26
AQW0
变频器1频率给定
I1.4
27
AQW2
变频器2频率设定
AIW0
变频器2频率输出
28
Q1.3
断路器QF1
29
Q1.4
断路器QF2
30
Q1.5
断路器QF3
31
Q1.6
开卷机急停
32
Q1.7
矫平机急停
33
Q2.0
测量辊急停
3.4触摸屏介绍及选型
HMI是HumanMachineInterface的缩写，“人机接口”，也叫人机界面。
人机界面是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。
人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存储单元等，其中处理器的性能决定
升级会员 